基于分布式光纤传感技术结构埋藏裂纹在线监测系统的制作方法

本发明涉及一种基于分布式光纤传感技术结构埋藏裂纹在线监测系统。

背景技术：

纵观国内外分布式光纤传感技术的发展现状，当前分布式光纤传感技术能够应用于结构表面裂纹的长期在线监测。同时，普通常规的结构裂纹静态无损检测方法有目视、渗透、涡流、磁粉、超声、射线等，各有利弊，但有一点是共同的，都需要结构停止运行，在静态下来进行，且需全面检测。检测位置和间隔必须依据于结构以前使用中出现缺陷的统计特征，经常会出现第一次检查未发现的裂纹，到下一间隔第二次检查裂纹已经很长，就需拆分结构做断口分析来反推确定裂纹形成寿命。

光纤传感技术具有质轻、抗电磁干扰、耐高湿、电绝缘、信号衰减小等优点，被广泛应用在工程监测、工农业生产、生命科学等领域。特别地，光纤既可以作为传感元件也可以作为传输元件使用，通过传输光纤传感单元的串联可形成分布式光纤传感器。它与点式传感器相比显著优点为可以对被测构件进行连续分布监测，弥补了点式传感器监测盲区问题，避免重大漏测险情，提高被测构件监测的可靠性。

技术实现要素：

本发明提供一种基于分布式光纤传感技术结构埋藏裂纹在线监测系统，该系统包括在线监测模块、损失机理研究模块、多尺度动力分析模块、损伤特征提取模块、损伤智能识别模块和损伤评估模块，其中在线监测模块包括对起重装备结构进行外界激励，采用分布式光纤传感技术对所述起重装备结构进行实时监控，检测表面和内部裂纹，实时捕捉裂纹状态，对裂纹形成、裂纹扩展和临界破坏进行跟踪监测，获得了监测信号。

本发明所采用先进的分布式光纤传感网络技术——同时属于动态裂纹监测发明，动态裂纹监控技术可以弥补常规无损检测的不足，实时捕捉裂纹状态，主要关键部位确定后，即可从裂纹形成——裂纹扩展——临界破坏跟踪监测。

本发明针对多类型缺陷(表面/内部裂纹，应力应变，形变)——主要是结构表面和近表面裂纹机械装备进行高速在线监测与评估。主要针对2个方面的科学和技术问题：结构材料疲劳裂纹损伤和缺陷演化在线监测技术；结构损伤智能识别与风险评估技术。

本发明可解决结构裂纹的巡检监测、结构裂纹缺陷演化机理、结构剩余寿命评估等问题，适应基于服役状态的系统维护与寿命评估的应用难点需求，实现移动式压力容器、大型游乐设施或起重装备等重大机械装备的在役无损监测与评估。

附图说明

图1是分布式光纤布置示意图；图2是技术路线和设计图；

图3是分布式光纤传感网络远程监测系统；

图4是由监测的局部应变得到整体的应变场的线性插值；

图5是由监测的局部应变得到整体的应变场的二次插值。

具体实施方式

当结构出现宏观裂纹和在裂纹宏观扩展时，裂纹周围的应力应变场会发生变化(外表面)，对复杂组合体内表面和外表面通过铆钉、螺栓与外部组件连接起来，整体结构在外载作用下，力将通过多路传递方式进行传递，内部组件上出现较大的宏观裂纹时，与其固定的外部组件与裂纹最近的表面应力应变场也会发生变化。因此，可用分布式光纤传感技术来检测表面和内部裂纹。分布式光纤传感布线如图1所示。

其中结构疲劳损伤累积准则采用如下公式进行判断：

第i次光纤监测值

初始没有裂纹的监测值

如果满足则认为该部位或附近至少在第i次测量时已出现裂纹，其中，d为系统误差。

技术路线和设计图如图2所示。为建立结构裂纹损伤分布式光纤传感网络远程监测系统，从损伤机理、损伤模型、损伤特征辨识、在线智能监测、风险评估、安全预警等递进层次，结合国际领先的理论与技术，达到结构运行状态下智能识别结构损伤的出现、位置与程度，并实现在线突发事件预警。该监测系统包括在线监测模块、损失机理研究模块、多尺度动力分析模块、损伤特征提取模块、损伤智能识别模块和损伤评估模块，其中在线监测模块包括对起重装备结构进行外界激励，采用分布式光纤传感技术对所述起重装备结构进行实时监控，检测表面和内部裂纹，实时捕捉裂纹状态，对裂纹形成、裂纹扩展和临界破坏进行跟踪监测，获得了监测信号。

关键核心技术a：建立重大装备结构跨尺度裂纹损伤演化模型

解决方案：根据结构劣化在整体结构尺度和局部微、细观尺度这两个不同量级的空间尺度上的特点，结合已有监测数据的分析处理，建立高效、准确的结构跨尺度损伤精细化分析模型。基于建立的精细化模型和非线性损伤累积准则，研究结构跨尺度损伤发生与演化规律，分析多因素耦合的结构劣化过程，进一步揭示结构损伤萌生-扩展机理。

关键核心技术b：建立结构(含损伤)多尺度动力模型

解决方案：运用有限元方法中的子结构法，将复杂的结构分成较易处理的、较小的子结构，在子结构内部，采用细观尺度单元来精细模拟所关注的局部细节；子结构在整体宏观尺度下仅作为一个单元与整体结构有限元模型连接，以形成全尺度-构建尺度-局部精细的“三尺度”多尺度有限元模型。宏观尺度下求解多尺度有限元模型可以得到结构的整体特性，然后子结构内部扩展求解可以得到小尺度下局部细节处的力学特性，构成结构(含损伤)多尺度数值计算方法。

关键核心技术c：提出噪声环境下小波-分形多尺度奇异谱损伤特征提取技术

解决方案：基于多尺度数学分析分形与小波变换的相通性。在此基础上，建立“小波抑制量测噪声、分形强化损伤特征”的结构损伤检测新模式，并在模式实施中建立了适应于低信噪比环境的结构损伤特征量：小波-分形多尺度奇异谱。该特征量包括小波抑制量测噪声、分形强化损伤特征两个基本元素：(1)小波抑制量测噪声——新建频率-时间有序且无“降采样”的小波包变换算法，把结构动力响应分解为一组多尺度子波，小波的多尺度特性会将结构的损伤特征和量测噪声分解在不同尺度上，有效地实现了信噪分离；(2)分形强化损伤特征——采用关联维、katz波形维作为奇异性检测算子，在多尺度子波水平上进行奇异性分析，分形维的突变表征了结构的损伤效应。

其中结构跨尺度损伤演化模型采用多次试验研究，进行多次判断如下判断，其中结构跨尺度损伤变量d的表达式为：

式中：η为残余应变系数；ε0为单位主应变；εr为单位残余应变；εu为单位极限应变，εmax为加载时某一荷载值对应的最大拉应变值。

当εmax<ε0时单元无损伤发生；ε0<εmax<εr时部分单元发生第1阶段损伤，εr<εmax<εu时部分单元发生第2阶段损伤，εmax〉εu时单元完全破坏。

当d＝0时，材料无初始损伤，当d＝1时便会发生疲劳损伤，裂纹形成。

采用此结构跨尺度损伤演化模型能够实现对损伤机理的快速分析，得到较为合理精确的裂纹情况。

如图3所示，构建分布式光纤传感网络远程监测系统，移动式压力容器、大型游乐设施或起重装备等重大装备，这些设备与嵌入式无线收发与远程监控集成化单元中进行数据发送和指令接收，实时发送所有数据给安全监测及应急管理保障中心，该安全监测及应急管理保障中心与嵌入式无线手法与远程监控集成化单元进行定时发送典型数据或者临时发送异常数据，实现与移动式压力容器、大型游乐设施或起重装备等重大装备的通讯联系。

采取光纤分布式传感技术，以光纤本身作为信号拾取器，采用无源、抗电磁干扰、前端无需供电、体积轻巧且易于安装等特性，实现对微小应变场扰动的监测工作。可以从以下几个方面考虑：

a、高灵敏度光栅传感网络对微小应变场扰动的监测a、欲采用白光干涉系统的结构。

b、采用两路干涉信号输出结构，以有效降低光路系统带来的噪声，同时为系统提供灵敏度高的理想工作点。

c、采用单芯反馈式结构，如前图所示，输入光纤光栅感应器的光经反射单元反射后原路返回光纤干涉模块。这种结构可使得系统的结构灵敏度不受监控距离影响。而且，由于反射作用，光信号来回两次经过同一感应光纤，使得信号得到了倍增，增加了拾取的灵敏度。

d、对全光纤干涉模块和光纤光栅感应器的结构参数进行分析和设计。

e、由于光纤光路易受光纤自身偏振的影响，根据具体的光路具体结构，以及白光干涉的特点，采用偏振控制技术，减小偏振对系统的影响。

基于光纤光栅传感网络的布置方式，由监测的局部应变得到整体的应变场。

(a)由监测的局部应变得到整体的应变场——线性插值，如图4所示，

其中

ni为形函数，它是局部坐标的函数。形状函数满足下列条件

单元局部应变场写为

将所有监测点组装，即可得到整个表面场的应变场。

(b)由监测的局部应变得到整体的应变场——二次插值，如图5所示，

式中

位移插值形式为

将所有监测点组装，即可得到整个表面场的应变场。

本发明可以具体应用于移动式压力容器、大型游乐设施或起重装备等重大装备。本发明针对复杂形面、多类型缺陷(表面/内部裂纹，应力应变，形变)共存的重大装备进行高速在线监测与评估，是有所突破的新测量方法；有助于理解重大装备缺陷的微观到宏观演化机理。可解决疲劳与裂纹损伤巡检监测、缺陷演化机理、装备剩余寿命评估等问题，适应基于服役状态的系统维护与寿命评估的应用难点需求，实现重大装备的在役无损检测与评估和结构健康监测的集成检测与监控。