智能光電系統(tǒng)研制——裂紋探測(cè)ppt

1、智能光電系統(tǒng)的研制智能光電系統(tǒng)的研制 裂紋探測(cè)裂紋探測(cè)Page 2目錄目錄裂紋探測(cè)的發(fā)展裂紋探測(cè)的發(fā)展光纖傳感器原理光纖傳感器原理 裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)裂紋實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)Page 3應(yīng)用背景應(yīng)用背景n 工程結(jié)構(gòu)在使用過程中常會(huì)產(chǎn)生裂紋工程結(jié)構(gòu)在使用過程中常會(huì)產(chǎn)生裂紋(包括疲勞裂包括疲勞裂紋紋)、腐蝕、配合松動(dòng)等故障、腐蝕、配合松動(dòng)等故障.當(dāng)其發(fā)展到一定程當(dāng)其發(fā)展到一定程度而又未能及時(shí)覺察時(shí)度而又未能及時(shí)覺察時(shí),便可能導(dǎo)致破壞性事故便可能導(dǎo)致破壞性事故,造造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái),在我國(guó)的一些港口在我國(guó)的一些港口

2、,先后先后有數(shù)臺(tái)門座起重機(jī)出現(xiàn)臂架折斷的惡性事故。因有數(shù)臺(tái)門座起重機(jī)出現(xiàn)臂架折斷的惡性事故。因此此,裂紋探測(cè)對(duì)實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)裂紋的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裂紋探測(cè)對(duì)實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)裂紋的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)具有重大意義。具有重大意義。Page 4裂紋探測(cè)的發(fā)展裂紋探測(cè)的發(fā)展推導(dǎo)了相應(yīng)敏度方程推導(dǎo)了相應(yīng)敏度方程 ，但，但對(duì)于較大工程結(jié)構(gòu)難以獲得對(duì)于較大工程結(jié)構(gòu)難以獲得精確的模態(tài)參數(shù)精確的模態(tài)參數(shù)對(duì)某些大型工程結(jié)構(gòu)的激對(duì)某些大型工程結(jié)構(gòu)的激振方法也存在一些實(shí)際困振方法也存在一些實(shí)際困難難裂紋開裂時(shí)裂尖會(huì)釋放大裂紋開裂時(shí)裂尖會(huì)釋放大量的熱，在裂尖周圍形成量的熱，在裂尖周圍形成溫度梯度溫度梯度價(jià)格昂貴，而且不能價(jià)格昂貴，而且不

3、能在服役期進(jìn)行長(zhǎng)期檢在服役期進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)測(cè)應(yīng)變模態(tài)診應(yīng)變模態(tài)診斷方法斷方法光纖傳感器光纖傳感器紅外掃描儀紅外掃描儀Page 5光纖傳感器原理光纖傳感器原理n 由于光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械和傳輸性能，由于光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械和傳輸性能，使使(微彎損耗型微彎損耗型)光纖傳感器具有傳統(tǒng)傳感器無(wú)法光纖傳感器具有傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。比擬的優(yōu)點(diǎn)。n 在光的傳輸過程中，在特定的條件下，光纖易受在光的傳輸過程中，在特定的條件下，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等的外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等的變化將引起光纖光波參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、相位變化將引起光纖光波參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率

4、、相位和偏振態(tài)的變化，相應(yīng)的被測(cè)信號(hào)改變光纖中的和偏振態(tài)的變化，相應(yīng)的被測(cè)信號(hào)改變光纖中的光信號(hào)有光信號(hào)有4種方式，其中強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是種方式，其中強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是最簡(jiǎn)單和使用最多的一種。最簡(jiǎn)單和使用最多的一種。Page 6n 根據(jù)光纖傳輸損耗原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了裂紋探測(cè)智根據(jù)光纖傳輸損耗原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裂紋，在能光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裂紋，在裂紋診斷技術(shù)的理論和實(shí)用化方面取得了一定進(jìn)裂紋診斷技術(shù)的理論和實(shí)用化方面取得了一定進(jìn)展。展。n 光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，光功率將隨傳輸距離增光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，光功率將隨傳輸距離增加而作指數(shù)衰

5、減加而作指數(shù)衰減 式中：式中：k為光纖的功率損耗系數(shù)為光纖的功率損耗系數(shù)光纖傳感器原理光纖傳感器原理Page 7光纖傳感器原理光纖傳感器原理光纖材料的吸收損耗主要光纖材料的吸收損耗主要包括本征吸收、雜質(zhì)吸收包括本征吸收、雜質(zhì)吸收損耗和原子缺陷吸收損耗損耗和原子缺陷吸收損耗當(dāng)理想的圓柱形光纖受到當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲，導(dǎo)一定曲率半徑的彎曲，導(dǎo)致能量泄露到包層致能量泄露到包層光纖散射是由于光纖中介光纖散射是由于光纖中介質(zhì)的不均勻性而使光向各質(zhì)的不均勻性而使光向各個(gè)方向散開的現(xiàn)象個(gè)方向散開的現(xiàn)象Page 8裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋探

6、測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光纖是傳輸介質(zhì)，光纖是傳輸介質(zhì)，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸傳感頭感知外界信傳感頭感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器息，相當(dāng)于調(diào)制器光纖光纖傳感頭傳感頭光探測(cè)器負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將光探測(cè)器負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將光纖送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)光纖送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)信號(hào)處理電路的功能是還信號(hào)處理電路的功能是還原外界信號(hào)，相當(dāng)于解調(diào)器原外界信號(hào)，相當(dāng)于解調(diào)器光探測(cè)器光探測(cè)器信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路光纖傳感器系統(tǒng)光纖傳感器系統(tǒng)光源光源光源相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射光源相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射Page 9裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n 在實(shí)際試驗(yàn)中，由于光

7、纖較短，可以忽略吸收損在實(shí)際試驗(yàn)中，由于光纖較短，可以忽略吸收損耗和散射損耗。而耗和散射損耗。而LED發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路比較發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，輸出功率無(wú)需反饋控制，體積小，壽命長(zhǎng)，簡(jiǎn)單，輸出功率無(wú)需反饋控制，體積小，壽命長(zhǎng)，研究中采用小功率，價(jià)格低的研究中采用小功率，價(jià)格低的LED 發(fā)光管和發(fā)光管和GF222型光纖耦合型光纖耦合GaAs側(cè)面發(fā)光管。其峰值波側(cè)面發(fā)光管。其峰值波長(zhǎng)為長(zhǎng)為860 nm。根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)的要求，光探測(cè)器。根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)的要求，光探測(cè)器采用了采用了GT101A 型硅型硅PIN光電二極管。使用多模光電二極管。使用多模光纖把上述光源與光探測(cè)器聯(lián)接好，就構(gòu)成了所光纖把

8、上述光源與光探測(cè)器聯(lián)接好，就構(gòu)成了所需 要 的 光 纖 傳 感 器 ， 使 用 的 光 纖 類 型 是 ：需 要 的 光 纖 傳 感 器 ， 使 用 的 光 纖 類 型 是 ： =50m，NA=0.2的梯度光纖。的梯度光纖。Page 10裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Page 11n 電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際上電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)就是一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它是由計(jì)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與前向通道、后算機(jī)系統(tǒng)與前向通道、后向通道、人機(jī)對(duì)話通道及向通道、人機(jī)對(duì)話通道及計(jì)算機(jī)相互聯(lián)接通道組成。計(jì)算機(jī)相互聯(lián)接通道組成。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件整

9、個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：系統(tǒng)擴(kuò)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：系統(tǒng)擴(kuò)展，通道與接口設(shè)計(jì)，系展，通道與接口設(shè)計(jì)，系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟件統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)，應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等。根據(jù)系統(tǒng)功能要設(shè)計(jì)等。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件程序求，設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件程序流程圖如圖流程圖如圖3所示所示裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裂紋探測(cè)智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Page 12工程結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)n 將傳感光纖粘貼或埋入待測(cè)工程結(jié)構(gòu)，利用光纖將傳感光纖粘貼或埋入待測(cè)工程結(jié)構(gòu)，利用光纖在傳輸過程中的微彎損耗機(jī)理，組成強(qiáng)度型光纖在傳輸過程中的微彎損耗機(jī)理，組成強(qiáng)度型光纖傳感器。當(dāng)一束激光進(jìn)入光纖，由于受到結(jié)構(gòu)開傳感器。當(dāng)一束激光進(jìn)入光纖，由于受到結(jié)構(gòu)開裂而產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制，使接收端的光電探測(cè)器接裂而產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制，使接收端的光電探測(cè)器接受到的光強(qiáng)發(fā)生