学术研究报告:基于OFDR应变测量技术的微裂纹识别方法与实验研究
一、研究团队与发表信息
本研究由西北核技术研究所强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室的Bin Chen、Jun Yang*、Dezhi Zhang、Wenxiang Liu、Jin Li和Min Zhang合作完成,发表于MDPI旗下期刊《Photonics》2024年第11卷第755期(2024年8月13日出版)。
二、学术背景与研究目标
微裂纹的尺寸和位置精确评估对结构安全至关重要,但传统检测技术(如超声波、机器视觉)受限于空间分辨率低(毫米级),难以定位微米级裂纹。光学光纤传感器因体积小、抗电磁干扰等优势被用于结构健康监测,但现有技术(如FBG准分布式传感、OTDR)仍无法满足微裂纹定量化需求。OFDR(光频域反射计)技术凭借毫米级空间分辨率和0.1 pm级识别精度,为微裂纹检测提供了新思路。本研究旨在通过OFDR技术结合两种光纤(聚酰亚胺涂层光纤PISOF和紧护套光纤TSSOF),建立微裂纹定位与宽度计算的系统方法,实现10 µm级精度的微裂纹特征捕获。
三、研究流程与方法
1. 实验设计与样本制备
- 研究对象:0.9 mm直径的TSSOF(紧护套光纤)和PISOF(聚酰亚胺涂层光纤)。
- 模拟裂纹装置:通过激光切割在钢板中部开槽,用环氧树脂胶将光纤垂直固定在钢板表面,通过微米差分头控制钢板位移(10–50 µm)模拟裂纹扩展。
OFDR应变测量
数据处理与模型建立
对比分析
四、主要研究结果
1. 定位精度验证
- 两种光纤在10–50 µm裂纹下均能准确定位,误差<2.5%(图11)。PISOF因直接感知应变环境,计算误差更小(表1)。
裂纹宽度计算
创新性发现
五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次结合OFDR与两种光纤特性,提出微裂纹定位与宽度的双参数检测方法,填补了传统技术无法定量化微裂纹的空白。
2. 应用价值
- 为混凝土、复合材料等结构的健康监测提供高精度技术方案,尤其适用于隐蔽或高危环境(如核设施)。
六、研究亮点
1. 方法创新:开发基于应变曲线积分的裂纹宽度计算模型,突破微米级检测瓶颈。
2. 技术对比:明确PISOF和TSSOF的适用场景——前者适合实验室高精度测量,后者适合工程现场定位。
3. 跨学科意义:将光纤传感与力学模型结合,为结构损伤监测提供新范式。
七、其他价值
实验中发现胶层厚度不均会影响PISOF应变峰值形态(图8b),提示未来需优化粘接工艺以提升数据一致性。