[发明专利]基于集成式复合传感器的结构多尺度健康监测装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法。

背景技术

现有复合材料结构健康监测方法，以Lamb波检测、阻抗技术、应变测试等为代表的局部损伤监测方法能对结构局部初始缺陷、小损伤进行精细化的检查，帮助人们判断是否应采取相应的维护措施，以防止局部损伤进一步发展而危及结构的整体使用安全。但Lamb波检测、阻抗技术每次检测的面积有限，效率较低，目前基本限于损伤的定位，关于损伤程度评估的研究还有许多问题亟待解决；基于应变特征的局部损伤监测需要大量的测点信息，其反问题求解效率还远不能令人满意。另一方面，振动测试法以其信号易提取、测点无苛刻要求的高效性、经济性以及结构动态响应的全局性等优点，成为一种有效的结构整体损伤监测技术。整体损伤监测依赖于结构全局振动特性测试，且局限于结构的低频响应，可快速覆盖大的监测区域，能够及时监控结构整体工作状态，从而对结构的耐久性、安全性、可靠性有一个整体的概念，与局部损伤监测相比，可大大减少检测的工作量，便于维护管理策略的制定和维护资金的合理支出。但在现有的技术水平下，整体损伤监测对结构初始小损伤不敏感，通过结构整体的动力特性测试无法检测出结构的小损伤。工程中的结构健康监测系统除了应具备整体监测能力外，还应具备对复杂工程结构设计和施工中易于损伤的薄弱细部，有针对性地进行局部精细无损检测的能力，仅用传统方法或单纯采用某一种技术是难以解决损伤监测问题的。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提出了基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法。综合背景技术所述，在复合材料结构健康监测研究中，将整体和局部损伤监测有机结合起来，充分发挥两者的长处，采用共同的传感器，同时从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行多尺度健康监测的研究，不仅能进一步促进结构健康监测理论的发展、完善和工程应用，而且对增强学科发展的国际竞争力、攻克重大装备和国家生命线工程的状态监控和安全评估中的关键技术问题具有积极意义。所述装置包括复合材料柔性板、计算机、集成式复合传感器和多尺度解调模块，所述方法能够将整体和局部损伤监测有机结合起来，充分发挥两者的长处，分别从整体和局部两个尺度上对复合材料结构的“健康”状态进行监测，具有重要的理论和工程应用价值。

本发明的技术方案为：基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置，包括计算机、宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和集成式复合传感器模块，所述复合材料柔性板夹持在一个机械夹持装置上；所述集成式复合传感器模块设置在复合材料柔性板上，所述集成式复合传感器模块包括石英毛细管、单模光纤、Bragg光栅和用作反射端的多模光纤，所述Bragg光栅指定中心波长后写入单模光纤，多个所述Bragg光栅左右排开，在离最右侧所述Bragg光栅的光栅中心指定距离处的一端被切断，单模光纤和多模光纤均插入石英毛细管中，单模光纤和多模光纤的端面相距为几百微米，构成非本征型F-P腔，在石英毛细管两端，单模光纤和多模光纤和石英毛细管熔接在一起；所述各个Bragg光栅的中心波长及其工作范围互不重迭；所述宽带光源具有多个可用波长，且其可用波长依次与多个Bragg光栅的指定中心波长相同；所述多尺度解调装置包括C1耦合器、C2耦合器、波分复用器、光谱分析仪、解调F-P腔、光电探测器、PZT驱动器和锁相放大器；

具有多个可用波长的宽带光源发出的光通过C1耦合器后进入集成式复合传感器，每个Bragg光栅反射各自中心波长附近的一个窄带光，其余波长的光透过Bragg光栅，透过最右侧Bragg光栅的光在传感器的两光纤端面反射而产生EFPI干涉条纹，Bragg光栅的反射光和EFPI干涉条纹迭加在一起，通过C1耦合器和波分复用器分波后，进入光谱分析仪；EFPI干涉条纹通过C2耦合器到达另一由单模光纤的端面和PZT驱动器上多模光纤端面一起形成的解调F-P腔，当解调F-P腔的腔长与传感F-P腔长一致时，将产生干涉信号，该干涉信号通过C2耦合器到达光电探测器，光电探测器的PD电信号和同频的PZT驱动器同步信号同时送入锁相放大器，锁相放大器和波形存贮器通过信号线相连接，所述光谱分析仪和所述波形存贮器通过信号线与PC机相连接。

基于集成式复合传感器的结构多尺度健康监测方法，包括如下步骤：

第一步，在非预埋损伤试件的表面的关键受力部位布置集成式复合传感器并形成阵列，固定每个测量回路内各个光栅的中心波长及其工作范围，以保证在非均匀应变重构中能根据独立变化的波长成功“寻址”到每个光栅；