CN100485314C - 曲面振动变形检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲面振动变形检测系统和方法。本发明的系统包括一个植入FBG传感器的被测曲面、一台光纤光栅解调仪、一台图形处理计算机、一台显示器。这种系统将光纤光栅传感器(FBG)分布式地植入到被测面形中，当被测面形发生振动时，通过传感器解调仪得到FBG传感器中心波长的改变值，并转化为分布的曲率信息，在此基础上根据曲率信息和弧长信息重建曲面形状，并在屏幕上显示出来，从而实现曲面振动形状检测。

Description

曲面振动变形检测系统与方法

技术领域

本发明涉及一种曲面振动变形检测系统与方法，主要涉及一种基于Bragg光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感网络的柔性曲面振动变形检测。

背景技术

航空器太阳能帆板结构庞大，仅有一端固定，飞行器在太空飞行环境恶劣，极易诱发振动。据有关研究分析，帆板的振动在总体上呈现非线性特性，具有不同阶次的模态频率。振动如果为发散状态，振动幅值越来越大，不断振动的帆板将影响飞行器的空间运行姿态，减少飞行器的使用寿命。对于以上振动，如果能够准确的测量和监控，获得帆板的振动情况，可以指导设计帆板的控制参数。因此探讨帆板的振动规律，获得帆板在空间的运动参数如固有频率以及振动情况，从而加以控制，对深空探测具有深远意义。

对于高性能飞行的军用飞机，在空中经常需要完成高难度的飞行动作。如大幅度的翻转、转弯、快速升降等。如此剧烈的运动容易引起机翼的振动，而且振动振型同样比较复杂，如何获得机翼机身的振动情况，对于飞机的安全报警具有重要意义。长条状高层建筑的振动变形，风载、地震时的变形监测、穹顶或其它大型柔性结构，需要定期对其进行检修，检测其变形情况，检查其疲劳以及振动情况，对于消除隐患，排除危险等具有提前检测，预警作用。

对于以上柔性结构振动的变形检测，传统的方法可以采用非接触CCD振动测量仪，利用特殊的图像处理技术，对振动进行分析；采用激光非接触振动测量仪，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，测量被测物体的振动数据。同时也可以采用超声等检测方法、三坐标测量机测量等方法。这些测量方法不能反应振动的内部状况，不能对柔性曲面内部受力状况进行分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非视觉传感方法的曲面振动检测系统和方法，这种系统将FBG分布式地植入到被测面形中，当被测面形发生振动时，通过传感器解调仪得到FBG传感器中心波长的改变值，并转化为分布的曲率信息，在此基础上根据曲率信息和弧长信息重建曲面形状，并在屏幕上显示出来，从而实现曲面振动形状检测。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种曲面振动变形检测系统，包括一个植入式FBG传感器的被测振动曲面、一台光纤光栅解调仪、一台计算机和一台显示器，其特征在于所述的被测振动曲面一端悬空而一端固定，曲面产生多种振动振型；所述的振动曲面中植入FBG传感器，FBG传感器通过光纤光栅解调仪解调出波长变化；所述的光纤光栅解调仪与计算机连接完成数据传输，计算机对数据进行处理，重建振动曲面；并输出曲面至显示器中显示出重建振动曲面形态。

上述的被测振动曲面为柔性薄板，其特征在于所述的被测振动曲面中植入多个FBG传感器构建传感网路，FBG传感器的数目和分布根据具体振动振型进行调整，满足采用定理情况下：振动振幅较大处，分布稠密，平坦处，分布稀疏。

一种曲面振动变形检测方法，采用上述的曲面振动变形检测系统进行检测，其特征在于检测操作步骤如下：

(1)使曲面产生多种振动振型，

(2)采集FBG传感器的波长变化：FBG传感器随着曲面的振动其反射中心波长随着改变，FBG波长解调仪解调出多个传感器的波长变化，并传递给图形处理计算机，

(3)计算机将波长变化转化为曲率信息，并根据曲率信息重建振动曲面，利用可视化技术在屏幕上显示出来，

(4)连续的采集数据并连续的重建曲面，实现曲面的振动动态检测。

上述的步骤(3)中计算机重建振动曲面的步骤如下：

(1)采集FBG传感数据；

(2)数据预处理；

(3)判断数据是否有粗大误差，有则重新采集数据；

(4)将波长变化转化为曲率；

(5)根据已有曲率，求出任意点的曲率，实现曲率的连续化；

(6)多条曲线重建；

(7)多条曲线光滑连接，完成曲面重建；

上述检测操作的步骤(4)中的将波长变化转化为曲率的计算公式如下：

$k=\frac{6(\mathrm{\Δ\λ}-p_2)x}{p_1{l}^3}$

式中k为曲率，Δλ为检测的波长改变，由于波长与挠曲为线性关系，p₁，p₂为根据多次标定测量的，拟合波长变化与挠曲线性关系的斜率和截距，x为传感器布置点距悬臂端的直线距离，l为整个曲面的边长的总长度。

上述的步骤(6)中的曲线重建采用曲率几何意义的递推算法，其算法为：

$r_{\mathrm{AB}}=\frac{k_A+k_B}{2k_A{k}_B}$

$x_1=r_{\mathrm{AB}}\sin \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right)$

$y_1=r_{\mathrm{AB}}(1-\cos \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right))$

$x_{\mathrm{BA}}=x_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-y_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}\left(-\sin \mathrm{\θ}+\sin (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}})\right)$

$y_{\mathrm{BA}}=x_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+y_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}\left(\cos \mathrm{\θ}-\cos (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}})\right)$

$\mathrm{\θ}={\text{\∫}}_0^{s}k\left(s\right)\mathrm{ds}$

式中r_AB为微元AB两点之间弧长的圆弧半径，k_A，k_B分别为微元AB两个端点处的曲率，x₁，y₁为微元AB的终点B在X₁AY₁坐标系中的坐标值，s为AB两点间的弧长，x_BA，y_BA表示在YOX坐标系内B点相对于A点的X、Y方向的增量坐标，θ为A点切矢与X轴的夹角，k(s)为曲率，ds为弧长微元；此算法通过一次积分，递推出曲线上相邻点相对于前一点增量坐标值，然后用直线连接两点，代替曲线，从而实现曲面上曲线的重建过程。

对多条曲线光滑连接采用一种基于四边形、点分裂、差值型的网格细分算法。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)试验曲面能够产生多种振型。

(2)本发明由多根多个FBG以及一台光纤光栅信号解调仪，建立一个传感网络子系统，传感器植入曲面中，FBG传感器的数目和分布根据具体振动振型进行调整，满足采样定理；传感器的中心波长根据曲面内部应力的变化而改变，光纤光栅解调仪检测出这种波长变化。

(3)本发明由一台图形处理计算机和一台显示器建立一个曲面重建子系统，利用图形处理计算机对获得的波长变化转化为曲率，并根据曲率和弧长信息重建曲面，并在显示器上动态的显示出来。

(4)采用本发明，透过视觉效果，可探讨空间信息所反映的规律，监控内部受力状况，为进一步的研究提供直观准确的数据、动画和图形。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例子的系统结构示意图。

图2是图1示优选实例中传感网络分布示意图。

图3是优选实例中FBG传感器封装示意图。

图4是本发明优选实例中的曲面重建中曲线重建的几何关系图。

图5是曲面重建程序流程图

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

请参见图1，本曲面振动变形检测系统，包括一振动曲面①、一台信号发生器④(型号：SFG—2110生产单位：台湾固纬)、一台直流电源③、一台激振器⑤(型号：JZK—10生产单位：江苏联能电子有限公司)、植入FBG传感器②、一台光纤光栅解调仪⑥(型号：FONT—2201A生产单位：上海紫珊光电科技有限公司)、一台图形处理计算机⑦、一台显示器⑧。

直流电源③、激振器⑤、信号发生器④使曲面①产生多种振型；植入FBG传感器②根据曲面应力的变化而其反射波长发生改变；FBG解调仪⑥检测出波长的变化，将波长变化传输给图形处理机⑦；图形处理机将波长变化转化为曲率，并根据曲率信息和弧长重建振动曲面，在显示器⑧中显示出来，实现振动曲面的动态检测。

本实例的具体连接过程参见图1：曲面柔性薄板①一端悬空，一端通过螺钉和角铁支架垂直固定在工作台面上；24个FBG②用AB胶水粘贴在①表面上构成传感网络；FBG②的一端4个FC/PC接头与光纤光栅解调仪⑥接线孔连接构成传感解调部分；光纤光栅解调仪⑥与计算机⑦通过网线连接，完成数据传输；⑦将数据传输给显示器⑧显示出来。

本曲面振动变形检测方法，采用上述的检测系统，其操作步骤如下：

(1)使曲面产生多种振动振型。

(2)采集FBG传感器的波长变化：FBG传感器随着曲面的振动其反射中心波长随着改变，FBG波长解调仪解调出多个传感器的波长变化，并传递给图形处理计算机。

(3)计算机将波长变化转化为曲率信息，并根据曲率信息重建振动曲面，利用可视化技术在屏幕上显示出来。

(4)连续的采集数据并连续的重建曲面，实现曲面的振动动态检测。

本优选实例中的基板选用环氧树脂板，如图2所示，尺寸为1500×400×1.5(分别为长、宽、高)，这种聚合物具有较好的强度，静态时能够保持较好的面形特征，在施加载荷时能产生较好的曲面形状。传感器共分4个通道布置在曲面上，传感器的数量根据采样频率决定。每个通道有6个不同中心波长的FBG传感器，利用波分复用技术实现一条曲线的多点检测，图中1，2，3，4分别为4个通道，在宽度方向上等分布置；图中每一个小方块代表一个FBG传感器，即每个通道的光纤上分布有6个不同中心波长的FBG，以非等分方式布置于面形的长度方向上。其布置方式可根据曲面的具体振动不同而进行调整，本优选实施例中为低频振动情况下的传感网络分布布置。

FBG传感器的封装如附图3所示，将直径0.125mm的裸单模光纤光栅用胶水粘贴在曲面表面。为了防止FBG封装时产生双峰现象，采用光栅两端胶水封装，同时为了保证光纤光栅既能检测受拉应力又能检测压应力，在中间光栅中间位置处放置少量的胶水与基板粘贴。

本例子中的光纤光栅检测曲率计算公式为：

$k=\frac{6(\mathrm{\Δ\λ}-p_2)x}{p_1{l}^3}$

式中k为曲率，Δλ为检测的波长改变，由于波长与的为线性关系，p₁，p₂为根据多次标定测量的，拟合波长变化与挠曲线性关系的斜率和截距，x为传感器布置点距悬臂端的直线距离，l为整个曲面的总长度。此计算公式考虑了封装，误差修正等多种因素，是建立在多次试验数据的拟合公式之上。

由以上检测的曲率信息重建曲面形状，其重建算法如下：

首先将曲面离散为多条曲线，首先完成曲面上多条曲线的重建，然后通过数值计算方法实现曲面的重建过程。

由曲率信息重建曲线，采用曲率几何意义的递推算法，其算法为：

$r_{\mathrm{AB}}=\frac{k_A+k_B}{2k_A{k}_B}$

$x_1=r_{\mathrm{AB}}\sin \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right)$

$y_1=r_{\mathrm{AB}}(1-\cos \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right))$

$x_{\mathrm{BA}}=x_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-y_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}\left(-\sin \mathrm{\θ}+\sin (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}})\right)$

$y_{\mathrm{BA}}=x_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+y_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}\left(\cos \mathrm{\θ}-\cos (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}})\right)$

$\mathrm{\θ}={\text{\∫}}_0^{s}k\left(s\right)\mathrm{ds}$

式中如附图4所示，x₁，y₁为微元AB的终点B在X₁AY₁坐标系中的坐标值，X₁AY₁坐标系是在原坐标系YOX中以A点为原点、以微元AB的A点切矢为X₁轴的坐标，s为AB两点间的弧长，r_AB为微元AB两点之间弧长的圆弧半径，YOX坐标系为原坐标系，x_BA，y_BA表示在YOX坐标系内B点相对于A点的X、Y方向的增量坐标，θ为A点切矢与X轴的夹角，k(s)为曲率，ds为弧长微元。此算法通过一次积分，可递推出曲线上相邻点相对于前一点增量坐标值，然后用直线连接两点，代替曲线，从而实现曲面上曲线的重建过程。由于是累计增量，在计算机上很容易实现加法运算，且算法简洁快速。

由以上方法生成的曲线仅为曲面上部分曲线的形状，根据以上曲线来重构曲面可采用多种算法。本实例中为了获得更加细致的曲面特征，采用曲面细分算法。其基本思想是从粗糙的初始多边形网格出发，通过添加新的顶点并与原顶点形成新的边和面，这样递归地平滑细分，直到最终获得光滑曲面。这种算法使三维网格的多分辨率分析变得简单可行，能控制任意拓扑网格，在保持曲面整体光滑性的同时保留了一些局部特征网格。例中的细分算法是一种基于四边形、点分裂、差值型的网格细分技术。

算法流程图如图5所示。具体流程如下：

1)采集FBG传感数据；

2)数据预处理；

3)判断数据是否有粗大误差，有则重新采集数据，跳到(1)；

4)将波长变化转化为曲率；

5)将已有曲率，求出任意点的曲率，实现曲率的连续化；

6)多条曲线重建；

7)多多条曲线光滑连接，采用细分算法，完成曲面重建。

Claims (5)

1.一种曲面振动变形检测系统，包括一个植入有多个FBG传感器(2)的被测振动曲面(1)、一台光纤光栅解调仪(6)、一台计算机(7)和一台显示器(8)，其特征在于所述的被测振动曲面(1)产生多种振动振型；光纤光栅解调仪(6)解调出FBG传感器的中心波长变化值；并把数据传输给计算机(7)，计算机对数据进行处理，采用曲面重建算法，重建振动曲面，并输出数据至显示器(8)，显示出重建的振动曲面形状；所述的被测振动曲面(1)中植入FBG传感器(2)构成传感网路，FBG传感器的数目和分布根据具体振动振型进行调整，满足采样定理情况下：振动振幅较大处，分布稠密，平坦处，分布稀疏。

2.一种曲面振动变形检测方法，采用权利要求1所述的曲面振动变形检测系统进行检测，其特征在于检测操作步骤如下：

(1)使曲面产生多种振动振型，

(2)采集FBG传感器的波长变化：FBG传感器随着曲面的振动其反射中心波长随着改变，FBG波长解调仪解调出多个传感器的波长变化，并传递给图形处理计算机，

(3)计算机将波长变化转化为曲率信息，并根据曲率信息重建振动曲面，利用可视化技术在屏幕上显示出来，

(4)连续的采集数据并连续的重建曲面，实现曲面的振动动态检测；

所述的步骤(4)中计算机重建振动曲面的步骤如下：

(1)采集FBG传感数据；

(2)数据预处理；

(3)判断数据是否有粗大误差，有则重新采集数据；

(4)将波长变化转化为曲率；

(5)根据已有曲率，求出任意点的曲率，实现曲率的连续化；

(6)多条曲线重建；

(7)多条曲线光滑连接，完成曲面重建。

3.根据权利要求2所述的曲面振动变形检测方法，其特征在于所述的步骤(4)中的将波长变化转化为曲率的计算公式如下：

$k=\frac{6(\mathrm{\Δ\λ}-p_2)x}{p_1{l}^3}$

式中k为曲率，Δλ为检测的波长改变，由于波长与挠曲为线性关系，p₁，p₂为根据多次标定测量的，拟合波长变化与挠曲线性关系的斜率和截距，x为传感器布置点距悬臂端的直线距离，l为整个曲面的边长的总长度。

4.根据权利要求2所述的曲面振动变形检测方法，其特征在于所述的步骤(6)中的曲线重建采用曲率几何意义的递推算法，其算法为：

$r_{\mathrm{AB}}=\frac{k_A+k_B}{2k_A{k}_B}$

$x_1=r_{\mathrm{AB}}\sin \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right)$

$y_1=r_{\mathrm{AB}}(1-\cos \left(\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}\right))$

$x_{\mathrm{BA}}=x_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-y_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}(-\sin \mathrm{\θ}+\sin (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}))$

$y_{\mathrm{BA}}=x_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+y_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

$=r_{\mathrm{AB}}(\cos \mathrm{\θ}-\cos (\mathrm{\θ}+\frac{s}{r_{\mathrm{AB}}}))$

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{s}k\left(s\right)\mathrm{ds}$

式中x₁，y₁为微元AB的终点B在X₁AY₁坐标系中的坐标值，X₁AY₁坐标系是在原坐标系YOX中以A点为原点、以微元AB的A点切矢为X₁轴的坐标系，s为AB两点间的弧长，r_AB为微元AB两点之间弧长的圆弧半径，YOX坐标系为原坐标系，x_BA，y_BA表示在YOX坐标系内B点相对于A点的X、Y方向的增量坐标，θ为A点切矢与X轴的夹角，k(s)为曲率，ds为弧长微元；此算法通过一次积分，递推出曲线上相邻点相对于前一点增量坐标值，然后用直线连接两点，代替曲线，从而实现曲面上曲线的重建过程。

5.根据权利要求2所述的曲面振动变形检测方法，其特征在于所述的步骤(7)中的多条曲线光滑连接采用一种基于四边形、点分裂、差值型的网格细分算法。

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