一种铝合金结构的微损伤检测系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种铝合金结构的微损伤检测系统及其方 法。
【背景技术】
[0002] 铝合金板类结构在航空领域有着广泛的应用，如飞机机翼、舱门等。恶劣的航空环 境使得铝合金板类结构在服役过程中会出现各种不同程度的疲劳损伤，如裂纹等，导致结 构强度下降，产生严重后果。并且，裂纹初始阶段损伤较小，容易被人们忽视。因此，若能及 时检测铝合金板类结构裂纹损伤，并做出处理，对于保障结构安全有着重要的意义。
[0003]无损超声检测是目前常用的裂纹损伤检测方式，其基于线性超声原理，通过检测 遇到损伤时超声波信号的变化实现损伤检测。这种方式对于尺寸较大的裂纹较为有效，而 裂纹损伤初始阶段尺寸较小，难以引起超声信号明显的变化，而且随着微裂纹损伤理论分 析和实验研宄的发展，发现微裂纹会导致结构强烈的非线性，这样采用传统的线性超声检 测，难以保证结构微裂纹的检测的准确性。
【发明内容】
[0004]鉴于现有结构裂纹损伤检测系统及方法无法实现结构微裂纹损伤检测准确性的 问题，本发明的目的是一种铝合金结构的微损伤检测系统及其方法，结合光纤光栅传感器 和非线性振动调制的原理，实现铝合金板类结构微裂纹损伤检测的准确性。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006]一种铝合金结构的微损伤检测系统，包括：
[0007]信号发生器，其同步产生两个连续正弦信号，分别为第一正弦信号和第二正弦信 号；
[0008]分别设置于待测铝合金结构的上表面的低频振荡器、高频振荡器和光纤光栅传感 器；所述第一正弦信号经功率放大器放大后输入至低频振荡器，产生低频振动激励；所述 第二正弦信号输入至高频振荡器，产生高频超声激励；低频振动激励和高频超声激励混合 产生非线性响应信号传输至光纤光栅传感器；
[0009]光纤耦合器和ASE光源，所述ASE光源产生的光信号通过光纤耦合器送至光纤光 栅传感器；经光纤光栅传感器反射的光信号与光纤光栅传感器接收的所述非线性响应信号 均通过光纤耦合器传送至光电探测器；
[0010] 光电探测器和数据处理装置，所述光电探测器将接收到的信号转换为电压信号 后，再传送至数据处理装置进行傅里叶变换，通过判断傅里叶变换后的信号是否出现调制 边频来实现铝合金板微裂纹损伤检测。
[0011] 所述低频振荡器为叠层式压电片。
[0012] 所述高频振荡器为超声激励压电片。
[0013]所述数据处理装置，包括信号放大模块和微处理器，所述信号放大模块用于放大 所述光电探测器转换的电压信号，并将放大后的电信号传送至微处理器进行傅里叶变换。
[0014] 所述ASE光源为不带平坦滤波器ASE光源。
[0015] 所述ASE光源的光强为20MW，在波长为1532nm处形成功率变化的边缘，且带宽均 大于5nm，边缘斜率为ldB/nm。
[0016] 所述光纤光栅传感器的栅区长度设置为1mm，中心波长为1530. 240nm处。
[0017] 光电探测器接收的信号频率范围为20kHz~2MHz。
[0018] 数据处理装置接收的信号频率范围也为20kHz~2MHz。
[0019] -种铝合金结构的微损伤检测系统的检测方法，包括：
[0020] 步骤（1):信号发生器同步产生两个连续正弦信号，分别为第一正弦信号和第二 正弦信号；
[0021] 步骤（2):第一正弦信号经功率放大器放大后输入至低频振荡器中，产生低频振 动激励；第二正弦信号输入至高频振荡器中，产生高频超声激励；
[0022] 步骤（3):低频振动激励和高频超声激励混合产生非线性响应信号传输至光纤光 栅传感器，从光纤光栅传感器输出的非线性响应信号进入光纤耦合器；
[0023] 步骤（4) :ASE光源发出的光信号通过光纤耦合器送至光纤光栅传感器，从光纤光 栅传感器反射的光信号再次进入光纤耦合器；
[0024] 步骤（5):从光纤耦合器输出的反射的光信号以及产生的非线性响应信号均传输 至光电探测器，光电探测器将接收到的信号转换为电压信号；
[0025] 步骤（6):光电探测器转换的电压信号传送至数据处理装置进行傅里叶变换；
[0026] 步骤（7):判断傅里叶变换后的信号是否出现调制边频，若出现调制边频，则待测 铝合金板有微损伤；若无调制边频出现，则待测铝合金板不存在损伤。
[0027] 本发明的有益效果为：
[0028](1)由于光纤光栅传感器的尺寸小、质量轻、灵敏度高、易于待测物结合及抗电磁 干扰等优点，为结构检测检测提供了理想的传感器选择，保证了本发明的铝合金结构的微 损伤检测系统整体结构的稳定性；
[0029] (2)本发明的铝合金结构的微损伤检测方法，结合了光纤光栅传感器和非线性振 动调制的原理，实现了铝合金板结构响应非线性信号的高分辨率解调，通过将响应的非线 性信号进行傅里叶变换，判断傅里叶变换后的信号是否出现调制边频来实现铝合金板结构 微裂纹损伤的准确检测。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0031] 图2是不带平坦滤波器ASE光源的光谱图；
[0032] 图3(a)是当铝合金板不存在损伤时的非线性振动调制原理示意图；
[0033]图3(b)是当铝合金板存在损伤时的非线性振动调制原理示意图。
[0034] 其中，1、信号发生器，2、功率放大器，3、低频振荡器，4、高频振荡器，5、待测铝合金 板，6、ASE光源，7、光纤耦合器，8、光纤光栅传感器，9、光电探测器，10、数据处理装置。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0036] 如图1所示，一种铝合金结构的微损伤检测系统，由信号发生器1、功率放大器2、 低频振荡器3、高频振荡器4、光纤光栅传感器8、光纤耦合器7、光电探测器9、数据处理装置 10和ASE光源6组成。
[0037] 其中，信号发生器1同步产生两个连续第一正弦信号和第二正弦信号；第一正弦 信号经功率放大器2放大后输入粘贴在待测铝合金板5上的低频振荡器3,产生低频振动激 励；第二正弦信号输入到粘贴在待测铝合金板5上的高频振荡器4,产生高频超声激励；
[0038] 低频振动激励和高频超声激励两种激励混合产生的非线性响应信号被粘贴在待 测铝合金板5上的光纤光栅传感器8接收；
[0039] 所述低频振荡器3选用叠层式压电片；所述高频振荡器4选用超声激励压电片；
[0040] ASE光源6发出的光信号通过光纤親合器7的C端输送至光纤光栅传感器8,从光 纤光栅传感器8返回的光再次通过光纤耦合器7的D端进入光纤耦合器7,再从光纤耦合器 7的E端输出传送至光电探测器9 ;
[0041] 光纤光栅传感器8将接收的低频振动激励和高频超声激励两种激励混合产生的 非线性响应信号，经光纤耦合器7的D端传进入光纤耦合器7中，再从光纤耦合器7的E端 输出传送至光电探测器9;
[0042] 光电探测器9将接收到的信号转化为电压信号，再输送至数据处理装置10完成对 待测铝合金板三维傅里叶变换，实现结构微裂纹损伤检测。
[0043] 所述数据处理装置，包括信号放大模块和微处理器，所述信号放大模块用于放大 所述光电探测器转换的电压信号，并将放大后的电信号传送至微处理器进行傅里叶变换。 其中，微处理器可选用TMS32系统的DSP芯片或FPGA芯片。
[0044] 为保证铝合金板结构微裂纹损伤的准确检测，本发明检测的基本原理如图3所 示。假设两个正弦激励信号分别为低频激励和超声激励。低频激励结构产生低频振动，超 声激励结构损伤产生非线性。若铝合金板结构不存在损伤