基于光纤光栅传感的液压管路裂纹检测研究

作     者：蔡林 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周祖德

授予年度：2018年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：液压管路 裂纹检测 光纤光栅传感 多重分形 

摘      要：作为液压系统的重要组成部分,液压管路的安全运行是液压系统正常工作的重要保障,然而在实际工作中,液压管路故障时有发生,主要故障之一正是裂纹。裂纹的萌生及扩展极有可能威胁管路,乃至整个液压系统的安全,因此,对液压管路进行裂纹检测具有十分重要的意义。相较于经典的裂纹检测手段,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)因其环境适应力强、分布式多点测量等突出优势在进行液压管路裂纹检测时效果更佳。此外,如何根据采集到的光纤光栅信号有效地进行液压管路裂纹的程度区分、位置判定等等,是裂纹检测中的重点及难点。本文以液压管路为研究对象,基于FBG采集不同工况下液压管路裂纹应变信号,利用多重分形及其改进算法等方法进行裂纹检测研究,达到判断裂纹位置、程度、裂纹扩展趋势等目的,主要研究工作如下:(1)基于ANSYS的液压管路裂纹仿真。以液压管路裂纹产生机理为理论基础,通过ANSYS软件进行液压管路裂纹仿真,得到不同状态下管路应变信号。通过研究和比较多重分形方法、小波分析方法以及经验模态分解方法的优缺点,以裂纹仿真信号为分析对象,提取各类表征裂纹程度的有效特征参数,进行不同方法的裂纹检测性能仿真比较分析,为实际液压管路裂纹检测提供指导依据。(2)基于FBG传感的液压管路动态裂纹检测研究。通过单点FBG应变传感器采集健康状态至贯穿性裂纹故障状态动态变化过程中的液压管路信号,在进行FBG温度和应变解耦、去噪等预处理后得到有效的液压管路应变信号。利用小波变换、经验模态分解及多重分形方法进行信号分析,提取有效故障特征,研究裂纹扩展规律,为判断液压管路泄漏提供依据。分析比较各种信号分析方法,结果表明,基于多重分形去趋势分析的多重分形方法能更准确、高效地进行液压管路裂纹检测。(3)基于分布式FBG传感的液压弯管裂纹检测研究。通过分布式FBG应变传感器得到健康状态及多个裂纹程度故障状态的复杂液压管路多点信号,结合光纤光栅分布式的特点,改进多重分形去趋势波动分析算法,将分布式应变信号处理转换为图像处理。在进行有效预处理后,利用改进多重分形算法进行液压管路裂纹检测,区分裂纹的程度,判定裂纹的位置。对比分析一维多重分形方法结果,改进的多重分形方法裂纹检测性能更优,对于裂纹程度灵敏度及位置的检测效果更明显。