摘 要

超声激励-FBG（布拉格光纤光栅）分布传感的机械裂纹损伤检测技术是近几年发展起来的一种新的检测技术，运用超声波进行检测，然后用分布的FBG感应携带结构损伤信息的超声波信号，对这些信号进行处理获得机械损伤的信息。该技术综合了FBG对电磁干扰抗性较好、可分布传感的优点和超声波透射力强、导向性强的特点，适用于机械损伤检测方面。世界上已有较多的高校和研究机构对此项技术展开研究。

本设计将金属薄壁件作为实验对象，利用超声激励-FBG分布传感技术，设计基于分布测试数据分析的金属件裂纹损伤检测系统，完成对金属薄壁件损伤的检测。设计重点基于超声波通过机械裂纹时的非线性变化以及FBG高速解调技术实现机械裂纹损伤检测，并使用LabVIEW将解调信号处理用以得到机械裂纹损伤信息。论文的主要工作如下：

1. 针对金属薄壁件的损伤特性以及非线性超声理论，选用双激励的方法进行金属件裂纹损伤的检测，并根据非线性超声理论对设计进行建模和计算分析；
2. 根据超声波声场的特性应把光纤光栅安置在远声场离声源较近的位置上，沿超声波声场的轴线方向放置；
3. 总结了FBG反射波高速解调技术并选定了基于可调激光光源的FBG波长高速解调系统；
4. 整理了损伤信息判断方法，确定通过LabVIEW对信号的滤波通过判断谐振波的产生确定检测对象存在裂纹损伤，并通过谐振波与基波幅值比的大小来描述损伤的大小；通过实验，对有无损伤的金属板进行检测，实验结果与理论基本相同。

关键词：超声激励，非线性，布拉格光纤光栅，机械裂纹损伤检测，高速解调

Abstract

Ultrasonic excitation-fiber Bragg grating (FBG) distribution sensing of mechanical crack damage detection technology is a new detection technology being developed in recent years, this technology excites mechanical structure by ultrasonic , then induce the ultrasonic with structure damage information and corresponding signal of mechanical structure by distributive ultrasonic. By combining the unique advantages of FBG in electromagnetic interference immunity, distributed sensing with the ultrasonic features such as good directivity, high penetrating power, it has great application prospect in structural damage detection field. There are many universities and research institutions have studied on this technology at home and abroad,

This dissertation mainly thin-wall metal parts for research object by acoustic excitation -FBG distributed sensing technology, it is designed based on the analysis of test data on the distribution of the metal pieces to crack damage detection system to achieve in ultrasonic excitation - optical fiber grating distributed sensing of metal pieces of crack damage detection. Design mainly based on ultrasonic by mechanical crack nonlinearly changing and ultrasonic excitation under high-speed FBG demodulation technology realize mechanical crack damage detection, and use the LabVIEW on the demodulated signal processing to obtain mechanical crack damage information. The main work of this paper is as follows:

1.According to the damage characteristics of metal thin wall parts and nonlinear ultrasonic theory, the double excitation method is used to detect the crack damage of metal parts;

2.According to the characteristics of the ultrasonic sound field, the FBG should be arranged along the direction of the ultrasonic field to be arranged in the far sound field near the sound source;

3.The high speed demodulation technology of FBG reflection wave high speed demodulation technology is analyzed and the high speed demodulation system based on tunable laser light source is selected;

4.Finishing the damage information judgement method, determined by LabVIEW to signal filtering by judge resonant wave generated to determine object detection the existence of crack damage, and the resonant wave and fundamental amplitude than the size to describe the damage size; through the experiment, the damage of the metal plate were detected. The experiment results and theory is basically the same.

Keywords: ultrasonic excitation, nonlinear, Prague fiber grating, mechanical crack damage detection, high speed demodulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题来源及研究意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.2.1 超声激励-FBG分布传感技术 2

1.2.2 FBG波长高速解调技术 3

1.3 论文的研究内容及结构布置 4

第2章 超声激励-FBG传感的原理与分析 5

2.1 超声激励-FBG分布传感原理 5

2.1.1 超声波声场分布特征 5

2.1.2 非线性超声基本原理 5

2.1.3 超声对光纤光栅的作用特性 6

2.2 超声激励-FBG分布传感的FBG波长高速解调原理 7

2.2.1 可调激光光源解调的基本原理 8

2.3 损伤信息的检测方法 8

2.4 超声激励-FBG传感的模型及计算 9

2.4.1 超声检测的非线性理论模型 10

2.4.2 计算分析 10

2.5 本章小结 11

第3章 机械裂纹损伤超声激励-FBG检测系统设计 12

3.1 检测系统的硬件设计 12

3.1.1 检测系统光波长的选择 14

3.1.2 检测系统超声频率的选择 15

3.1.3 检测系统超声激励强度的选择 20

3.1.4 硬件电路设计及整体测试 21

3.2 检测系统的软件设计 23

3.2.1 检测软件应实现的功能 23

3.2.2 检测软件设计图 23

3.3 设计中产生的问题及其解决 25

3.4 本章小结 26

第4章 检测系统的测试 28

4.1 硬件电路功能测试 28

4.1.1 无损伤时的输出信号及其分析 29

4.1.2 有损伤时的输出信号及其分析 30

4.2 检测软件功能测试 31

4.3 测试结果分析 35

4.4 本章小结 36

第5章 总结 37

致谢 39

参考文献 40

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

机械装备是国家建设和发展的基石，任何产品的生产都离不开机械装备。因此机械装备的健康是国家经济发展和国家建设的基石，若在运行过程中产生机械裂纹损伤，将对生产制造带来重大的经济损失。

在外界环境或外载的作用下,机械结构的材料性能会发生不可逆转的变化而引起宏观力学性能的劣化现象的称为机械损伤。机械系统在不同的的工作情况和工作环境下，会表现出不同的损伤形式，机械系统主要的损伤形式有疲劳损伤、蠕变损伤、塑性损伤、应力腐蚀、机械磨损等。机械故障存在潜在性、渐发性、耗损性、模糊性、多样性等特点和形式^[1]，这种特性往往会给机械装备和生产使用带来极大的危害或破坏。

由于机械装备的材料主要是金属，其中金属薄壁件由于结构原因，更易发生裂纹损伤，因此本次设计是以金属薄壁件为主要研究对象，结合超声激励-光纤光栅分布传感，设计基于分布测试数据分析的金属件裂纹损伤检测系统，实现超声激励-光纤光栅分布传感下的金属件裂纹损伤的检测。