用于超声结构健康监测的光纤传感器

　　波兰科学院和北卡罗来纳州立大学的研究人员概述了基于导波和声发射的结构健康监测的最新技术，这些技术是使用新型基于光纤的传感器开发的。相关研究发表在《Sensors》上。

 

　　结构健康监测 (SHM) 系统在结构中是必要的，以检测结构中的任何退化并避免灾难性故障。此外，SHM 系统可以最大限度地减少关键结构的维护成本和停机时间，从而实现非常高的投资回报。因此，SHM 系统受到了科学界的极大兴趣。 SHM 可以粗略地定义为通过监测结构的使用性能来评估结构的状况。通常，用于检测振动、应变、腐蚀等的传感器放置在结构上，通过监测损坏敏感特征，可以确定结构的状况。在过去的几十年里，已经开发了广泛的 SHM 技术，这些技术利用了几种不同的技术和损坏敏感特征。

 

　　基于振动和应变的 SHM 技术在土木工程领域更受欢迎，而航空航天领域在使用基于声发射 (AE) 的技术和弹性波传播方面更加活跃。重点可以解释为基于振动的技术往往是全局损坏检测技术，适用于检测土木工程中可接受的高水平损坏，因为土木工程结构具有更高的损坏恢复能力。在航空航天领域，通常使用复合材料，但其抗损伤能力不如金属。由于复合材料具有更高的强度重量比以及对恶劣条件的抵抗力，因此它们的使用正在增加。因此，需要在 SHM 领域开展更多工作，重点是可靠地检测小程度的损坏，以及不仅检测而且定位和诊断损坏的能力。对于小程度的损伤，基于超声波的技术如导波 (GW) 和 AE 非常流行，因此是本文的重点。

 

　　典型的基于 GW 的 SHM 系统需要使用传感器进行数据收集，使用过滤器进行数据清理，以及使用中央数据处理单元进行特征提取和后处理。与其他传感器相比，基于光纤的传感器具有多种优势，并已广泛用于 SHM。这些好处可以总结为：（一）低功耗；(二) 抗电磁干扰；(三) 安全风险低；(四) 小尺寸; (五) 轻便; (六) 大带宽容纳；(七) 对恶劣条件的抵抗力。

 

　　光纤对外界刺激和环境敏感，这会在频率、相位、幅度、偏振和强度方面影响通过光纤传播的光。这些特性的变化可以被测量和校准以形成多种传感器。光纤 (FO) 传感器已用于测量旋转、速度、位移、扭矩、加速度、湿度、化学物质、温度、压力等。光纤还为传感器提供了传统测量技术无法实现的功能。例如，FO 传感器的应变测量功能允许在更宽的标距长度（最多几米）上进行分布式测量，而传统的应变计本质上是点传感器。此外，一些基于 FO 的传感器允许同时测量温度和应变，从而可以轻松补偿环境条件变化的影响。最后，基于光纤的传感器还具有更快的采样率，因此具有更好的时间分辨率，这也是一个理想的特性。 FO 传感器检测机械和动态特性的能力使其可用于 SHM。

 

　　基于导波 (GW) 和声发射 (AE) 的SHM 在结构中具有广泛的应用，因为使用有限数量的传感器可以监测整个结构。基于光纤的传感器具有重量轻、尺寸小、能够嵌入以及抗电磁干扰等多种优势。因此，它们长期以来一直被视为 SHM 的理想传感解决方案。

 

　　这里，研究人员详细讨论了用于超声波传感的不同光纤技术。由于光纤布拉格光栅 (FBG)传感器是最有前途和应用最广泛的传感器，因此特别关注用于超声波测量的FBG传感器的最新发展。该研究重点介绍了波耦合到光纤的物理原理，并解释了波的方向灵敏度和定向耦合等不同现象。同时，讨论了不同光纤传感器在实际 SHM 应用中的应用，将 FBG 传感器用于基于 GW 和 AE 的 SHM占主导地位。最后，确定了该领域有望发展的令人鼓舞的趋势和未来领域。比如，用于GW测量的光纤系统面临的一个挑战是，需要边缘滤波询问技术来测量高频小振幅波，迫切需要对高频和低振幅测量设备进行多路复用的策略。此外，基于光纤的传感器大多是被动传感器，因此除了声发射应用外，它们需要额外的驱动系统来产生GWs。除了提供多路复用和驱动能力外，在基于光纤的传感系统被工业应用接受之前，还需要在传感器级别和系统级别进行更多的开发。

 

　　新型传感器配置继续频繁出现，但它们仍处于技术准备水平的低端，其用于GW检测的优缺点尚未探讨。例如，倾斜FBG传感器提供简单的温度补偿，并且可以像传统FBG传感器一样进行询问。另一个有希望的领域是使用偏振保持（PM）FBG传感器。PM光纤已广泛应用于应变和气体传感。宽带声学检测已使用光子晶体板进行，因此有可能将该技术转变为光纤传感器。