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智能光电系统的研制— 裂纹探测 目录 应用背景 工程结构在使用过程中常会产生裂纹(包括疲劳裂纹)、腐蚀、配合松动等故障.当其发展到一定程度而又未能及时觉察时,便可能导致破坏性事故,造成严重经济损失。近年来,在我国的一些港口,先后有数台门座起重机出现臂架折断的恶性事故。因此,裂纹探测对实现工程结构裂纹的实时在线监测具有重大意义。 裂纹探测的发展 光纤传感器原理 由于光纤优良的物理、化学、机械和传输性能，使(微弯损耗型)光纤传感器具有传统传感器无法比拟的优点。 在光的传输过程中，在特定的条件下，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等的变化将引起光纤光波参数，如强度、频率、相位和偏振态的变化，相应的被测信号改变光纤中的光信号有4种方式，其中强度调制型光纤传感器是最简单和使用最多的一种。 光纤传感器原理 根据光纤传输损耗原理，设计开发了裂纹探测智能光电系统，该系统可以实时在线监测裂纹，在裂纹诊断技术的理论和实用化方面取得了一定进展。 光信号在光纤中传输时，光功率将随传输距离增加而作指数衰减． 式中：k为光纤的功率损耗系数． 光纤传感器原理 裂纹探测智能光电系统的设计 裂纹探测智能光电系统的设计 在实际试验中，由于光纤较短，可以忽略吸收损耗和散射损耗。而LED发光二极管驱动电路比较简单，输出功率无需反馈控制，体积小，寿命长，研究中采用小功率，价格低的LED 发光管和GF222型光纤耦合GaAs侧面发光管。其峰值波长为860 nm。根据传感器设计的要求，光探测器采用了GT101A 型硅PIN光电二极管。使用多模光纤把上述光源与光探测器联接好，就构成了所需要的光纤传感器，使用的光纤类型是： Φ=50μm，NA=0.2的梯度光纤。 裂纹探测智能光电系统的设计 裂纹探测智能光电系统的设计 电子监测系统设计实际上就是一个完整的单片机应用系统的设计，它是由计算机系统与前向通道、后向通道、人机对话通道及计算机相互联接通道组成。整个系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分，设计内容主要有：系统扩展，通道与接口设计，系统抗干扰设计，应用软件设计等。根据系统功能要求，设计开发的软件程序流程图如图3所示． 工程结构裂纹实时在线监测报警系统 将传感光纤粘贴或埋入待测工程结构，利用光纤在传输过程中的微弯损耗机理，组成强度型光纤传感器。当一束激光进入光纤，由于受到结构开裂而产生的强度调制，使接收端的光电探测器接受到的光强发生急剧变化，通过以单片机为核心的光电系统提取裂纹萌生与扩展的信息，并按照设定的裂纹长度阀值发出报警信号，实现对工程结构裂纹的实时在线无损监测。 裂纹探测的发展 光纤传感器原理 裂纹探测智能光电系统的设计 裂纹实时在线监测报警系统 推导了相应敏度方程 ，但对于较大工程结构难以获得精确的模态参数 对某些大型工程结构的激振方法也存在一些实际困难 裂纹开裂时裂尖会释放大量的热，在裂尖周围形成温度梯度 价格昂贵，而且不能在服役期进行长期检测 应变模态诊断方法 光纤传感器 红外扫描仪 光纤材料的吸收损耗主要包括本征吸收、杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗 当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，导致能量泄露到包层 光纤散射是由于光纤中介质的不均匀性而使光向各个方向散开的现象 光纤是传输介质， 负责信号的传输 传感头感知外界信 息，相当于调制器 光纤 传感头 光探测器负责信号的转换，将 光纤送来的光信号转换成电信号 信号处理电路的功能是还 原外界信号，相当于解调器 光探测器 信号处理电路 光纤传感器系统 光源 光源相当于一个信号源，负责信号的发射