论文摘要
超声波检测是工业无损检测中应用最广泛的一种方法,但由于测量中常用的压电探头不能在电磁干扰、高温和腐蚀等恶劣环境下使用,并且只能单位置测量,故难以对损伤进行有效定位。基于以上缺陷,我们引入光纤光栅来取代压电传感器。与其它传感器相比,它质轻,环境适应性好,并且可以在一根光纤上布置多个测量光栅,实现多点或准分布式实时损伤信息监测。然而,由于超声波频率高,在传播过程中易衰减。在超声波作用下,贴在结构表面的光纤光栅感测到的应变是很微弱的,此时必须加入中间弹性传感体,起到增敏作用。本文基于超声波激励模式,以光纤光栅复合传感体为研究对象,首先研究适合损伤检测的超声波激励方式；然后根据光纤光栅传感体在超声波场应变传递的基本理论,通过有限单元法建立传感体的基本模型,设计出一种能够灵敏感知超声波微应力的光纤光栅复合传感体；最后通过不同的测试实验研究光纤光栅传感体的传感特性。论文的主要内容安排如下：1.介绍了利用光纤光栅检测超声波技术的国内外现状,提出这种技术的应用前景。2.介绍了超声波的基本理论,并从兰姆波在介质中的传播特性出发,分析了适合于损伤检测的超声波激励方式。3.介绍了光纤光栅传感的基本原理,分别从应变波的传播和光纤光栅对超声波的响应两方面研究了光纤光栅传感体在超声场中应变传递规律,为光纤光栅传感体的设计提供了一定的指导作用。4.根据弹性力学理论,建立了超声波在固体介质中的运动微分方程。从材料、耦合剂、厚度三个方面对传感体进行了结构设计,并通过有限元软件COMSOL对传感体进行建模,分析其应变传递特性,设计了一种具有良好应变传递能力的光纤光栅传感体。5.通过对不同材料、不同耦合剂、不同厚度以及不加弹性体的对比实验研究了光纤光栅传感体的测试性能,并与有限元计算的结果进行了对比分析。通过实验测试,本文设计的光纤光栅传感体不仅结构简单、应变传递特性好,还能清楚地检测到超声波信号。这种传感体的研究为取代传统电测传感器提供了新的理论依据,在机械系统结构损伤和实现在线动态监测方面具有很高的应用价值。