超声激励光纤光栅在智慧交通中结构损伤检测的理论与应用

本文深入探讨了物联网在智慧交通领域的应用，特别是聚焦于超声激励光纤光栅传感检测技术的相关理论与实践。这项技术结合了光纤光栅(Fiber Bragg Gratings, FBG)的电磁干扰抗性和分布式传感优势，以及超声波的定向性和穿透性，用于结构损伤的精确检测。尽管在国外已有多所高校和研究机构对此进行研究，但在中国仍属新兴领域。 论文首先概述了超声激励下FBG的高速解调技术，这项技术的关键在于快速解析FBG反射波长变化，以捕捉到结构内部的微小损伤信息。它在复合材料和金属材料损伤监测中的应用已经展现出显著效果。研究者关注到机械结构中超声波的声场分布特性，强调了FBG应沿声波传播方向布置在远离声源但接收远场信号的区域，以优化监测效果。 论文进一步研究了超声波在铝合金等材料中的传播特性，包括频散曲线与入射角对检测性能的影响，为选择合适的探头参数提供了理论基础。通过仿真分析，论文确定了在超声源激励下，如何合理布设FBG以获取结构各部位的应力和应变数据。 针对实际应用，文章设计并比较了两种解调系统：匹配滤波解调系统和基于可调激光光源的FBG解调系统。前者基于固定频率，后者则更具灵活性。作者推导了这两种系统中输出电压与测量应变的关系，并在超声清洗槽振动信号测量中进行了实际验证，结果显示可调激光光源系统在金属板件的兰姆波信号检测上具有更高的灵敏度和解调速度。 最后，论文提出了粘贴型FBG在超声激励下的应变传递模型，利用剪滞理论解析了应变从基体传递至纤芯的过程。通过仿真，研究者揭示了超声波频率、胶层厚度以及材料特性对应变传递效率的影响，为实际应用中提高检测精度提供了理论支持。 本论文通过理论分析和实验研究，为超声激励光纤光栅传感在智慧交通中的机械结构损伤检测提供了关键技术，对于提升我国在这一领域的研究水平和实际应用具有重要意义。