一种激光测振系统和非接触式损伤监测方法

技术领域

本发明属于损伤监测技术领域，具体涉及一种激光测振系统和非接触式损伤监测方法。

背景技术

随着时间的推移，一些在役工业建筑结构会因自然老化、过度使用、维护不当或自然灾害等因素影响出现不同程度的损伤，这些损伤会影响工业建筑结构的使用寿命的安全性，因此对于在役工业建筑结构的损伤监测尤为重要。

当前主要的损伤监测方法主要包括两类，第一类方法是传统的接触式损伤监测，该类方法主要依赖于压电传感器，该类方法主要存在如下问题：1)压电传感器采集的信号带宽较窄，无法满足宽频带动态响应测量的需求，为后续损伤多特征参数的提取和分析带来了限制；2)压电传感器需要附着在建筑结构体表面，为结构体带来了附加质量，从而引入测量误差，降低测量的准确性；3)环境温度和环境压强等外在因素的变化还会导致传统的激励、传感单元发生微弱形变从而影响测量精度。第二类方法是非接触式损伤监测，该类方法主要采用激光测量系统进行损伤监测，不过当前的激光测量系统组成复杂且搭建难度大，现有的集成了激光测量系统和数据处理系统的损伤监测系统产品一般体积较大且成本也较高，技术人员一般在实验室环境下进行系统搭建或组装购买的损伤监测系统产品，再预制或采样待监测对象，利用搭建好的激光测量系统或购买的损伤监测系统产品对预制或采样待监测对象进行损伤监测。因此当前非接触式损伤监测方法主要适用于实验室环境下的损伤监测，不太适用于对工业生产环境下在役建筑结构的损伤监测。同时由于不能对待监测对象进行现场直接监测，忽略了待检测对象所处环境对监测结果的影响，因此该类方法监测结果缺乏真实性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光测振系统和一种非接触式损伤监测方法。

本发明的技术方案如下：

一种激光测振系统，包括激光光源、1/2波片、聚焦透镜、1/4波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、双凸透镜、光电探测器和第一反射镜和第二反射镜；

所述激光器发出的激光经1/2波片后偏振方向水平，再经垂直入射偏振分光棱镜形成偏振方向相互垂直的两束光，包括偏振方向垂直的信号光与偏振方向水平的参考光；

所述信号光依次经1/4波片、聚焦透镜后在被测振动对象表面形成光斑并发生散射，携带被测振动对象振动信息的散射光束再依次经聚焦透镜、1/4波片后形成水平方向的偏振光束并入射分光棱镜；

所述参考光依次经第一反射镜、第二反射镜和分光棱镜后与偏振方向水平的信号光汇合，汇合的光束并经双凸透镜聚焦后在光电探测器上充分干涉，光电探测器输出信号光与参考光的干涉信号。

进一步地，所述激光器发出激光的光电琼斯矢量为

式中，A

进一步地，所述参考光的光电琼斯矢量为

所述信号光的光电琼斯矢量为

式中，

进一步地，所述光电探测器输出的干涉信号的光电琼斯矢量为

进一步地，所述光电探测器输出的干涉信号对应的多普勒信号为

式中，α为光电系数；

一种非接触式损伤监测方法，采用上述的激光测振系统，包括：

利用冲击装置在被测振动对象表面进行冲击，形成包括被测振动对象振动信息的声波信号；

利用所述激光测振系统对所述声波信号进行捕捉；

对捕捉到的声波信号进行放大以及小波变换，得到损伤信号；

对损伤信号进行辨识。

进一步地，所述对损伤性进行辨识可基于信号处理方法、力学模型或数学方法从损伤性中提取损伤特征参数对损伤进行辨识和评估。

进一步地，所述对捕捉到的声波信号进行放大采用信号放大器，所述信号放大器包括高通滤波器、低通滤波器和反相放大电路。

进一步地，所述低通滤波器采用二阶低筒滤波器。

进一步地，所述小波变换包括根据放大后的声波信号的特征选择小波基函数；对放大后的声波信号进行小波三层分解、降噪和重构。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种激光测振系统，该激光测振系统利用结构振动引起的相位和频率多普勒调制而导致的信号光与参考光干涉场变化，对干涉场进行解析进而获得振动信息，该激光测振系统的组成结构简单、搭建难度低且体积较小，技术人员可在在役建筑结构现场搭建并对在役建筑结构进行现场直接监测，考虑到在役建筑结构的探测位置受建筑结构整体的影响，因此该激光测振系统所获取信息准确性更高。

本发明提供一种非接触式损伤监测方法，该非接触式损伤监测方法利用外部冲击装置激振并诱发振动，并利用激光测振系统捕捉振动引起的包括被测振动对象振动信息的声波信号，再对该声波信号进行放大以及小波变换，得到损伤信号并辨识；该非接触式损伤监测方法将信号采集步骤和信号处理步骤解耦，利用组成结构简单、搭建难度低且体积较小的激光测振系统进行现场信号采集，然后可在任意地点再对采集的信号进行进一步放大、小波变换以及辨识处理，相比于现有利用集成了激光测量系统和数据处理系统的损伤监测系统产品进行损伤监测的方法，本发明方法操作更加方便，同时由于声波信号是在现场直接监测得到，因此所输出的监测结果更加准确。

本发明的非接触式损伤监测方法中的信号放大器设有二阶低通滤波器，因其过渡带更窄，由此信号幅度变化非常平坦。

本发明的非接触式损伤监测方法不仅适用于实验室环境下的损伤监测，还适用于工业生产环境下对在役建筑结构的损伤监测，尤其适用于土木、建筑、道桥、水利工程和航空航天的结构健康监测。

附图说明

图1为激光测量系统的原理图；

图2为非接触式损伤监测系统框图；

图3为非接触式损伤监测方法流程图；

图4为振动目标的多普勒频移示意图；

图5为损伤信号非接触式获取示意图；

图6为模拟损伤示意图；

图7为原始损伤信号结果图；

具体实施方式

实施例一：

本发明的一种激光测振系统，如图1所示，包括激光光源、1/2波片、聚焦透镜、1/4波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、双凸透镜、光电探测器和反射面相互垂直的第一反射镜和第二反射镜；其中，部分光学元件的参量以及对应的琼斯矩阵如下表1所示。

表1

如图1所示，该激光测振系统中，

共第一光轴依次设置激光光源、1/2波片和偏振分光棱镜；

共第二光轴依次设置聚焦透镜、1/4波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、双凸透镜和光电探测器；

共第三光轴依次设置第一反射镜和第二反射镜；

共第四光轴依次设置第二反射镜和分光棱镜；

其中第一光轴和第四光轴相互平行，第二光轴和第三光轴相互平行，第一光轴和第四光轴分别垂直于第二光轴；被测振动对象设置在偏振分光棱镜的反射光路上。

激光器发出的激光经1/2波片后偏振方向水平，再经垂直入射偏振分光棱镜形成偏振方向相互垂直的两束光，包括偏振方向垂直的信号光与偏振方向水平的参考光；

信号光依次经1/4波片、聚焦透镜后在被测振动对象表面形成光斑并发生散射，携带被测振动对象振动信息的散射光束再依次经聚焦透镜、1/4波片后形成水平方向的偏振光束并入射分光棱镜；

参考光依次经第一反射镜、第二反射镜和分光棱镜后与偏振方向水平的信号光汇合，汇合的光束并经双凸透镜聚焦后在光电探测器上充分干涉，光电探测器输出信号光与参考光的干涉信号。

本发明的激光测振系统组成结构简单、搭建难度低且体积较小，技术人员可在在役建筑结构现场搭建并对在役建筑结构进行现场直接监测，考虑到在役建筑结构的探测位置受建筑结构整体的影响，因此该激光测振系统所获取信息准确性更高。

实施例二：

本发明的一种非接触式损伤监测方法，该方法在零差干涉原理和激光多普勒效应的基础上，使用实施例一中的激光测振系统测量系统光路；并使用琼斯矩阵对激光测量系统进行了理论分析，便于后期从信号当中提取振动信息；如图2所示，本发明方法所采用的非接触式损伤监测系统具体包括实施例一中的激光测振系统、信号放大器、数据采集卡和计算机，如图3所示，该非接触式损伤监测方法包括如下步骤：

1)利用冲击装置在被测振动物体(本例中采用设有损伤的板结构)表面进行冲击，或被测振动对象结构自振，形成包括被测振动对象振动信息的声波信号，即声源；非接触式获取的原理如图4所示。

2)利用激光测振系统进行激光传感对声波信号进行捕捉；

3)利用信号放大器对捕捉到的声波信号进行放大并送入多功能数据采集设备，本例中多功能数据采集设备采用数据采集卡，数据采集卡将放大的声波信号送入软件平台以及上位机进行降噪滤波、时频域分析以及损伤分析，具体包括对放大的声波信号进行小波变换，得到损伤信号再对损伤信号进行辨识。

实施例三：

本例对本发明所涉及到的激光多普勒原理以及零差干涉原理进行说明如下：

如图4所示，波源S激发一束频率为f的激光照射在振动目标物体P表面，并在其表面发生散射。运动物体的速度方向与入射光和散射光的夹角分别为θ

一束激光经过分光棱镜对激光进行分束，被分束后的激光垂直照射在固定反光镜的表面，后又反射至光电探测器，这束光被称为参考光，光电矢量为E

本例还采用琼斯矩阵对本发明激光测振系统的光路进行分析如下：

其中，激光器发出激光的光电琼斯矢量

式中，A

参考光的光电琼斯矢量

信号光的光电琼斯矢量

式中，

光电探测器输出的干涉信号的光电琼斯矢量为

进而可以得出光电探测器输出的干涉信号对应的多普勒信号为

式中，α为光电系数；

实施例四：

本实施例在实施例二的基础上进一步设计在于：本例中基于现代信号处理方法、力学模型或数学方法从损伤信号中提取损伤特征参数对损伤信号进行辨识。

实施例五：

本实施例在实施例二的基础上进一步设计在于：本例中对捕捉到的声波信号进行放大采用信号放大器，信号放大器包括高通滤波器、低通滤波器和反相放大电路。其中，低通滤波器采用二阶低筒滤波器，因其过渡带更窄，由此信号幅度变化非常平坦。

实施例六：

本实施例在实施例二的基础上进一步设计在于：本例中小波变换包括：根据放大后的声波信号的特征选择小波基函数；对放大后的声波信号进行小波三层分解、降噪和重构。

应用实施例：

本例采用本发明的非接触式损伤监测方法对某建筑墙面进行损伤监测，该建筑墙面表观相对平整，

本例激光测振系统中的激光光源采用532nm单点固体激光器(功率0-300mW)，1/2波片、1/4波片、偏振分光棱镜和分光棱镜均可通过波长532nm的光，偏振分光棱镜的偏正参数与透射参数满足T

本例利用外部冲击来模拟墙面损伤，如图3和图6所示，具体包括如下步骤

1)利用冲击锤击打墙面上的模拟损伤点，激发出声波信号；

2)利用激光测振系统进行激光传感，激光探照点位于模拟损伤点(图中冲击损伤处)正上方10cm位置对声波信号进行捕捉；

3)利用信号放大器对捕捉到的声波信号进行放大并送入数据采集卡，其中，放大后的声波信号结果如图7所示，数据采集卡将放大的声波信号送入计算机进行识评操作，具体包括对放大的声波信号进行小波变换，得到损伤信号再对损伤信号进行辨识。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。