一种光纤声发射传感器阵列装置及机械裂纹演化监测技术的制作方法

文档序号:14773266发布日期:2018-06-23 02:12阅读:308来源:国知局
一种光纤声发射传感器阵列装置及机械裂纹演化监测技术的制作方法

本发明涉及一种光纤声发射传感器阵列,用于实时监测机械结构疲劳裂纹演化。本发明还涉及一种包含上述光纤声发射传感器阵列的光纤声发射传感系统和基于光纤声发射传感系统的机械结构疲劳裂纹演化监测技术。



背景技术:

机械结构在服役过程中受应力或应变的长期反复作用容易产生疲劳裂纹,其表现形式首先为金属材料微观组织结构和弹塑性的变化,然后是微裂纹的萌生,最后裂纹扩展直至产生可见裂纹,进而引起结构突然失效,严重时会导致装备损毁,带来人员伤亡等重大安全事故。

工程中常规的无损检测方法,诸如:渗透检测、磁粉检测、射线检测、超声波检测、涡流检测、声发射检测等均可用于金属结构疲劳裂纹的检测和定位,但这些检测方法也均有其独特的应用领域和局限性。例如,磁粉检测受磁粉粒度的限制,只能检测具有一定开口宽度的表面裂纹;涡流检测方法只能检测表面和近表面裂纹,对深埋裂纹不敏感;X射线检测对象通常是体积型的损伤;超声回波检测需对结构进行扫查,检测效率低,且在检测闭合裂纹时可靠性不高。此外,上述检测方法实施过程中大多要求提前释放掉待测部件的外加载荷,影响装备的正常运转;在线实时监测困难,不利于突发事件后迅速查明结构状态。

声发射(Acoustic Emission,简称AE)又称为应力波发射,是材料受外力或内力作用产生变形或断裂,以弹性波形式释放出应力应变能的现象,大多数材料变形和断裂时都有声发射发生。产生声发射的宏观机制主要是物体的塑性变形、裂纹的形成和扩展、断裂等,而这也是机械结构产生损伤的主要表现形式。声发射检测相对于其它无损检测技术而言,探测的能量来自被测物体本身,而不是像超声波检测或射线检测那样由无损检测仪提供。同时声发射检测对活性缺陷(如疲劳裂纹演化)比较敏感,它能探测到结构在外加载荷作用下这些缺陷的活动情况。

尽管声发射技术有很多优势,但也有其应用局限性,受传输电缆固有的物理特性影响,声发射信号传输距离短,该技术一般用于检测,无法对机械结构进行长时间监测,不能对机械结构的健康状况做到实时、全面的掌握,也不能做到跟踪机械结构的疲劳裂纹演化并进行预警。



技术实现要素:

为了克服上述缺陷,本发明将声发射技术和光纤传输技术进行集成创新,提出光纤声发射传感技术,并开发机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统。该系统为开展机械结构的疲劳裂纹演化监测提供新的技术方法和手段,对于保障机械结构的安全可靠运行有重要的技术支持作用。

本发明提供一种机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统,包括光纤声发射传感器阵列、光纤声发射预处理子系统、光纤声发射传输子系统和光纤声发射监测软件子系统等,可实现机械结构疲劳裂纹演化的实时监测,为保障机械结构的安全可靠运行提供技术支持。

一种机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统,包括光纤声发射传感器阵列、光纤声发射预处理子系统、光纤声发射传输子系统和光纤声发射监测软件子系统,光纤声发射传输子系统采用光纤传输。

进一步的,所述的光纤声发射传感器阵列,为一种光纤声发射传感器阵列装置,包括声发射传感节点和导轨装置,其中声发射传感节点包括声发射传感器和传感器固定装置;所述声发射传感器是压电声发射传感器。

进一步的,所述光纤声发射预处理子系统包括光纤声发射数据采集模块和光纤声发射数据转换模块。

进一步的,所述光纤声发射传输子系统由电光/光电转换模块、光纤传输模块等部分组成,电光/光电转换模块由RJ45接口和隔离变压器、光电介质电路、光收发电路、电源和配置四部分组成。

进一步的,所述光纤声发射监测软件子系统包括参数设置、数据采集和数据分析三个模块,用于对光纤声发射监测信号的处理、显示、保存,从而展现机械结构的声发射情况及其实时状况,预警机械结构的疲劳裂纹演化情况。

一种光纤声发射传感系统的机械结构疲劳裂纹演化监测的方法,包括机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统,所述方法包括如下步骤:

①光纤声发射传感器阵列的安装

a.在被检机械结构表面标出声发射传感器的安装部位;

b.对声发射传感器的安装部位进行表面打磨去除油漆、氧化皮或油垢等;

c.在声发射传感器接触面上涂抹适量耦合剂;

d.将光纤声发射传感器阵列中的声发射传感器调整到合适的位置,按压传感器阵列使之与被检物体表面接触,安装和固定。

②光纤声发射预处理子系统和光纤声发射传输子系统之电光转换模块的安装

现场应用中,光纤声发射传感器阵列输出的信号由电缆传输至光纤声发射预处理子系统。由于传感器输出的信号比较微弱,所以传感器和光纤声发射预处理子系统之间的电缆需能屏蔽电磁干扰,且长度不宜过长,一般应不超过2米。光纤声发射预处理子系统通过放置或磁吸附固定在机械结构上,其输出信号连接至固定在机械结构上的光纤声发射传输子系统之电光转换模块,将电信号转换至光信号后,由光纤传输模块进行长距离传输至监控室的光电转换模块。

③光纤声发射传输子系统之光电转换模块的安装

光电转换模块放置在监控室,一般与监控计算机放置在一起。该模块的作用是将光纤传输的光信号还原为电信号。光电转换子系统输出的信号通过网线送入计算机进行数据分析和处理。

将光纤传感技术和声发射技术集成创新实现对机械结构的疲劳裂纹演化实时监测,开发的机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统克服了传统声发射系统的缺点,实现了声发射信号的远距离传输,具有抗干扰能力强、信号传输距离远等特点。该系统为机械结构的疲劳裂纹演化监测提供了手段,将为建立适合我国国情的机械结构运行安全动态监管长效机制和安全法规标准体系奠定技术基础。

附图说明

图1是机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统的示意图。

图2a是适用于平面监测的传感器阵列的立体图。

图2b是适用于曲面监测的传感器阵列的立体图。

图3是光纤声发射数据转换模块结构框图。

图4是光纤声发射传输子系统之电光/光电转换模块的结构图。

图5是机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统软件框图。

图6是机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统软件的实时监测界面。

图7是机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统软件的参数设置界面。

具体实施方式

机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统包括光纤声发射传感器阵列2、光纤声发射预处理子系统3、光纤声发射传输子系统4和光纤声发射监测软件子系统7等,如图1所示,光纤声发传感器阵列2接收声发射源1传出的信号,信号经过光纤声发射预处理子系统3的处理转换后通过光纤声发射传输子系统5传输给光纤声发射监测软件子系统7,传输方式为光纤传输6,光纤声发射软件监测子系统7通过计算机6运行。

由图1可知,机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射传感系统的信号获取是通过声发射传感器阵列2来实现的,而高效可靠的传感器是保证健康监测质量的前提。压电声发射传感器结构简单、紧凑,小巧轻便,具有线性度高量程范围大等优点,与光纤声发射传感器相比技术成熟,工作稳定可靠,易于更换,本发明采用压电传感器进行疲劳裂纹演化信号的采集。

对机械结构进行疲劳裂纹演化监测时,若采用单个声发射传感器进行监测,则可能受噪声干扰而造成误判。因此一般采用2个或3个声发射传感器进行监测。目前一般采用对多个声发射传感器分别进行固定的方式进行安装,采用这种方式安装复杂,若其中一个传感器与被测机械结构耦合不好,则很难判断是哪个传感器出问题。为此本发明设计并研制了光纤声发射传感阵列,如图2a、2b所示,其中图2a 是用于平面监测的光纤声发射传感器阵列,图2b是用于曲面监测的光纤声发射传感器阵列。

如图2a所示,对平面结构的局部区域裂纹演化监测一般采用两个或三个声发射传感器23进行,其中,两个传感器可实现线定位,三个传感器可实现平面定位。为此,设计了两种适用于平面监测的传感器阵列。平面监测的光纤声发射传感器阵列包括两个(或三个)声发射传感节点和导轨装置21。声发射节点由声发射传感器23和传感器固定装置22组成,传感器固定装置22通过磁吸附的形式将声发射传感器23固定在被测结构上;导轨装置21又称轨道式支架,其工艺为在长方形或三角形支架上加工腰形孔。采用螺丝将声发射传感节点固定于轨道式支架上,并且该传感节点可在轨道支架的腰形孔范围内移动监测。

如图2b所示,曲面监测的光纤声发射传感器阵列与平面监测的传感器阵列比较相似,不同之处在于,其接头处可垂直于被测面进行调节,当被测部位为曲面时,该阵列可通过调节接头使多个传感器与被测物很好地耦合,实现对曲面被测物的监测。同时该传感器阵列为每个传感器都预留了活动区域,保证在监测时声发射传感器可以相对调节位置。

光纤声发射预处理子系统实现采集信号的数据处理功能,包括光纤声发射数据采集模块和光纤声发射数据转换模块。

①光纤声发射数据采集模块

光纤声发射数据采集模块主要是完成对声发射传感器感知的信号进行相关调理。数据采集模块包括信号放大、滤波、模数转换和特征参数提取等部分。由于传感器阵列采集到的信号比较微弱,首先要将其进行放大,然后将该模拟信号调理为A/D芯片能够接收的标准信号。模数转换部分将模拟信号转换为数字信号,最后由FPGA控制完成实时声发射特征提取和声发射波形采集。

②光纤声发射数据转换模块

光纤声发射数据采集模块输出的数据是USB协议的,需要将其转换为RJ45协议的,然后再调制成光信号。光纤声发射数据转换模块完成USB-以太网的协议转换。根据光纤传输及数据采集要求,设计了基于AVR系列单片机Tmega64为主控器的网络转换接口,系统的结构框图如图3所示。

传统采用电缆进行信号传输的方法具有传输距离有限、易受干扰等缺点,而光纤传输具有损耗低、抗干扰能力强、性能可靠等优点,本专利采用光纤对声发射信号进行传输。光纤声发射传输子系统包括电光/光电转换模块、光纤传输模块等部分,主要实现声发射传感信号的电光转换、光纤远距离传输和光电解调等功能,实现信号的光纤传输。

电光/光电转换模块主要由RJ45接口和隔离变压器、光电介质电路、光收发电路、电源和配置四部分组成,实现电—光转换及光—电转换,其系统结构如图4所示。电—光转换的工作原理为:从RJ45 非屏蔽双绞线铜缆连接器的3和6脚引入以太网的数据,经过耦合滤波电路对信号进行滤波,然后信号送到光电介质电路中,光电介质电路翻译或重定格式数据,完成一个电平转换,被传送到光收发电路中,光收发电路再把数据发送到光纤传输模块中。光-电转换与上述工作相反。

光纤传输模块主要指传输光纤,其作用为将电光转换模块输出的光信号进行长距离传输。

机械结构疲劳裂纹演化实时监测的光纤声发射监测软件子系统的功能是完成对声发射监测信号的处理、显示、保存,直观地展现机械结构的声发射情况及其实时状况,预警机械结构的疲劳裂纹演化情况,包括参数设置、数据采集和数据分析三个模块,系统框图如图5 所示,软件界面如图6、7所示。

①光纤声发射传感器阵列的安装

a.在被检机械结构表面标出声发射传感器的安装部位;

b.对声发射传感器的安装部位进行表面打磨去除油漆、氧化皮或油垢等;

c.在声发射传感器接触面上涂抹适量耦合剂;

d.将光纤声发射传感器阵列中的声发射传感器调整到合适的位置,按压传感器阵列使之与被检物体表面接触,安装和固定。

声发射传感器与被测结构通过耦合剂连接,耦合剂的作用是:首先是填充接触面之间的微小空隙;其次是通过耦合剂的过渡作用,使传感器与检测面之间的声阻抗差减小,从而减少能量在此界面的反射损失。另外,还起到润滑的作用,减少接触面间的摩擦。

②光纤声发射预处理子系统和光纤声发射传输子系统之电光转换模块的安装

现场应用中,光纤声发射传感器阵列输出的信号由电缆传输至光纤声发射预处理子系统。由于传感器输出的信号比较微弱,所以传感器和光纤声发射预处理子系统之间的电缆需能屏蔽电磁干扰,且长度不宜过长,一般应不超过2米。光纤声发射预处理子系统通过放置或磁吸附固定在机械结构上,其输出信号连接至固定在机械结构上的光纤声发射传输子系统之电光转换模块,将电信号转换至光信号后,由光纤传输模块进行长距离传输至监控室的光电转换模块。

③光纤声发射传输子系统之光电转换模块的安装

光电转换模块放置在监控室,一般与监控计算机放置在一起。该模块的作用是将光纤传输的光信号还原为电信号。光电转换子系统输出的信号通过网线送入计算机进行数据分析和处理。

本领域技术人员应该了解,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

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