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)力時發(fā)生形變時的情況，對大型結(jié)構(gòu)體的健康狀況進行實時監(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，利用光纖光柵應變傳感器檢測結(jié)構(gòu)體所受到的應變，利用光纖光柵溫度傳感器作應變傳感器的溫度補償，將測得的離散應變數(shù)據(jù)插值為多項式再進行兩次積分，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)的電阻應變片式測量結(jié)構(gòu)體應變，本發(fā)明克服了電阻應變片難以組網(wǎng)，易受電磁干擾，屏蔽電纜多而重的難點，十分適合大規(guī)模組網(wǎng)，對大型結(jié)構(gòu)體進行健康監(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、 損傷引起的結(jié)構(gòu)失效機理較復雜、損傷導致的結(jié)構(gòu)破壞程度難以判斷等特點。這些特點使 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的補救措施，將 會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成損傷累積現(xiàn)象，進而促使整體或局部結(jié)構(gòu)發(fā)生突然失效，導致巨大的財 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 行無損檢測，實時監(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)嚴重異常時出發(fā)預警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導。
[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、成本低及易于實現(xiàn)復 用等優(yōu)點，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 用比較成熟，但其只適合小規(guī)模組網(wǎng)，當大規(guī)模組網(wǎng)時為了屏蔽各傳感器之間的串擾，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；而隨著波分復用技術(shù)與空分復 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，僅用幾個光纖便可串上幾百個傳感器，組成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠很方便地對結(jié) 構(gòu)體進行監(jiān)測。目前國際上很多發(fā)達國家對光纖光柵的應用主要集中對結(jié)構(gòu)應變、溫度、變 形等監(jiān)測，而國內(nèi)很少有對結(jié)構(gòu)的變形進行監(jiān)測，本發(fā)明緊跟國際先進科技的發(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)進行數(shù)據(jù)平均得到待測時間段內(nèi)的平均波長數(shù) 據(jù)，再代入事先標定好的溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和應變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)與 應變靈敏度系數(shù)，經(jīng)過溫度補償計算后得到所有應變傳感器的離散應變值，對離散應變值 進行插值得到應變的多項式，對應變多項式進行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項式，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] 進一步的，由離散應變值進行插值得到應變的多項式中的插值方法為三次樣條插 值。
[0009] 進一步的，由對應變多項式進行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項式中的積分方法 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 的應變，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。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變，數(shù)據(jù)處理方法是本方案的創(chuàng)新 之所在。由測量應變得到變形在工程中的應用比較少見，也沒有相應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)處理方法中將應變采取三次樣條插值得到應變多項式更是 本發(fā)明創(chuàng)新之所在，三次樣條曲線實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，而且一階導數(shù)和二階導數(shù)也是連續(xù)的，所以樣條曲線具有良好的光滑性，能夠更 加真實的反映大型結(jié)構(gòu)體受力時應變的分布情況；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，可更簡潔地進行曲線擬合，且計算量小，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn) 變形的實時解調(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，適合應用于飛行器的在線變形測量，擁有傳統(tǒng)電阻應變片無法比 擬的優(yōu)點。

【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，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為施加最大位移時結(jié)構(gòu)板撓度測量曲線；
[0016] 圖6為游標卡尺測量值與實測值對比。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，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，當采用已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā) 明的主要內(nèi)容時,這些描述在這里將被忽略。
[0018] 結(jié)構(gòu)變形測量的原理，當未知力F作用于簡支梁AB上一點C時，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。梁軸線上坐標為X的點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)進行數(shù)據(jù)平均得到待測時間段內(nèi)的平均波長數(shù)據(jù)（2)，再代 入事先標定好的溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和應變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)與應變靈 敏度系數(shù)（3)，經(jīng)過溫度補償計算后得到所有應變傳感器的離散應變值（4)，對離散應變值 (4)進行插值得到應變的多項式（5)，對應變多項式（5)進行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多 項式（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，由離散應變值（4)進行插值得到應變的多項式（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，由對應變多項式（5)進行兩次積分得到結(jié)構(gòu)體變形的多項式（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