一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法，其目的在于檢測大型結(jié)構(gòu)體在受到外力或內(nèi)力時(shí)發(fā)生形變時(shí)的情況，對大型結(jié)構(gòu)體的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。所述測量方法為：光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)布置于待測結(jié)構(gòu)體上，利用光纖光柵應(yīng)變傳感器檢測結(jié)構(gòu)體所受到的應(yīng)變，利用光纖光柵溫度傳感器作應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償，將測得的離散應(yīng)變數(shù)據(jù)插值為多項(xiàng)式再進(jìn)行兩次積分，帶入初始條件后就得到結(jié)構(gòu)的變形曲線。本發(fā)明主要用于大型結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測，相比于利用傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片式測量結(jié)構(gòu)體應(yīng)變，本發(fā)明克服了電阻應(yīng)變片難以組網(wǎng)，易受電磁干擾，屏蔽電纜多而重的難點(diǎn)，十分適合大規(guī)模組網(wǎng)，對大型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行健康監(jiān)測。
【專利說明】一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu) 體變形測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器、航天器的不斷發(fā)展，大型化、復(fù)雜化、功能化逐漸成為了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā) 展的必然趨勢，這使得結(jié)構(gòu)自身的服役環(huán)境不斷復(fù)雜，結(jié)構(gòu)自身的損傷形式不斷多樣，由于 沖擊、振動、極端環(huán)境等因素引起的結(jié)構(gòu)損傷問題也不斷凸顯。對于大型工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi) 部裂紋、復(fù)合材料內(nèi)部斷裂、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕等主要損傷類型具有其損傷存在的隱蔽性較強(qiáng)、 損傷引起的結(jié)構(gòu)失效機(jī)理較復(fù)雜、損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞程度難以判斷等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使 得結(jié)構(gòu)在服役過程中的可靠性大幅降低，如在此情況下還不對其采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，將 會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成損傷累積現(xiàn)象，進(jìn)而促使整體或局部結(jié)構(gòu)發(fā)生突然失效，導(dǎo)致巨大的財(cái) 產(chǎn)損失以及人員傷亡。
[0003] 因此研究智能化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對確保大型飛行器結(jié)構(gòu)能夠長期、高可靠性服 役具有重要意義。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)（Structural Health Monitoring, SHM)就是通過對結(jié)構(gòu)進(jìn) 行無損檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役 情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評估，為一些處在特殊氣候、特殊工作狀態(tài)下的 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)出發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
[0004] 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向周期性變化的折射 率。由于光纖布拉格光柵的抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、對電絕緣、成本低及易于實(shí)現(xiàn)復(fù) 用等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖布拉格光柵一經(jīng)問世，便在光纖傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并在航空航 天、橋梁、礦山、地質(zhì)勘探、鐵路、天然氣管道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。
[0005] 目前對大型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段主要基于兩種傳感器，電類傳感器如電阻應(yīng)變 片、壓電陶瓷傳感器等，光類傳感器如光纖布拉格光柵、光纖F-P腔等，其中電類傳感器應(yīng) 用比較成熟，但其只適合小規(guī)模組網(wǎng)，當(dāng)大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)為了屏蔽各傳感器之間的串?dāng)_，所用 到的屏蔽電纜成幾何倍數(shù)的增加，使得系統(tǒng)十分龐大笨重；而隨著波分復(fù)用技術(shù)與空分復(fù) 用技術(shù)日趨成熟，光纖光柵傳感器成為一種非常適合大規(guī)模組網(wǎng)的傳感器，且不需要任何 屏蔽電纜，僅用幾個(gè)光纖便可串上幾百個(gè)傳感器，組成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠很方便地對結(jié) 構(gòu)體進(jìn)行監(jiān)測。目前國際上很多發(fā)達(dá)國家對光纖光柵的應(yīng)用主要集中對結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度、變 形等監(jiān)測，而國內(nèi)很少有對結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測，本發(fā)明緊跟國際先進(jìn)科技的發(fā)展步伐，利 用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)測量結(jié)構(gòu)受力變形，具有很重要的實(shí)踐意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，克服已有的技術(shù)局限，將光纖布拉格光柵組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，提 供了一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法，該方法能夠有效監(jiān)測結(jié)構(gòu)體 的因外力或內(nèi)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體的變形。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量 方法，將光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)測得波長數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均得到待測時(shí)間段內(nèi)的平均波長數(shù) 據(jù)，再代入事先標(biāo)定好的溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)與 應(yīng)變靈敏度系數(shù)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償計(jì)算后得到所有應(yīng)變傳感器的離散應(yīng)變值，對離散應(yīng)變值 進(jìn)行插值得到應(yīng)變的多項(xiàng)式，對應(yīng)變多項(xiàng)式進(jìn)行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項(xiàng)式，再根 據(jù)結(jié)構(gòu)體的狀態(tài)代入積分初始條件即曲線的斜率和偏置得到結(jié)構(gòu)體變形的最終撓度曲線。
[0008] 進(jìn)一步的，由離散應(yīng)變值進(jìn)行插值得到應(yīng)變的多項(xiàng)式中的插值方法為三次樣條插 值。
[0009] 進(jìn)一步的，由對應(yīng)變多項(xiàng)式進(jìn)行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項(xiàng)式中的積分方法 為基于三次樣條的數(shù)值積分法。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：可以利用光纖光柵組網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)體多點(diǎn) 的應(yīng)變，從而推算出結(jié)構(gòu)體的形變，克服電類傳感器難以組網(wǎng)，易受電磁干擾等缺點(diǎn)。且本 方案的最終結(jié)果是求結(jié)構(gòu)體形變，而不是簡單地測量應(yīng)變，數(shù)據(jù)處理方法是本方案的創(chuàng)新 之所在。由測量應(yīng)變得到變形在工程中的應(yīng)用比較少見，也沒有相應(yīng)的資料公開此種變形 處理方法，本發(fā)明所采取的數(shù)據(jù)處理方法中將應(yīng)變采取三次樣條插值得到應(yīng)變多項(xiàng)式更是 本發(fā)明創(chuàng)新之所在，三次樣條曲線實(shí)際上是有分段三次曲線拼接而成，在拼接處不僅函數(shù) 是連續(xù)的，而且一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，所以樣條曲線具有良好的光滑性，能夠更 加真實(shí)的反映大型結(jié)構(gòu)體受力時(shí)應(yīng)變的分布情況；再利用樣條積分便可以得到梁的變形曲 線，代入積分初始條件即曲線的斜率和偏置得到結(jié)構(gòu)體變形的最終撓度曲線。三次樣條曲 線和樣條積分的引入，方便編程，可更簡潔地進(jìn)行曲線擬合，且計(jì)算量小，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn) 變形的實(shí)時(shí)解調(diào)。又解調(diào)方法基于大型光纖光柵傳感系統(tǒng)，利用了光纖傳感系統(tǒng)體積小、質(zhì) 量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于飛行器的在線變形測量，擁有傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片無法比 擬的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為簡支梁受力變形示意圖；
[0012] 圖2為結(jié)構(gòu)體變形測量方法；
[0013] 圖3為某結(jié)構(gòu)金屬板光柵傳感器布置不意圖；1為固定點(diǎn)，2為光纖光柵傳感器，3 為施力位置；
[0014] 圖4為對結(jié)構(gòu)板施加位移（側(cè)視圖）示意圖；4為螺絲，5為鋁片墊片，6為固定支 架一部分，7為面板側(cè)面；
[0015] 圖5為施加最大位移時(shí)結(jié)構(gòu)板撓度測量曲線；
[0016] 圖6為游標(biāo)卡尺測量值與實(shí)測值對比。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要 特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā) 明的主要內(nèi)容時(shí),這些描述在這里將被忽略。
[0018] 結(jié)構(gòu)變形測量的原理，當(dāng)未知力F作用于簡支梁AB上一點(diǎn)C時(shí)，梁的變形如圖1 所示：
[0019] 所示為簡支梁發(fā)生彎曲變形，梁的軸線由原來的直線變?yōu)榍€，變彎后的軸線稱 為撓曲軸。梁軸線上坐標(biāo)為X的點(diǎn)變形后在垂直于梁軸線方向的線位移可表示為y( x)，稱 為該點(diǎn)的撓度。對于梁結(jié)構(gòu)，中性層曲率半徑P和彎矩Μ之間的關(guān)系為Ι/p =M/EI，其 中E為彈性模量，I為橫截面積對中心軸的慣性矩。
[0020] 由曲率半徑定義，撓曲軸上任一點(diǎn)曲率有如下近似關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法，其特征在于，將光纖光柵 傳感器網(wǎng)絡(luò)測得波長數(shù)據(jù)（1)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均得到待測時(shí)間段內(nèi)的平均波長數(shù)據(jù)（2)，再代 入事先標(biāo)定好的溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)與應(yīng)變靈 敏度系數(shù)（3)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償計(jì)算后得到所有應(yīng)變傳感器的離散應(yīng)變值（4)，對離散應(yīng)變值 (4)進(jìn)行插值得到應(yīng)變的多項(xiàng)式（5)，對應(yīng)變多項(xiàng)式（5)進(jìn)行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多 項(xiàng)式（6)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)體的狀態(tài)代入積分初始條件（7)即曲線的斜率和偏置得到結(jié)構(gòu)體變 形的最終撓度曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法，其 特征在于，由離散應(yīng)變值（4)進(jìn)行插值得到應(yīng)變的多項(xiàng)式（5)中的插值方法為三次樣條插 值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)體變形測量方法，其 特征在于，由對應(yīng)變多項(xiàng)式（5)進(jìn)行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項(xiàng)式（6)中的積分方法 為基于三次樣條的數(shù)值積分法。
【文檔編號】G01B11/16GK104111032SQ201410353892
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】魏鵬, 周蒙, 李明 申請人:北京航空航天大學(xué)