一种激光测振系统和非接触式损伤监测方法与流程

本发明属于损伤监测，具体涉及一种激光测振系统和非接触式损伤监测方法。

背景技术：

1、随着时间的推移，一些在役工业建筑结构会因自然老化、过度使用、维护不当或自然灾害等因素影响出现不同程度的损伤，这些损伤会影响工业建筑结构的使用寿命的安全性，因此对于在役工业建筑结构的损伤监测尤为重要。

2、当前主要的损伤监测方法主要包括两类，第一类方法是传统的接触式损伤监测，该类方法主要依赖于压电传感器，该类方法主要存在如下问题：1)压电传感器采集的信号带宽较窄，无法满足宽频带动态响应测量的需求，为后续损伤多特征参数的提取和分析带来了限制；2)压电传感器需要附着在建筑结构体表面，为结构体带来了附加质量，从而引入测量误差，降低测量的准确性；3)环境温度和环境压强等外在因素的变化还会导致传统的激励、传感单元发生微弱形变从而影响测量精度。第二类方法是非接触式损伤监测，该类方法主要采用激光测量系统进行损伤监测，不过当前的激光测量系统组成复杂且搭建难度大，现有的集成了激光测量系统和数据处理系统的损伤监测系统产品一般体积较大且成本也较高，技术人员一般在实验室环境下进行系统搭建或组装购买的损伤监测系统产品，再预制或采样待监测对象，利用搭建好的激光测量系统或购买的损伤监测系统产品对预制或采样待监测对象进行损伤监测。因此当前非接触式损伤监测方法主要适用于实验室环境下的损伤监测，不太适用于对工业生产环境下在役建筑结构的损伤监测。同时由于不能对待监测对象进行现场直接监测，忽略了待检测对象所处环境对监测结果的影响，因此该类方法监测结果缺乏真实性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光测振系统和一种非接触式损伤监测方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种激光测振系统，包括激光光源、1/2波片、聚焦透镜、1/4波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、双凸透镜、光电探测器和第一反射镜和第二反射镜；

4、所述激光器发出的激光经1/2波片后偏振方向水平，再经垂直入射偏振分光棱镜形成偏振方向相互垂直的两束光，包括偏振方向垂直的信号光与偏振方向水平的参考光；

5、所述信号光依次经1/4波片、聚焦透镜后在被测振动对象表面形成光斑并发生散射，携带被测振动对象振动信息的散射光束再依次经聚焦透镜、1/4波片后形成水平方向的偏振光束并入射分光棱镜；

6、所述参考光依次经第一反射镜、第二反射镜和分光棱镜后与偏振方向水平的信号光汇合，汇合的光束并经双凸透镜聚焦后在光电探测器上充分干涉，光电探测器输出信号光与参考光的干涉信号。

7、进一步地，所述激光器发出激光的光电琼斯矢量为

8、式中，ac为光波振幅；为光波初始相位；i为虚数单位；ω为光波频率；t为光波时间。

9、进一步地，所述参考光的光电琼斯矢量为

10、所述信号光的光电琼斯矢量为

11、式中，为参考光相位；为信号光相位。

12、进一步地，所述光电探测器输出的干涉信号的光电琼斯矢量为

13、

14、进一步地，所述光电探测器输出的干涉信号对应的多普勒信号为

15、

16、式中，α为光电系数；为初始相位。

17、一种非接触式损伤监测方法，采用上述的激光测振系统，包括：

18、利用冲击装置在被测振动对象表面进行冲击，形成包括被测振动对象振动信息的声波信号；

19、利用所述激光测振系统对所述声波信号进行捕捉；

20、对捕捉到的声波信号进行放大以及小波变换，得到损伤信号；

21、对损伤信号进行辨识。

22、进一步地，所述对损伤性进行辨识可基于信号处理方法、力学模型或数学方法从损伤性中提取损伤特征参数对损伤进行辨识和评估。

23、进一步地，所述对捕捉到的声波信号进行放大采用信号放大器，所述信号放大器包括高通滤波器、低通滤波器和反相放大电路。

24、进一步地，所述低通滤波器采用二阶低筒滤波器。

25、进一步地，所述小波变换包括根据放大后的声波信号的特征选择小波基函数；对放大后的声波信号进行小波三层分解、降噪和重构。

26、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

27、本发明提供一种激光测振系统，该激光测振系统利用结构振动引起的相位和频率多普勒调制而导致的信号光与参考光干涉场变化，对干涉场进行解析进而获得振动信息，该激光测振系统的组成结构简单、搭建难度低且体积较小，技术人员可在在役建筑结构现场搭建并对在役建筑结构进行现场直接监测，考虑到在役建筑结构的探测位置受建筑结构整体的影响，因此该激光测振系统所获取信息准确性更高。

28、本发明提供一种非接触式损伤监测方法，该非接触式损伤监测方法利用外部冲击装置激振并诱发振动，并利用激光测振系统捕捉振动引起的包括被测振动对象振动信息的声波信号，再对该声波信号进行放大以及小波变换，得到损伤信号并辨识；该非接触式损伤监测方法将信号采集步骤和信号处理步骤解耦，利用组成结构简单、搭建难度低且体积较小的激光测振系统进行现场信号采集，然后可在任意地点再对采集的信号进行进一步放大、小波变换以及辨识处理，相比于现有利用集成了激光测量系统和数据处理系统的损伤监测系统产品进行损伤监测的方法，本发明方法操作更加方便，同时由于声波信号是在现场直接监测得到，因此所输出的监测结果更加准确。

29、本发明的非接触式损伤监测方法中的信号放大器设有二阶低通滤波器，因其过渡带更窄，由此信号幅度变化非常平坦。

30、本发明的非接触式损伤监测方法不仅适用于实验室环境下的损伤监测，还适用于工业生产环境下对在役建筑结构的损伤监测，尤其适用于土木、建筑、道桥、水利工程和航空航天的结构健康监测。

技术特征：

1.一种激光测振系统，其特征在于：包括激光光源、1/2波片、聚焦透镜、1/4波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、双凸透镜、光电探测器和第一反射镜和第二反射镜；

2.根据权利要求1所述的激光测振系统，其特征在于：所述激光器发出激光的光电琼斯矢量为

3.根据权利要求2所述的激光测振系统，其特征在于：所述参考光的光电琼斯矢量为

4.根据权利要求3所述的激光测振系统，其特征在于：所述光电探测器输出的干涉信号的光电琼斯矢量为

5.根据权利要求4所述的激光测振系统，其特征在于：所述光电探测器输出的干涉信号对应的多普勒信号为

6.一种非接触式损伤监测方法，其特征在于：采用权利要求1～5任一所述的激光测振系统，包括：

7.根据权利要求6所述的非接触式损伤监测方法，其特征在于：所述对损伤性进行辨识可基于信号处理方法、力学模型或数学方法从损伤性中提取损伤特征参数对损伤进行辨识和评估。

8.根据权利要求7所述的非接触式损伤监测方法，其特征在于：所述对捕捉到的声波信号进行放大采用信号放大器，所述信号放大器包括高通滤波器、低通滤波器和反相放大电路。

9.根据权利要求8所述的非接触式损伤监测方法，其特征在于：所述低通滤波器采用二阶低筒滤波器。

10.根据权利要求6所述的非接触式损伤监测方法，其特征在于：所述小波变换包括根据放大后的声波信号的特征选择小波基函数；对放大后的声波信号进行小波三层分解、降噪和重构。

技术总结
本发明公开一种激光测振系统，该激光测振系统利用结构振动引起的相位和频率多普勒调制而导致的信号光与参考光干涉场变化，对干涉场进行解析进而获得振动信息，该激光测振系统的组成结构简单、搭建难度低且体积较小，技术人员可在在役建筑结构现场搭建并对在役建筑结构进行现场直接监测，考虑到在役建筑结构的探测位置受建筑结构整体的影响，因此该激光测振系统所获取信息准确性更高。

技术研发人员：李东彪,蒋孝辉,贾超,王强,胡伟伟
受保护的技术使用者：中交基础设施养护集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15