一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法技术

本发明专利技术属于结构检测技术领域，具体为一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法。本发明专利技术在采用布拉格光纤光栅传感器作为结构健康检测的设备的基础上，配置解调装置；解调装置包括宽带光源、光纤耦合器、光电二极管、信号放大电路，压电陶瓷，驱动电源，参考传感器；本发明专利技术将光纤布拉格光栅传感器与解调装置结合使用，通过驱动电源来带动压电陶瓷发生较大形变，进而带动参考传感器中心波长发生较大变化，从而扩展测量范围，且驱动电源能够精准的控制输出电压，提高光纤布拉格光栅的中心波长分辨率，满足大型结构健康监测需求。本发明专利技术具有广阔应用前景。具有广阔应用前景。具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法


[0001]本专利技术属于结构检测
，具体涉及一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法。

技术介绍

[0002]光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、尺寸小、复用能力强、结构简单、精度高等优点，因此在众多传感检测领域都有着广泛应用，如结构健康检测、生物力学传感等领域。光纤布拉格光栅传感器作为一种波长调制型器件，其工作时光栅中心波长的表达式如下式(1)所示：
[0003]λ
B
＝2n
eff
Λ
ꢀꢀꢀ
(1)
[0004]式中，λ
B
为中心波长，n
eff
为有效折射率参数,Λ为光栅周期。实际应用中，当光纤布拉格光栅的中心波长由于外界作用力的作用时，其有效折射率和光栅周期会发生变化，此时其中心波长也会发生漂移，因此，可以通过测量中心波长漂移量和外界作用力与中心波长漂程度之间的关系便可以推算出外界作用力的大小，进而得出监测结构的性能(健康状态)。
[0005]对于光纤布拉格光栅传感器应用来说，解调装置起着非常重要的作用，通常情况下该解调装置包括常见的光谱仪解调法、可协调激光器法、F
‑
P滤波器检测法、非平衡M
‑
Z干涉法，但是上述解调装置由于结构所限，还存在体积大使用不方便，价格昂贵及维护比较麻烦的缺点，因此无法满足大量的包括建筑物在内的结构健康检测实际需求。综上所述，提供一种能克服现有基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法存在问题的方法显得尤为必要。

技术实现思路

[0006]为了克服现有基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法的弊端，本专利技术提供一种体积小、价格低、使用和维护方便的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法。
[0007]本专利技术提供的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法，是在采用布拉格光纤光栅传感器11作为结构健康检测的设备的基础上，配置特别设计的解调装置12；所述解调装置12包括宽带光源121、光纤耦合器122、光电二极管123、信号放大电路124，压电陶瓷125，驱动电源126，参考传感器127；其中，宽带光源121依次与光纤耦合器122、参考传感器127、压电陶瓷125、驱动电源126连接；参考传感器127依次连接光电二极管123、信号放大电路124；光纤耦合器122与布拉格光纤光栅传感器(1连接；检测的具体步骤为：
[0008]步骤A：将布拉格光纤光栅传感器11放置在待监测目标上，当待检测目标发生较大应变损坏时，布拉格光纤光栅传感器中心波长发生同步变化；
[0009]步骤B：由宽带光源121为布拉格光纤光栅传感器和解调装置提供工作光谱，且该工作光谱在布拉格光纤光栅传感器的工作波段内；
[0010]步骤C：参考传感器127经光电二极管123和待测目标上的布拉格光纤光栅传感器11由光纤耦合器122进行光耦连接，光电二极管123接收布拉格光纤光栅传感器11的返回信号并输出到信号放大电路124进行放大处理；
[0011]步骤D：压电陶瓷125拉伸参考传感器127的中心波长，当参考传感器127和放置在目标之上的布拉格光纤光栅传感器11两者的中心波长相同时，光电流信号处于极值状态，从而能推算出布拉格光纤光栅传感器的中心波长变化量，进而推算出待监测结构的健康程度；
[0012]步骤D中，驱动电源126提供工作电压来驱动压电陶瓷125发生形变，从而扩展参考传感器127的波长范围；该驱动电源(126)可以调节电压输出值，实现目标驱动电压的输出；逐级调节该驱动电压的大小，逐级调节该驱动电压的大小，当输出电流信号处于极值时，记录下该驱动电压，再根据压电陶瓷125形变量与参考传感器127中心波长漂移量的大小，得出该待测结构处的健康状况。
[0013]进一步地，所述光纤耦合器122主要作用，是使宽带光源121连接布拉格光纤光栅传感器11以及参考传感器127；具体是将宽带光源的光入射到布拉格光纤光栅传感器11上，并将布拉格光纤光栅传感器反射的光信号传递至参考传感器127上，经过该参考传感器127上的光信号再经过后续的放大电路124进行放大。
[0014]进一步地，所述驱动电源126还能在布拉格光纤光栅传感器11的中心波长分辨率以及中心波长变换范围内，在已知参考传感器127初始中心波长以及压电陶瓷125在驱动电压下带动参考传感器中心波长的关系之后，确定驱动电源126的最大值和最小值以及最小变化值，驱动电源126将驱动电压从最小值逐步上升到最大值的过程中，根据输出的电信号的情况，来确定参考传感器127和布拉格光纤光栅传感器11中心波长一致时所对应的驱动电压，从而推算出待监测结构上的健康程度。
[0015]进一步地，所述解调装置12能连接多个布拉格光纤光栅传感器11，以实现波分复用，多个布拉格光纤光栅传感器11具有不同的布拉格波长，而宽带光源121能够覆盖这些监测布拉格光纤光栅传感器11的中心波长范围；对应的，光电二极管123输出的是多个布拉格光纤光栅传感器11的反射光叠加信号转换后的光电流。
[0016]进一步地，所述多个布拉格光纤光栅传感器11的初始中心波长确定的条件下，在调节驱动电压的过程中可以得出测得多个极值的电流信号，从而推算出每个参考传感器127的中心波长变化程度，从而推算出不同位置的布拉格光纤光栅传感器11所对应的结构的健康程度。
[0017]进一步地，所述解调装置(12)还能连接数据处理模块以及无线通信模块，能将待监测结构处的健康情况经数据处理模块处理后，再通过线通信模块发送至服务器或者用户终端，实现实时的对目标结构进行结构健康检测。
[0018]本专利技术有益效果是：本专利技术结合光纤布拉格光栅传感器使用，具有体积小、使用方便、价格低及维护方便的优点。工作时，宽带光源的光入射到目标结构上的布拉格光纤光栅传感器之后，其反射光会射入到参考传感器之上，该参考传感器之上的信号再经过光电二极管将光信号转换成电信号，然后通过调节驱动电源施加在压电陶瓷上电压的大小，便可以拉伸参考传感器的波长，当参考传感器的波长和目标结构上的布拉格光纤光栅传感器的中心波长一致时，并结合目标结构上布拉格光纤光栅传感器和参考传感器两个传感器的初
始中心波长、以及驱动电压所对应的参考传感器中心波长漂移量便可以推算出目标结构(比如钢建筑结构)的健康程度。
[0019]本专利技术将光纤布拉格光栅传感器和设计的解调装置结合使用，通过驱动电源来带动压电陶瓷发生较大的形变，进而带动参考传感器中心波长发生较大变化，从而扩展测量范围，且该驱动电源能够精准的控制输出电压，从而提高光纤布拉格光栅的中心波长分辨率，进而满足大型结构健康监测需求。本专利技术具有广阔应用前景。
附图说明
[0020]图1为本专利技术应用的设备结构框图。
[0021]图2为驱动电源拉伸参考传感器中心波长发生漂移的流程示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法，其特征在于，在采用布拉格光纤光栅传感器（11）作为结构健康检测的设备的基础上，配置解调装置（12）；所述解调装置（12）包括宽带光源（121）、光纤耦合器（122）、光电二极管（123）、信号放大电路（124），压电陶瓷（125），驱动电源（126），参考传感器（127）；其中，宽带光源（121）依次与光纤耦合器（122）、参考传感器（127）、压电陶瓷（125）、驱动电源（126）连接；参考传感器（127）依次连接光电二极管（123）、信号放大电路（124）；光纤耦合器（122）与布拉格光纤光栅传感器（11）连接；检测的具体步骤为：步骤A：将布拉格光纤光栅传感器（11）放置在待监测目标上，当待检测目标发生应变而发生损坏时，布拉格光纤光栅传感器中心波长发生同步变化；步骤B：由宽带光源（121）为布拉格光纤光栅传感器和解调装置提供工作光谱，且该工作光谱在布拉格光纤光栅传感器的工作波段内；步骤C：参考传感器（127）经光电二极管（123）和待测目标上的布拉格光纤光栅传感器（11）由光纤耦合器（122）进行光耦连接，光电二极管（123）接收布拉格光纤光栅传感器（11）的返回信号并输出到信号放大电路（124）进行放大处理；步骤D：压电陶瓷（125）拉伸参考传感器（127）的中心波长，当参考传感器（127）和放置在目标之上的布拉格光纤光栅传感器（11）两者的中心波长相同时，光电流信号处于极值状态，从而推算出布拉格光纤光栅传感器的中心波长变化量，进而推算出待监测结构的健康程度；步骤D中，驱动电源（126）提供工作电压来驱动压电陶瓷（125）发生形变，从而扩展参考传感器（127）的波长范围；逐级调节该驱动电压的大小，当输出电流信号处于极值时，记录下该驱动电压，再根据压电陶瓷（125）形变量与参考传感器（127）中心波长漂移量的大小，得出该待测结构处的健康状况。2.根据权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测方法，其特征在于，所述光纤耦合器（122）将宽带光源（121）与布拉格光纤光栅传感器（11）以及参考传感器（...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘木清，卢志成，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：