基于光纤传感器的结构健康监测系统的研究

廖付阳，杨东儒，赵小波，姚英邦，陶 涛，梁 波，肖志明，鲁圣国（通信作者）

（1 广东省智能材料和能量转化器件工程技术研究中心 广东 广州 510006）

（2 广东省功能软凝聚态物质重点实验室 广东 广州 510006）

（3 广东工业大学材料与能源学院 广东 广州 510006）

0 引言

随着科学技术和现代工业的快速发展，人民群众的生活水平正在不断提高。目前工程结构正在向大型化、多样化、复杂化方向发展，例如航空航天、土木建筑、桥梁、军事设施等工程结构贯穿人类生活的方方面面，安全历来都是最受人们关注的热点问题。如何避免建筑结构因材料老化，服役时环境的影响、疲劳效应以及其他方面的物理化学影响下发生灾难性的事故，结构健康监测技术的研究逐渐成为工程领域一个十分重要的研究课题。这些大型结构如房屋、桥梁、堤坝等的使用寿命往往长达几十年甚至上百年，如果不能预见因结构损伤带来的突发事故，很可能会造成非常严重的影响，对人们的生命财产以及国家安全造成极大的破坏[1]。

随着人工智能、物联网技术与传感器技术的应用，“可穿戴”的健康监测系统即接触式传感系统也得到了进一步发展，不论是应用于人体还是应用于结构的健康监测系统（structural health monitoring,SHM）[2-3]，如今普遍存在灵敏度不高、信噪比较低以及分析结果误差较大等问题。悬臂梁结构较为简单，在实验中对其结构等效后易于研究。对基于固有频率识别的结构健康监测系统，接触式传感器往往会对被测结构产生一定影响。因此，本文针对非接触式激光测振仪、搭配数据采集系统，对不同材料及损伤结构悬臂梁进行了测试，研究了结构损伤于监测信号的对应关系。

1 研究方法

1.1 基本原理

1.1.1 虚拟仪器概述

在工业测试，故障诊断、模态分析等各个领域中测试仪器的应用是非常广泛的，专用的动态测试分析仪器精度高、功能多，但是造价昂贵操作也比较复杂，最重要的是无法扩展。而随着电子技术的飞速发展，计算机的强大功能愈加突出，利用这些相关技术实现了传统仪器的部分或全部功能，并基本克服了上述缺点。因此虚拟仪器应运而生[4]。

搭配NI 的数据采集卡，设计基于Labview[5]平台的一套能够实时监测传感器的振动数据采集软件系统，数据采集软件前面板与主要程序框图分别见图1 和图2。

1.1.2 损伤识别办法

基于固有频率的结构损伤识别办法[6]，在众多基于模态参数识别的方法中，是较容易实现的。因为固有频率容易获取，且损伤的发生造成结构刚度降低、阻尼增加，造成固有频率的损失，而结构质量的变化可以忽略不计。结构的固有频率与其刚度、弹性模量相关。因此，基于固有频率的损伤识别办法已经被广泛用于结构健康监测中[7]。

根据欧拉-伯努利悬臂梁模型，得到等截面梁的动力学方程[8]：

悬臂梁的主振型即式（1）的解设为：

将式（2）代入式（1）中可得：

其中C i(i= 1 - 4)和ω应满足的频率方程由悬臂梁的边界条件确定。

当悬臂梁的初始条件为一端固定，一端自由时，固定端挠度和截面转角为0，即φ(0) = 0，φ′ (0) = 0,自由端的弯矩和截面剪力为0，即φ′ (l) = 0,φ′(l) = 0,代入式（4）可得：

解出上述频率方程可得：当i=1，2，3 时，1lβ=1.875，β2l=4.694，β3l=7.855;当i≥3 时π（i=3，4，…）。

各阶固有频率为：

因此，结构固有频率与其健康状态有关。当结构发生损伤时，相应的固有频率也发生变化。

1.2 实验系统

1.2.1 实验试件

实验试件选用了两种材料，第1 种材料为6 061 铝合金，材料参数为弹性系数68.9 GPa，泊松比0.33。第2种材料为Q235 碳钢，材料参数为弹性系数为2e11Pa，泊松比为0.31，密度为7 850kg/m3。悬臂梁尺寸见图3，外形尺寸为420 mm×25 mm×4 mm。其中固定端深入长度为20 mm，振动长度为600 mm。通过激光切割在悬臂梁上切掉长度不等的圆环形缺口来模拟损伤，不同类型尺寸的悬臂梁实验试件的损伤长度分别120 mm 和80 mm。为了表述方便，将损伤长度为120 mm 的碳钢悬臂梁试件定为A，损伤长度为80 mm 的碳钢悬臂梁试件定为B，将未损伤碳钢悬臂梁试件定为C，损伤长度为120 mm 的铝合金悬臂梁试件定为D，损伤长度为80 mm 的铝合金悬臂梁试件定为E，未损伤6 061 铝合金悬臂梁试件定为F[9]。

1.2.2 实验装置

搭建好的实验装置见图4。物品清单分别是：台虎钳，90 度角码，M10 螺母，实验试件，砝码，光纤传感器，数据采集卡，台式计算机。以下详细介绍各个部件作用及参数。

（1）台虎钳的作用是为了固定连接实验试件的90 度角码。选用的是满安五金公司生产的5 寸重型台虎钳，总质量为11 kg。为了系统的稳定性且不影响实验试件的自由运动，台虎钳的质量相较于实验试件应该足够大。

（2）90 度角码的作用是连接并稳定实验试件，一头使用螺母固定实验试件，一头夹在钳口里面。因为台虎钳的钳口朝上而实验试件为横向放置。

（3）M10 螺母是为了固定角码和实验试件。

（4）实验试件已在上节介绍。

（5）砝码的作用是为了给实验试件一个初始速度。

（6）信号调理电路板为定制的电路板。

（7）数据采集卡选用的是NI 公司的USB-6001。

（8）装有数据采集软件的计算机为个人电脑。

2 过程讨论

2.1 实验步骤

将实验系统按图示正确连接好之后，用轻绳将砝码系在悬臂梁的自由端。将测振控制器接上电源，速度解码口连接到数据采集卡，然后将数据采集卡通过USB接口连接到PC机。实验证明，将控制器的速度档位设置成50 mm/s/V 得到的结果较为良好。然后将激光测振仪通过专用光缆连接到测振控制器，最后调节光纤探头聚焦，确保打在悬臂梁上的激光能够反射回探头，测振控制器里有个信号指示灯，当反射回光纤探头的信号达到要求时，就可以开始振动实验了。打开PC 机运行Labview 程序。点击前面板的开始采集按钮启动数据采集，待系统稳定之后，然后马上用剪刀剪短细绳，此时悬臂梁会做自由振动，光纤传感器将振动信号转化为模拟电压信号输出到PC 机[10]。待悬臂梁恢复到平稳状态之后，点击前面板的停止采集按钮，然后保存数据。

2.2 实验结果

2.2.1 Q235 碳钢悬臂梁

以下数据均为在采样率设置为500 S/s 的条件下采集得到，在剪短细绳之后，悬臂梁在竖直方向上做往复衰减运动。由于是先启动上位机的数据采集程序，然后再剪短细绳。所以有些时域信号一开始几乎处于0 的位置。待系统稳定下来之后，结束数据采集程序。把数据导出至Excel，采用Python 做数据分析。

图5 ～7 分别为试件A、B、C 的实验结果。从图中时间信号可以看出，悬臂梁从振动状态恢复至平稳状态随着损伤的程度越大恢复时间越长。这是由于损伤的存在导致刚度下降，所以恢复的时间变长。健康悬臂梁从非平衡位置恢复到平衡位置所消耗的时间，几乎是有损伤悬臂梁的1/3。这也从侧面说明，当结构出现损伤时稳定性也会一定程度上降低几个数量级。从频域的角度看，A、B、C 3个试件中，每个频域图都出现了极大值，这与上述相关理论知识是相符的。其中C 的固有频率最高，为57.72 Hz，对应的是健康状态下的悬臂梁的固有频率，A 的固有频率最低，为46.32 Hz。随着损伤的程度越大，对应固有频率降低，从而以固有频率的降低为指标，判定结构是否发生损伤。实验结果说明，通过固有频率来监测结构损伤是可行的，也与实际理论相对应。

频谱图中，每个实验试件固有频率点对应的幅值都比较大，这是因为在数据处理的过程中，没有对幅值做归一化处理，而且幅值也不是主要的关注对象，因此每个实验试件固有频率所对应的幅值都比较大。

2.2.2 6 061 铝板悬臂梁

为了分析不同材料对于固有频率识别损伤的可靠性，搭建了铝合金材料的实验系统，获取了铝合金材料在同样条件下的振动特性。图8 ～10 分别为试件D、E、F 的实验结果。从图中可以看出，健康状态下的铝合金悬臂梁的固有频率比碳钢高。结合其他两种不同损伤情况的悬臂梁可以看出，铝合金悬臂梁从非平衡状态恢复至平衡状态的时间相较于碳钢要稍长一些，这是因为铝合金的弹性模量远低于碳钢的弹性模量。从频域上角度看，D、E、F 3 个试件中，其中F 的固有频率最高，为67.53 Hz，对应的是健康状态下铝合金悬臂梁的固有频率。D 的固有频率最低，为51.21 Hz。总体上符合随着损伤程度的增大，结构的固有频率明显降低这一规律。

3 结论

本文利用光纤传感器，通过Labview 编写数据采集系统，搭建了一套能够实时监测悬臂梁振动信号的结构健康监测系统。经过实验验证，可以准确提取结构的振动信号并提取损伤特征。对于碳钢材料悬臂梁，健康状态下提取的固有频率是57.72 Hz。当发生损伤时，下降到54.26 Hz。当损伤进一步扩大时，固有频率下降为46.32 Hz。当悬臂梁材料为铝合金时，也得出了类似的结论。

该结构健康监测系统利用多普勒原理计算结构的振动速度或位移，输出精度高。本文说明依据固有频率识别结构损伤的可靠性，可在更复杂的结构损伤识别情况中推广。