文摘
有些结构容易发生局部内部损失,小物体的影响。影响监控系统使用光纤布喇格光栅(FBG)传感器。其检测能力非常低到中等能量的影响已经证明在铝板和22米长风力涡轮叶片。以前这种技术的分析表明,影响位置的准确性可以位于受限于设备噪声和光纤光栅的角不敏感。通过使用两个强度解调方案具有不同解调敏感性和范围,我们试图区分上述限制影响的相对重要性。结果的基础上,进一步改进的方向影响源定位精度将讨论和应用这种系统在大型结构的含义将会检查。
1。介绍
由于撞鸟和冰雹的影响可能造成多大的损害飞机和风力涡轮叶片等结构。结构将尤其脆弱,如果它是由聚合物复合的影响可能诱发局部小内部损失。在actingupon byfluctuating服务加载,这些阴险的缺陷可能成长和eventuallylead灾难性的失败。尽管无损探伤技术的检测内部损失可用,他们在决议是有限的。此外,阶段一个彻底检查整个结构可以为大规模高时间和资源消费结构。问题可以缓解人知道去哪里看看,寻找什么。
当前工作调查的可能性,建立影响事件监控系统使用光纤布喇格光栅(FBG)。光纤光栅已经发现越来越多的应用程序作为传感器在航空航天、结构性、医学、和化学应用振动、温度、压力,影响,和一般结构健康监测1- - - - - -5]。选择在当前任务由于其良好的长期耐用性和稳定性。在复合结构的情况下,光纤传感器具有的额外优势兼容常见的高分子材料,使它们很容易可嵌入在一个没有诱导显著削弱材料的结构。
以前的工作影响位置识别主要用于压电传感器(例如,(6,7])。three-sensor-based方案用于定位的位置的影响是一个弹丸目标屏幕上通过测量声波与麦克风(8,9]。然而,这个计划需要先天的知识的波速度。在实际应用中,事先校准波的速度可能不是可行的。我们的工作表明,下落的影响事件可以通过分析位于微分信号之间的飞行时间由四个不同的光纤光栅传感器(10]。被测变量的变化是反映光纤光栅的布喇格波长特征的转变。光强度解调技术(11- - - - - -13)已被证明具有所需的日志影响事件的动态响应(10,14,15]。在这个工作中,两个不同的光强度解调方案进行比较。日志记录和定位影响的可能性将被测试在平坦的铝板和风力涡轮机叶片。
2。实验和分析程序
2.1。影响测试
影响测试了0.8米0.8万平方铝板的厚度6毫米和退休的22米长复合从660千瓦的风力涡轮机叶片。叶片的截面基本上由一个上下气动表面强化箱形梁夹在中间。图1显示了一个2 d图表的顶部叶片表面。为了方便在以下描述,叶片分为3个区域。孵化区域,指定区域B,表明箱形梁的位置。区域A和C,分别和叶片的前缘。梁的纵向mid-axis作为设在。相应的设在位于2 m的枢纽基地。面向传感光纤光栅沿被困在方向设在每个三个地区的中心。影响事件生成使用Bruel &·卡亚尔:8202型锤在不同的距离米的设在。在任何部分,影响了一个地区的中心(点图1)。铝板,影响是由下降70 g铝弹丸从不同的高度。从影响源定位、影响厘米是在10厘米增量网格沿水平和垂直方向。由于对称性,影响了只有在板的一半。板上的位置传感光纤光栅将后者部分中描述。光纤光栅用于目前的工作都是捏造的,写在单模感光纤维。光纤光栅的反射率约为99%,峰值波长1551 nm和1552 nm之间。峰值波长的变化引起的瞬态应力波审问了两个不同强度解调方案。
2.2。光纤光栅询问计划
图2显示了两个光强度解调方案。为一个涉及一个ASE光源(图2(一个)),一个商业边缘滤波器(Santec OTF300-03-S3)被用来修改宽带光。峰值波长1530 nm和1570 nm之间可调。图3(一个)显示了传感光纤光栅的光谱相对于过滤边缘滤波器的输出。在图2 (b)基本上,过滤后的频谱对应光纤光栅布拉格反射光谱的过滤器。激光环用来放大这个频谱的光强度。由此产生的输出频谱与传感光纤光栅的光谱图所示3 (b)。重叠区域(孵化区域图3)松散说明将反映的光能量,转换成电压信号由光电探测器。收到一个压力波信号的影响,光纤光栅光谱的波长将来回水平,引起变化的阴影区域。光电探测器的输出电压将因此改变相应的应变信号。这光强度解调的基础。电压信号记录与4-channel数字存储范围。注意,光纤光栅光谱图3通过使用一个未经过滤的宽带光所以他们出现相似的数据吗3(一个)和3 (b)。在实际的测量方案,反射的能量(或孵化区域)将取决于源的强度。考虑到解调机制,ASE的可用范围解调方案~ 0.5 nm和激光环~ 0.2海里。可以看出,激光环输出的峰值强度远高于ASE光源。更高的峰值强度和波长范围窄,边缘滤波器的斜率会更陡,导致一个更加敏感的波长解调有更好的分辨率。因此我们期望的输出激光环方案为相同的应变扰动较大。灵敏度和精度的测量系统作为一个整体,不仅取决于解调方案的敏感性也在固有灵敏度的光纤光栅应力波的影响。希望通过使用上述方案与输出信号的优点和解调范围不同,两者的相对重要性的影响总体敏感性和准确性可以分化。
(一)ASE光源方案
(b)激光环方案
(一)
(b)
2.3。影响源定位
的需要先天的知识使用three-sensor-based时波速的影响源定位方案(8,9),four-sensor-based算法布局和命名法如图4是用于铝板。位置的影响(,坐标(相关),)的一套传感光纤光栅通过以下方程: 在哪里波速度和吗是时间的差异之间的接收波信号传感器和传感器。来自示波器记录信号。任何一方(1)只能采取积极的距离值的物理意义。
在上面的算法中,波的速度被认为是均匀的地方,四面八方。铝板的情况就是这样。风力涡轮叶片的材料和结构构成非常复杂,肯定会违反这均匀波速度要求。此外,光纤光栅中心基地附近部署和细长叶片的长宽比,相同的点之间的距离的影响x协调不同坐标和遥远的光纤光栅将是相似的。它将很难区分坐标的飞行时间的差异信号。我们的刀片瞄准定位协调的影响在这个初步的工作。波的速度被敲的一系列经验校准已知位置。然后敲一组不同的目标位置。飞行时间数据,参考信号的锤子,一被发现和相应的坐标从这些时间数据和计算平均波速。
3所示。结果与讨论
3.1。事件检测的影响
图5比较接收到的信号时影响铝板是60厘米的距离传感器与极低的能源(毫米)和相对较高的能源(毫米)使用两种不同的解调方案。图中虚线表示第一信号的影响。这一次是第一次过滤得到的波形与数字带通滤波器截止频率的1 kHz和100千赫。适当长度的主要过滤扣除信号波形的一部分然后选择计算的平均噪音水平。第一点,波形偏离20%除此之外作为第一个到达点的平均噪音水平。这一标准,到达时间的标准偏差的区别从三个相同的事件在一个特定的影响被发现在2的位置sec.角敏感范围的光纤光栅。
(一)日月光半导体方案
(b)激光环方案
同样的冲击能量,两方案获得的信号的波形是相似的。ASE光源方案,由背景噪音信号严重掩盖。尽管可以看出一个干扰,清晰定义的第一个到来时应力波是困难的的影响是非常小的(图0.1毫米的高度5(一个))。影响能量相对较高时,信噪比足够高,允许一个明确检测的影响。随着激光环方案,可以轻松发现(图低能量的影响5 (b))。1-microstrain干扰,信号输出6.6 mV和623 mV ASE和激光环方案,分别。两方案大致相同的噪音水平在5 mV从光电二极管电路噪声的主要来源。因此,信噪比的激光环方案大约100倍的ASE方案。这么高的信号强度是一个直接后果的高强度光源激光环配置。
图6比较接收到的信号,当风力涡轮叶片上的影响了m和20 m与动量的影响大致相当于10 g鸟飞向叶片10 m / s。和之前一样,同样的条件,影响信号的波形从两个方案基本上是一样的。与当前的力量影响,信号水平从计划允许一个明确检测应力波干扰的发生。日月光半导体方案(图的信噪比6(一))明显低于激光环方案(图6 (b)),但最初的干扰信号是足够清晰的定义。
(一)日月光半导体方案
(b)激光环方案
3.2。影响源位置
从(是显而易见的1),准确测定的差异之间的接收波信号乘以任何一对光纤光栅对准确评价的影响是至关重要的位置。它已经表明,误差信号接收时间出现由于(i)光纤光栅的角不敏感;(2)衰减信号的距离,和(3)内在的背景噪音的光学和电子电路(10]。角不敏感的结果当应力波的影响失败导致显著的应变变化对光纤光栅由于其发病率与光纤光栅轴斜角度。我们可以看到在图5,最初到达的干扰很小。以前的工作(10)表明,当影响的重点是光纤光栅,在20厘米对光纤光栅的轴,第一个影响信号的到来是标有一个明确定义的偏离背景噪音。这个初始偏差较小的离轴角增加。在一个离轴角偏差是非常小的,难以辨别,到达时间是受到向上的一个错误秒。这种不确定性与离轴角和迅速增加,错误可能是10左右sec.This类型的错误将会加剧,如果发生在一个更大的距离光纤光栅的影响衰减的信号强度进一步退化。
数据7(一)和7 (b)比较实验影响职位(圆圈)板的位置估计使用4-FBGs算法(十字架)ASE光源和激光环方案,分别。相应的预测和实际位置与一条直线。点差异,实际和预测位置很大,只有一些典型的数据显示清晰的表示。光纤光栅的布局也表示数据。数据的虚线7(一)和7 (b)定义离轴边界的光纤光栅,并可能被视为初步信封角灵敏度的限制。这些虚线代表的区域有界区域内四个光纤光栅的离轴边界。可以看出,所有的良好相关predicted-actual位置对位于或接近虚线边界,这表明角灵敏度的光纤光栅是一种必要的要求准确的预测。虚线内的地区,仍然会出现重大差异。后者的例子可以发现在三角形顶部和底部附近的四边形。顺便说一下,这两个地区的谎言远离一个或多个光纤光栅。因此有关光纤光栅的角不敏感是加剧了信号衰减和一个或多个的(1)将高度错误,导致不准确的预测位置的影响。如果我们比较数据的对应点7(一)和7 (b)可以看出,基于激光环方案的预测误差一般小于ASE方案。这是合理的因为前者有更高强度源和信号衰减和背景噪音的问题就会缓解。然而,激光环方案表明,只定位精度的瓶颈是一个光纤光栅的角不敏感。角不敏感的根本原因是根深蒂固的方式与光纤光栅应力波相互作用产生影响。这个事实不能修改更强烈的光源和/或斜坡陡峭的过滤器。因此,为了提高预测精度,必须寻求其他方法。一个可能的方法是使用一个光纤光栅玫瑰涉及两个或三个光纤光栅串联连接在一个角度。使用光纤光栅圆花饰的初步结果与上述结果在两个位置角不敏感效应造成了严重的影响(表位置错误1)。光纤光栅圆花饰是由两个光纤光栅在直角。对影响,ASE和激光环系统与独立的光纤光栅未能给出收敛解决方案而ASE系统与光纤光栅圆花饰预测在5厘米的位置的影响。对影响,预测和实际影响的位置之间的距离是3.3厘米的莲座状系统。这是明显比7.6厘米,10厘米,分别对激光环和ASE系统与独立的光纤光栅。
(一)
(b)
在实际大规模结构、强烈的光源的激光环方案将仍然是有利的信号衰减严重的在这些情况下。一个大型结构,部署的传感器的数量可能增加。高强度,可以使用一个激光环养活大量的光纤光栅传感器,从而降低整体的设备成本。
日月光半导体方案(图7(一)),大多数的预测位置倾向于定位眼睛的实际影响。这可能的原因是由于边缘滤波器的非线性以及不可能得到完全相同的布喇格四个传感器的光纤光栅的光谱。因此敏感的光纤光栅应变波会略有不同。一个特定的光纤光栅可以稍微不那么敏感的(或更敏感)和预测位置转向一边。与增加激光环方案的敏感性,这种细微的差异可能覆盖。事实上,对于激光环方案(图7 (b)),向右或向左偏移更平衡。
风力涡轮机的叶片,标定表明,波速度的地区,等于A和B是相对固定的米/秒,分别m / s。校准在区域C随机波速度,大概由于应力波的相互作用的复杂材料组成以及不规则边界几何。与A和B的波速数据区域,坐标位置的影响可以评估锤knockingd时在不同的位置沿叶片在这两个地区。图8显示了预测位置相当不错同意位置的影响。应该指出,一个潜在的假设在当前的预测是事先敲门而闻名的地区。以前的工作表明,该地区的影响可能是确定的特征波形形状(15]。另一个值得注意的一点是,当前的预测并不提供的信息坐标的影响。在实践中,了解该地区严重影响应该足够有用的坐标定位的位置更详细的非破坏性检验,以确保结构完整性。
4所示。结论
影响监控系统利用布拉格光纤光栅传感器已经建立。用激光环为光纤光栅审讯计划,获得一个很好的信噪比,使极低能量和更高的能源影响轻松被探测到。ASE光源的方案提供了一个较低的信号强度和只适用于更高的能量影响。与光纤光栅附近部署基地中心,两种方案都能检测到发生的影响相当于小鸟引人注目的即使在远端提示风力涡轮机叶片。在铝板均匀波速度不是预先知道,位置的位置有可能影响4-FBG数组。在这种情况下,激光环方案只执行略优于ASE计划,表明影响源定位精度的瓶颈限制光纤光栅的角不敏感。风力涡轮机叶片,precalibrated波速度,纵向坐标的影响可以找到相当不错箱形梁加固区和后缘区域。前缘地区的影响源位置并不成功的波速度随位置在这个地区。
确认
这项工作是与国家科学理事会的支持项目(nsc96 - 2628 - e - 002 - 223 - my3)。作者感谢台湾电力研究所的一些设备支持。