用于检测和监控扩散经过结构的裂纹的传感器装置 |
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| 申请号 | CN201180063970.0 | 申请日 | 2011-10-27 | 公开(公告)号 | CN103282759A | 公开(公告)日 | 2013-09-04 |
| 申请人 | 西门子能量股份有限公司; | 发明人 | R.T.约翰斯通; | ||||
| 摘要 | 提供了一种 传感器 装置，用于检测并监控扩散经过一结构的裂纹。传感器装置包括： 光源 装置；检测器结构；以及具有近端和远端的多个光导 纤维 。纤维可以彼此间隔开，并与该结构相联，使得当裂纹扩散经过该结构时，一个或多个光导纤维被裂纹破坏。光导纤维可以在纤维近端处接收光，并且光导纤维可以在纤维远端上具有涂层，该涂层能够导致光朝向纤维近端返回。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于检测并监控扩散经过一结构的裂纹的传感器装置，包括： |
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| 说明书全文 | 用于检测和监控扩散经过结构的裂纹的传感器装置技术领域背景技术[0002] 美国专利申请公报2009/0262331公开了一种包括光导纤维束、光电检测器和光源的裂纹检测系统。光导纤维束可以位于诸如风力涡轮机转子叶片等工程结构的外表面上。光脉冲被提供给光导纤维束。如果裂纹形成在叶片中，一个或多个纤维束可被损坏，造成光被反射回一个或多个相应的光电检测器。如果纤维束未损坏，则脉冲光将穿越纤维束并离开另一端。在另一实施例中，检测器位于纤维束的与近光源端相对的端部处。如果纤维束因形成于叶片中的裂纹而被损坏，则相应的光电检测器将感测到通过纤维束的光量减少。 发明内容[0003] 根据本发明的第一方面，提供了一种传感器装置，用于检测并监控扩散经过一结构的裂纹。传感器装置包括：光源装置；检测器结构；以及具有近端和远端的多个光导纤维。纤维可以彼此间隔开，并与该结构相联，使得当裂纹扩散经过该结构时，一个或多个光导纤维被裂纹破坏。光导纤维可以在纤维近端处接收光，并且光导纤维可以在纤维远端上具有涂层，该涂层能够导致光朝向纤维近端返回。所述光导纤维中未破坏的光导纤维使光以高强度返回到检测器结构。 [0004] 纤维可以结合至该结构。 [0005] 纤维可以纳入到该结构中。 [0006] 纤维可以定位在形成于该结构中的相应的凹槽中。 [0007] 纤维可以以基本上垂直于预期裂纹方向的平行栅格模式定位。 [0008] 在一个实施例中，末端或远端涂层包括荧光涂层和磷光涂层之一。检测器结构可以包括：第一聚焦光学器件，用于将光聚焦到纤维之一中，并将返回光从一根纤维提供至分束器；所述分束器，用于从第一聚焦光学器件沿检测路径引导返回光；过滤器，用于阻止沿检测路径传播的照射激光，同时允许返回光通过；以及第二聚焦光学器件，用于将返回光朝向传感器阵列聚焦。传感器阵列中的一个元件检测返回光，并产生对应于一根光导纤维的检测信号。检测器结构还包括联接到传感器阵列、用于接收并处理检测信号的处理系统。传感器阵列可以包括CCD阵列或光电检测器阵列，并且处理系统可以包括基于微处理器的数据系统或计算机化数据采集系统。 [0009] 对应于结构温度的纤维远端处温度可以基于返回光的强度由处理器确定。 [0010] 替代地，对应于结构温度的纤维远端处温度可以基于返回光的衰减由处理器确定。 [0011] 处理器可以产生输出信号或视觉显示，所述输出信号或视觉显示将检测到的已损坏纤维的数量关联到裂纹的长度。 [0012] 在另一实施例中，涂层可以包括反射涂层。光源可以包括脉冲激光。检测器结构可以包括：第一聚焦光学器件，用于将光聚焦到纤维之一中，并将返回光从一根纤维提供至分束器；所述分束器，用于从第一聚焦光学器件沿检测路径引导反射光；第二聚焦光学器件，用于将反射光朝向传感器阵列聚焦；以及联接到传感器阵列的处理系统。传感器阵列中的一个元件可以检测反射光，并产生对应于一根光导纤维的检测信号。处理系统接收并处理检测信号。 [0013] 根据本发明的第二方面，提供了一种传感器装置，用于检测并监控扩散经过一结构的裂纹。传感器装置包括：光源装置；检测器结构；以及包括第一光导纤维和第二光导纤维的多个光导纤维对。纤维对可以彼此间隔开，并与该结构相联。第一光导纤维接收光，并且当一对第一纤维和第二纤维未损坏时，相应的第二光导纤维使光以高强度返回到检测器结构。 [0014] 在一个实施例中，第一光导纤维和第二光导纤维包括由连续环形成的连续光导纤维。 [0016] 图1示意性地示出了一结构以及联接到该结构、用于检测并监控扩散经过该结构的裂纹的传感器装置； [0017] 图2A是穿过该结构截取的横截面图，示出了多个结合到该结构外表面的光导纤维； [0018] 图2B是穿过该结构截取的横截面图，示出了多个位于凹槽内并结合到该结构的光导纤维； [0019] 图3是穿过该结构截取的横截面图，示出了多个纳入到该结构中的光导纤维； [0020] 图4是示出根据本发明第一实施例构造的传感器装置的框图，其中光导纤维的端部涂覆有磷光或荧光涂层； [0021] 图5是示出根据本发明第二实施例构造的传感器装置的框图，其中光导纤维的各端部涂覆有反射涂层； [0022] 图6是示出根据本发明第三实施例构造的传感器装置的框图，其中提供了纤维对；以及 [0023] 图6A示意性地示出了一结构以及联接到该结构、用于检测并监控扩散经过该结构的裂纹的图6中传感器装置的一部分。 具体实施方式[0024] 在图1和4中示出了根据本发明第一实施例构造的传感器装置10，用于检测并监控扩散经过一结构100的裂纹C。结构100可以包括风车中的叶片、燃气轮机发动机中的轮盘或叶片、飞机中的窗框、飞机的机身等。 [0025] 传感器装置10包括：光源装置20、检测器结构30和多个光导纤维40。在图1和图2A所示的实施例中，光导纤维40比如使用常规环氧树脂或胶结物通过结合而联接到结构100在预期裂纹萌生区域中的外表面100A。优选地，纤维40以基本上垂直于预期裂纹方向的平行栅格模式定位，见图1。在图1中，裂纹C示出为扩散经过结构100。图1中的光导纤维40彼此间隔开，并通常定位成在大致垂直于裂纹C传播方向的方向上延伸。 [0026] 在图2B所示的第一替代实施例中，光导纤维40定位在凹槽1000B中，凹槽1000B形成于结构1000的外表面1000A中。纤维40如通过常规环氧树脂或胶结物而结合于凹槽1000B内。 [0027] 在图3所示的第二替代实施例中，光导纤维40纳入到结构1100中。 [0028] 光导纤维40具有近端40A和远端40B，分别见图1和4。在图1和4的实施例中，光导纤维远端40B涂覆有磷光或荧光涂层，诸如铕(Ⅲ)噻吩三氟丙酮(thenoyl trifluoroacetonate)、也被称为EuTTA、荧光材料，钌(Ⅱ)双(2,2:6,2-三联吡啶)、也被3+ 称为Ru(trpy)、荧光材料或YAG：Cr材料(Y3Al5O12:Cr )、磷光材料。一旦暴露于传入或照射的光或射线，则远端40B上的磷光或荧光涂层被激发，从而以与照射光的波长不同的波长、即以转换的波长来发出光。 [0029] 当裂纹C扩散经过结构100时，直接定位在结构100中裂纹C上的一个或多个光导纤维40将被结构100中的裂纹C破坏。光导纤维40中的这种破裂由沿纤维40长度的轴向应变造成。如果光导纤维40被破坏，则照射光将不会穿越光导纤维40中的破裂处而到达纤维远端40B；或者如果光穿越了破裂处，则其强度将显著减弱。但是，如果纤维40未被破坏，则照射光将沿纤维40的整个范围传播到纤维远端40B，这将因纤维远端40B涂覆有磷光或者荧光涂层而使光以不同于照射光波长的波长返回。返回光沿着与照射光相同的光导纤维40传播，并从远端40B移向近端40A。 [0030] 在所示实施例中，光源装置20包括多个发光二极管(LED)20A。更具体地，单一LED20A被提供给每个光导纤维40，见图1和4。或者，应设想，光源装置可以包括与光导纤维40所提供数量相对应的数量的各激光器(未示出)，或者包括将光提供给所有光导纤维40的单一激光器。因为返回光的波长与照射光的波长不同，在该实施例中，LED20A在操作传感器装置10期间可以连续地或间歇地进行操作。 [0031] 在图1和4所示的实施例中，检测器结构30包括一对一用于光导纤维40的多个分束器32、一对一用于光导纤维40的多个第一聚焦光学器件33、一对一用于光导纤维40的多个第二聚焦光学器件34、一对一用于光导纤维40的多个过滤器36以及一对一用于光导纤维40的多个光电检测器38。用于给定光导纤维40的每组分束器32、第一聚焦光学器件33、第二聚焦光学器件34和过滤器36在本文中指的是光学输入/输出单元33，见图4。 [0032] 每个分束器32允许一部分照射光从相应的LED20A穿过，用于照射其相应的光导纤维40。在穿过分束器32之后，光穿过第一聚焦光学器件33，它使光聚焦，使得光进入相应的光导纤维40。第一聚焦光学器件33可以包括常规的球透镜。纤维40邻近其相应的第一聚焦光学器件33定位，以接收来自第一聚焦光学器件33的照射光，并使返回光通向第一聚焦光学器件33。如上所述，返回光沿着每个光导纤维40从纤维远端40A传向纤维近端40。返回光在离开给定光导纤维40的近端40A之后穿过其相应的第一聚焦光学器件33和分束器32。分束器32沿着检测路径DP引导一部分返回光。由于返回光沿着检测路径DP传播，它穿过相应的第二聚焦光学器件34、相应的过滤器36，并被相应的光电检测器38接收。第二聚焦光学器件34中的每一个可以包括聚焦透镜，用于将返回光聚焦到相应的光电检测器38上。每个过滤器36的功能是阻止可沿检测路径DP传播的照射光，同时允许返回光从中穿过。每个光电检测器38的功能是感测返回光，并在感测到返回光时产生相应的检测信号，该检测信号表明返回光已由相应的光导纤维40射出。 [0033] 当由光电检测器38感测到返回光处于高强度时，这表明其相应的光导纤维40未被破坏。当传感器装置10的安装随着所有光导纤维40未被破坏而发生时，可以确定“高强度”返回光的值或大小，使得当传感器装置10被最初安装并且所有纤维40未被破坏时，“高强度”返回光具有的大小基本上等于用于返回光的大小。为返回光前进所做出的所有测量将相对于最初的“未破坏纤维”或最初的“高强度”返回光水平。还应设想，可以确定阈值大小，低于该阈值大小则返回光被认为是不再处于高强度，而是处于显著下降的强度。可以在实验室中使用已破坏纤维的样品、并且确定能够通过已破坏纤维样品的光强度来确定阈值大小。略大于通过已破坏纤维的光强度平均大小的光强度幅值将定义阈值大小。例如，如果返回光感测到低于阈值大小，它可以是初始返回光的高强度大小的10％，则该返回光可以认为是不处于高强度，而是处于显著下降的强度。未破坏光导纤维40表明在结构100中该光导纤维40的位置处没有裂纹。当返回光没有被光电检测器38感测到或感测到处于显著下降的强度时，这表明光导纤维40被破坏，继而表明结构100中的裂纹C已经扩散到该光导纤维40位置处的一点。 [0034] 光电检测器38可以由以下限定：电荷耦合器件(CCD)阵列、光电检测器阵列、未组合成阵列的各光电检测器或者能够感测返回光的任何其它传感器装置。 [0035] 检测器结构30还可以包括联接到光电检测器38、用于接收并处理检测信号的处理系统50。处理系统50可以包括：模数转换器，用于使来自光电检测器38的电信号数字化；基于微处理器的数据系统、计算机化数据采集系统等处理装置，用于接收来自模数转换器的数字化信号并相应地加以显示。 [0036] 如上面所讨论的，光导纤维被彼此间隔开，并与结构100相联。由于裂纹C扩散经过结构100，一个或多个光导纤维40可被裂纹C破坏。基于如通过光导纤维的相应光电检测器38从那些光导纤维40未感测到返回光或者感测到返回光处于显著下降强度所表明的已破坏光导纤维40的数量，以及基于使处于高强度的返回光射向光导纤维的相应光电检测器38的光导纤维40的数量，处理系统50可生成并显示数据，该数据表明结构100中裂纹C的位置和长度。如上所述，当返回光未被光电检测器38感测到，或者感测到处于显著下降的强度时，这表示其相应的光导纤维40被损坏或被破坏。 [0037] 在图1和4所示的实施例中，当LED20A被连续操作时，基于由光导纤维40射出的返回光强度，其中光导纤维40具有涂覆有磷光或荧光涂层的远端40A，对应于结构100温度的光导纤维远端处温度可以由处理系统50确定。 [0038] 在图1和4所示的实施例中，当LED20A被脉冲调制或间歇地操作时，基于由光导纤维40射出的返回光衰减，其中光导纤维40具有涂覆有磷光或荧光涂层的远端40A，对应于结构100温度的光导纤维远端处温度可以由处理系统50确定。 [0039] 根据图5中所示的本发明第二实施例，其中图1和4中实施例与图5中实施例的共同元件由相同标记表示，传感器装置101被提供用于检测并监控扩散经过结构100的裂纹。 [0040] 在该实施例中，传感器装置101包括光源装置、检测器结构130以及多个光导纤维140(只有单根光导纤维140在图5中示出)。以图1中光导纤维40联接到结构100的相同方式，多个光导纤维140比如使用常规环氧树脂或胶结物通过结合而联接到结构在预期裂纹萌生区域中的外表面。优选地，纤维140以基本上垂直于预期裂纹方向的平行栅格模式定位。 [0042] 当裂纹C扩散经过结构100时，直接定位在结构100中裂纹C上的一个或多个光导纤维140将被结构100中的裂纹C破坏。光导纤维140中的这种破裂由沿纤维140长度的轴向应变造成。如果光导纤维140被破坏，则照射光将不会穿越光导纤维140中的破裂处到达纤维远端140B；或者如果光穿越了破裂处，则其强度将显著减弱。但是，如果纤维140未被破坏，则照射光将沿纤维140的整个范围传播到纤维远端140B，这将因纤维远端140B涂覆有反射涂层而使光以与照射光波长的大致相同波长返回。返回光/反射光沿着与照射光相同的光导纤维140传播，并从远端140B向近端140A移动。 [0043] 在所示实施例中，光源装置包括多个发光二极管(LED)20A。更具体地，单一LED20A被提供给每个光导纤维140，见图5。优选地，在该实施例中，LED20A在操作传感器装置101期间被间歇地操作，即被脉冲调制。 [0044] 在图5所示的实施例中，检测器结构130包括一对一用于光导纤维140的多个分束器(未示出)、一对一用于光导纤维140的多个第一聚焦光学器件(未示出)、一对一用于光导纤维140的多个第二聚焦光学器件(未示出)以及一对一用于光导纤维140的多个光电检测器138。用于给定光导纤维140的每组第一聚焦光学器件、分束器和第二聚焦光学器件在本文中指的是光学输入/输出单元133，见图5。 [0045] 每个分束器允许一部分照射光从相应的LED20A穿过，用于照射其相应的光导纤维140。纤维140邻近其相应的第一聚焦光学器件定位，以接收来自第一聚焦光学器件的照射光，并使反射光通向第一聚焦光学器件。反射光沿着每个光导纤维140从纤维远端140B传向纤维近端140A。反射光在离开给定光导纤维140的近端140A之后穿过其相应的第一聚焦光学器件并进入到其相应的分束器中。分束器沿着检测路径DP引导一部分反射光。由于反射光沿着检测路径DP传播，它穿过相应的第二聚焦光学器件，并被相应的光电检测器138接收。每个光电检测器138的功能是感测反射光，并在感测到反射光时产生相应的检测信号，该检测信号表明反射光已由相应的光导纤维140射出。在下面指出的处理系统 50会寻找在时间间隔/窗口期间发生的检测信号，该时间间隔/窗口被定义为紧接在产生照射光束之后发生的预定时间周期。 [0046] 应设想，其它的光电检测器139可以被提供用于感测由相应的LED20A所产生的光，从而确认每个LED20A是可工作的。 [0047] 当在时间间隔/窗口期间由光电检测器138感测到反射光处于高强度时，这表明其相应的光导纤维140未被破坏。如上面所讨论的，当传感器装置101的安装随着所有光导纤维140未被破坏而发生时，可以确定“高强度”返回光的值或大小，使得当传感器装置101被最初安装并且所有纤维140未被破坏时，“高强度”返回光具有的大小基本上等于用于返回光的大小。未损坏光导纤维140表明在结构100中该光导纤维140的位置处没有裂纹。当在时间间隔/窗口期间反射光没有被光电检测器138感测到，或者反射光被感测到处于显著下降的强度时，这表明光导纤维140被破坏，继而表明结构100中的裂纹C已经扩散到该光导纤维140位置处的一点。 [0048] 光电检测器可以由以下限定：电荷耦合器件(CCD)阵列、光电检测器阵列、未组合成阵列的各光电检测器或者能够感测返回光的任何其它传感器装置。 [0049] 检测器结构130还可以包括联接到光电检测器、用于接收并处理检测信号的处理系统50。处理系统50可以包括：模数转换器，用于使来自光电检测器138的电检测信号数字化；基于微处理器的数据系统、计算机化数据采集系统等处理装置，用于接收来自模数转换器的数字化信号并相应地加以显示。 [0050] 如上面所讨论的，光导纤维被彼此间隔开，并与结构100相联。由于裂纹C扩散经过结构100，一个或多个光导纤维140可被裂纹C损坏或破坏。基于如在时间间隔/窗口期间通过光导纤维的相应光电检测器从那些光导纤维140未感测到返回光或者感测到光处于显著下降强度所表明的已破坏光导纤维140的数量，以及基于在时间间隔/窗口期间使处于高强度的返回光射向光导纤维的相应光电检测器的光导纤维140的数量，处理系统50可生成并显示数据，该数据表明结构100中裂纹C的位置和长度。如上所述，当在时间间隔/窗口期间反射光未被光电检测器感测到，或者感测到光处于显著下降的强度时，这表示其相应的光导纤维140被损坏或被破坏。 [0051] 根据图6和6A中所示的本发明第三实施例，其中图1和4中实施例与图6、6A中实施例的共同元件由相同标记表示，传感器装置200被提供用于检测并监控扩散经过结构100的裂纹。 [0052] 在该实施例中，传感器装置200包括光源装置、检测器结构230以及包括第一光导纤维242和第二光导纤维244的多个光导纤维对240(只有单一对240在图6中示出)。多个光导纤维对240比如使用常规环氧树脂或胶结物通过结合而联接到结构100在预期裂纹萌生区域中的外表面100A，见图6A。优选地，纤维对240以基本上垂直于预期裂纹方向的平行栅格模式定位。更具体地，第一光导纤维242和第二光导纤维244构成的对240彼此间隔开，并以平行栅格模式定位，见图6A。 [0053] 光导纤维242和244包括近端242A和244A以及远端242B和244B。镜体结构或反射器245与每对第一光导纤维242和第二光导纤维244相联，见图6A。反射器245邻近第一纤维242和第二纤维244的远端242B和244B定位，以便将离开第一纤维远端242B的照射光反射到第二纤维远端244B中。 [0054] 当裂纹C扩散经过结构100时，直接定位在结构100中裂纹C上的一个或多个光导纤维242和244将被结构100中的裂纹C破坏。光导纤维242、244中的这种破裂由沿纤维242、244长度的轴向应变造成。如果光导纤维242和244被破坏，则照射光将不会穿越光导纤维242和244中的破裂处；或者光在强度上将显著减弱。但是，如果纤维对240的第一纤维242和第二纤维244未被破坏，则照射光将沿第一纤维242的整个范围传播到第一纤维远端242B。然后，相应的反射器245将使光反射到第二光导纤维244的远端244B中，在那里它将沿第二纤维244的整个范围传播，并离开第二光导纤维244的近端244A。 [0055] 在所示实施例中，光源装置包括多个发光二极管(LED)20A。更具体地，单一LED20A被提供给每个光导纤维对240，见图6。在该实施例中，LED20A在操作传感器装置200期间被连续地或间歇地操作，即被脉冲调制。 [0056] 在图6所示的实施例中，检测器结构230包括一对一用于光导纤维对240的多个第一聚焦光学器件(未示出)、一对一用于光导纤维对240的多个第二聚焦光学器件(未示出)以及一对一用于光导纤维对240的多个光电检测器238。用于给定光导纤维对240的每组第一聚焦光学器件和第二聚焦光学器件在本文中指的是光学输入/输出单元233，见图6。每个第一聚焦光学器件和第二聚焦光学器件可以包括常规的球透镜。 [0057] 每个第一聚焦光学器件使一部分照射光从相应的LED20A聚焦，使得它通向其相应的第一光导纤维242中。第一纤维242邻近其相应的第一聚焦光学器件定位，以接收来自第一聚焦光学器件的照射光，而其相应的第二光导纤维244使反射光通向第二聚焦光学器件。反射光沿着每个第二光导纤维244从第二纤维远端244B传向第二纤维近端244A。反射光在离开给定第二光导纤维244的近端244A之后穿过其相应的第二聚焦光学器件。第二聚焦光学器件将反射光引导到相应的光电检测器238上。每个光电检测器238的功能是感测返回光，并在感测到返回光时产生相应的检测信号，该检测信号表明返回光已由相应的第二光导纤维244射出。 [0058] 当由光电检测器238感测到反射光处于高强度时，这表明其相应的第一光导纤维242和第二光导纤维244未被破坏。如上面所讨论的，当传感器装置200的安装随着所有光导纤维242、244未被破坏而发生时，可以确定“高强度”返回光的值或大小，使得当传感器装置200被最初安装并且所有纤维242、244未被破坏时，“高强度”返回光具有的大小基本上等于用于返回光的大小。未破坏的第一光导纤维242和第二光导纤维244表明在结构 100中该光导纤维对240的位置处没有裂纹。当返回光没有被光电检测器238感测到或感测到处于显著下降的强度时，这表明光导纤维对240的第一光导纤维242和第二光导纤维 244中一或两个被破坏，继而表明结构100中的裂纹C已经扩散到该光导纤维对240位置处的一点。 [0059] 光电检测器可以由以下限定：电荷耦合器件(CCD)阵列、光电检测器阵列、未组合成阵列的各光电检测器或者能够感测返回光的任何其它传感器装置。 [0060] 检测器结构230还可以包括联接到光电检测器、用于接收并处理检测信号的处理系统50。处理系统50可以包括：模数转换器，用于使来自光电检测器238的电信号数字化；基于微处理器的数据系统、计算机化数据采集系统等处理装置，用于接收来自模数转换器的数字化信号并相应地加以显示。 [0061] 如上面所讨论的，光导纤维对240被彼此间隔开，并与结构100相联。由于裂纹C扩散经过结构100，一个或多个光导纤维242、244可被裂纹C破坏。基于具有第一光导纤维242和/或第二光导纤维244的光导纤维对240被破坏的数量，处理系统50可生成并显示数据，该数据表明结构100中裂纹C的位置和长度。 [0062] 代替反射器245，每对第一光导纤维242和第二光导纤维244可以包括具有一环的单根光导纤维，该环将第一光导纤维242和第二光导纤维244接合在一起。因此，每个单根光导纤维包括由环连接的第一光导纤维和第二光导纤维，其中第一光导纤维和第二光导纤维相邻定位并大致平行于彼此。照射光进入单根光导纤维的近端，并可离开单根光导纤维的远端，并且由相应的检测器238感测。各自具有环的多个单根纤维以基本上垂直于预期裂纹方向的平行栅格模式定位。 |
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