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Abstract
Shandong Provincial Key Laboratory of Preparation and Measurement of Building Materials, University of Jinan, Jinan 250022, P. R. China
With the rapid development of modern industries, the high-temperature piezoelectric sensors that can work in extreme environments are in great demand. In this work, langasite (La3Ga5SiO, LGS), as a high-temperature piezoelectric crystal with stable electro-elastic performance, is used as core element, and air and porous Al2O3 are selected as backing layers respectively to prepare two kinds of high-temperature acoustic emission (AE) sensors. The detection sensitivities at 25–500∘C are analyzed by the ball falling test and Hsu–Nielsen experiment. Under the condition of 25–500∘C, the received amplitude signals by both sensors are maintained above 90dB stimulated by the ZrO2 ceramic ball dropping. In the Hsu–Nielsen experiment, as the temperature rising from 25∘C to 500∘C, the signal amplitude of sensor with air backing layer decays from 447mV to 365mV, while the signal amplitude varies from 270mV to 203mV for the sensor with porous Al2O3 backing layer. Significantly, compared with the bandwidth of the air-backing sensor (37–183kHz), the sensor with porous Al2O3 backing layer broadens bandwidth to 28–273kHz. These results show that both these AE sensors have strong and stable response ability to AE signals at high-temperature of 500∘C. Therefore, piezoelectric AE sensor based on LGS has great potential application in the field of high-temperature structural health monitoring.
La3Ga5SiO14 acoustic emission sensor sensitivity structural health monitoring Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2342001
1 武汉科技大学 理学院, 湖北 武汉 430081
2 中国一冶集团有限公司, 湖北 武汉 430081
以指接榫和燕尾榫结构为例, 利用压电主动传感技术对榫卯结构进行健康工况和损伤工况的损伤识别实验研究。其中,指接榫考虑水平和垂直连接的榫头松动和缺损工况, 燕尾榫考虑实验机加载破坏工况。对压电传感器所接收到的信号进行小波包分解, 并以各频段信号能量总和作为损伤指标对损伤程度进行定量评估。实验结果表明, 指接榫结构所接收的信号能量随损伤程度的不断增加而减小; 加载过程中,燕尾榫结构的榫头间先挤压紧密再出现榫头破坏, 所接收到的信号能量出现先增大后减小的情况。因此, 利用压电主动传感技术可实现对榫卯结构的损伤识别。可为相关专业的研究生及工程技术人员基于压电传感技术进行无损检测提供实验方法。
榫卯结构 压电主动传感技术 损伤识别 结构健康监测 小波包能量 mortise-tenon joints piezoelectric active sensing technology damage detection structural health monitoring wavelet packet energy
1 卡本科技集团股份有限公司产品开发部，天津 300383
2 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387
光纤布拉格光栅（FBG）在单向复合材料高应力变化和长期服役过程中的精准监测对于预应力碳纤维复合材料（CFRP）板的应用具有重要意义。将FBG传感器分别采用外贴裸栅、外贴基片和内嵌裸栅的形式与CFRP板进行耦合，测试了三种耦合方式对于温度的感知精度，并基于预应力CFRP板加固系统监测其分级加载至1000 MPa过程中应力的变化。实验结果表明，三种耦合方式均有较好的温度传感特性，但应力传感特性与温度传感特性存在明显差异。其中，内嵌裸栅式传感器的监测精度最高，其应力传感的线性度、迟滞性和重复性分别为0.9999、0.25%和3.20%，可应用于预应力CFRP板的加固工程。
传感器 复合材料 光纤布拉格光栅 结构健康监测 工程加固 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0528003
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Industrial Engineering, University of Bologna, 47121 Forlì, Italy
2 Sestosensor SRL, R&D Department, Zola Predosa 40069, Italy
3 Fibrain Sp. Z.o.o., Wspólna 4A, Rzeszów 35-205, Poland
4 Consiglio Nazionale delle Ricerche, IMM Institute, Bologna 40129, Italy
Two innovative optical fiber cable layouts designed to improve strain measurement accuracy for Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) sensors through improved strain transfer efficiency are presented and discussed. Swept Wavelength Interferometry (SWI) is used to experimentally evaluate their performance alongside analytical models and numerical simulation through Finite Element Method (FEM). The results show good agreement between the different methods and show that the second sensing cable design presents good features to minimize the mismatch between measured and actual strain. Finally, the strain response of both strain and temperature sensing cables of this design are evaluated, showing that their difference in response is reliable enough to allow temperature compensation.Two innovative optical fiber cable layouts designed to improve strain measurement accuracy for Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) sensors through improved strain transfer efficiency are presented and discussed. Swept Wavelength Interferometry (SWI) is used to experimentally evaluate their performance alongside analytical models and numerical simulation through Finite Element Method (FEM). The results show good agreement between the different methods and show that the second sensing cable design presents good features to minimize the mismatch between measured and actual strain. Finally, the strain response of both strain and temperature sensing cables of this design are evaluated, showing that their difference in response is reliable enough to allow temperature compensation.
Brillouin scattering Optical fiber sensors Fiber ring lasers Strain transfer Structural health monitoring Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2022, 18(1): 2022007
大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024
销轴连接作为工程中一种常用的连接构件，实时监测其在荷载下的健康状态，对结构的整体稳定性至关重要。该文研究了一种基于压电理论的销轴连接受力状态的实时监测方法，并对其展开了理论和实验研究。同时基于小波包理论分析接收信号的能量，从而识别销轴连接的受力状态。研究结果表明，接收信号的能量与销轴连接的受力状态相关，随着接触面的法向压力增大，接收信号的能量增大，但当法向压力增大到一定值后，接收信号能量达到饱和。因此，该文提出的基于压电理论的销轴连接受力状态监测方法在一定的荷载范围内具有良好的可行性和应用意义。
销轴 结构健康监测 压电陶瓷 受力状态 小波包能量分析 pin shaft structural health monitoring piezoelectric ceramics force state wavelet packet energy analysis
1 西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054
2 西安外事学院工学院，陕西 西安 710077
3 西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048
当前技术发展针对建筑结构物健康监测存在一定的探索应用领域，作为传感器性能尚佳的光纤光栅类传感器在土木结构中的应用较为广泛。基于此技术，将光纤光栅物联网传感应用于异形结构健康监测，主要介绍了光纤光栅的结构原理和性能优势，结合工程项目实例，研究了光纤布拉格光栅（FBG）在异形结构健康监测中的相关应用方式并进行数据分析。该研究表明，FBG类传感器可以应用于异形结构健康监测中，同时对于其他相关土木基建结构也存在一定的推广及应用价值。
结构健康监测 光纤传感 异形结构 光纤光栅 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0505001
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
针对由应变场变化和环境载荷等因素引起的结构变形问题,设计了一种基于光纤光栅传感网络的自由曲面结构状态感知系统,提出了基于布拉格光栅(FBG)阵列测试数据的三维曲面重建算法。 通过ANSYS对曲面结构加载不同状态载荷,仿真分析了其应变场分布规律,在100 N时其最大形变量为0.243 mm,并根据应力场分布特性确立了FBG阵列的位置。搭建了曲面位置偏移及三维应力场分布的测试系统。实验结果表明,Handyscan测量数据与实际测量数据的绝对误差均保持在0.026 mm之内,说明三维重构曲面可以很好地反映实际曲面受应力后的面形变化,其变形曲面重构的FBG各测量点数据与Handyscan测量数据的相对误差均保持在6.67%之内,平均相对误差均小于4.53%。所得结果验证了系统的可行性。该测试技术可用于飞行器结构健康监测中蒙皮面形偏差监测及应力场分析。
光纤光栅 结构变形 三维重构 空间曲面结构 结构健康监测 中国激光
2021, 48(24): 2406001
1 海军工程大学兵器工程学院，湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033
弱反射光纤光栅（WFBG）阵列由于具有单纤抗拉强度、大规模复用等特性，近年来得到广泛关注，其在大规模结构健康监测和甚低频水声信号探测等领域具有潜在的应用价值。系统地综述了WFBG阵列的制备、解调与应用进展。在WFBG阵列制备方面，刻栅装置主要以拉丝塔Talbot和相位掩模板技术为主，在光纤选型上则相继出现了紫外透明涂覆层光纤、掺铈光纤等。在信号解调方面，大致有时域波长、频域、微波光子和匹配干涉等四种解调技术。在应用方面，WFBG阵列可以作为制备激光器的器件和传感器应用于监测领域。
传感器 弱反射光纤光栅 拉丝塔光栅 信号解调 激光器制备 结构健康监测 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1700005
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650500
2 云南省人工智能重点实验室, 云南 昆明 650500
3 昆明理工大学机电工程学院, 云南 昆明 650500
碳纤维复合材料(CFRP)疲劳损伤的形成是一个复杂的过程,且疲劳损伤会随载荷和时间的增加不断扩展。针对现有损伤概率成像方法对损伤位置误判率高、损伤成像清晰度低、可视化效果差的问题,提出了一种基于飞行时间(ToF)损伤因子的CFRP疲劳损伤概率成像方法。该方法用一种新的损伤因子改进现有的损伤概率成像方法,并研究了不同疲劳载荷循环次数下的CFRP板疲劳损伤。实验结果表明,相比现有方法,本方法的损伤定位误差至少降低了49.85%,为CFRP疲劳损伤的准确量化分析提供了新方法。
图像处理 损伤因子 损伤概率成像 碳纤维复合材料 结构健康监测 激光与光电子学进展
2021, 58(16): 1610002
1 沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁 沈阳 110168
2 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033
为解决建筑结构不均匀沉降监测问题,设计了一种基于等强度梁的新型双光纤光栅静力水准仪,以连通器原理作为基本理论,分析了静力水准仪的传感原理,得出两个光纤光栅的波长变化值的和与沉降变化量呈线性函数关系。水准仪主要包括圆筒容器、连杆、圆柱形浮漂、等强度悬臂梁、光纤光栅和底部支座等构件,在水管连接处使用了防漏液连接装置。基于标定实验数据对双光纤光栅静力水准仪进行静态特性分析,得到的灵敏度为15.765 pm·mm -1,线性度误差为2.959%,迟滞性误差为0.375%,重复性误差为1.744%,相关系数均在0.99以上,静态误差为3.455%,该方法所得结果符合土木工程结构健康监测的要求,其适用于多种结构的不均匀沉降长期远程监测。双光纤光栅静力水准仪具有方便拆卸、可重新组装的优点,并且能够自行消除温度变化和液体液面高度变化造成的误差,提高不均匀沉降监测的准确性。将双光纤光栅静力水准仪应用到建筑监测中,证实了其监测不均匀沉降的能力。
光学学报
2021, 41(14): 1406005
