CN103575664A - 基于新型集成式复合传感器的结构多尺度健康监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法，所述装置包括计算机、具有多个可用波长的宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和新型集成式复合传感器模块，所述新型集成式复合传感器设置在复合材料柔性板上；所述方法应用新型集成式复合传感器同时测量结构的模态频率和传感器附近的应变分布，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种多尺度损伤分布形式。本发明具有传感参量多、传感头体积小、系统集成度高等优点，可有效解决布置在同一结构上的数据融合、测试噪声等问题，实现从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行健康监测。

Description

基于新型集成式复合传感器的结构多尺度健康监测装置与方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法。 

背景技术

现有复合材料结构健康监测方法，以Lamb波检测、阻抗技术、应变测试等为代表的局部损伤监测方法能对结构局部初始缺陷、小损伤进行精细化的检查，帮助人们判断是否应采取相应的维护措施，以防止局部损伤进一步发展而危及结构的整体使用安全。但Lamb波检测、阻抗技术每次检测的面积有限，效率较低，目前基本限于损伤的定位，关于损伤程度评估的研究还有许多问题亟待解决；基于应变特征的局部损伤监测需要大量的测点信息，其反问题求解效率还远不能令人满意。另一方面，振动测试法以其信号易提取、测点无苛刻要求的高效性、经济性以及结构动态响应的全局性等优点，成为一种有效的结构整体损伤监测技术。整体损伤监测依赖于结构全局振动特性测试，且局限于结构的低频响应，可快速覆盖大的监测区域，能够及时监控结构整体工作状态，从而对结构的耐久性、安全性、可靠性有一个整体的概念，与局部损伤监测相比，可大大减少检测的工作量，便于维护管理策略的制定和维护资金的合理支出。但在现有的技术水平下，整体损伤监测对结构初始小损伤不敏感，通过结构整体的动力特性测试无法检测出结构的小损伤。工程中的结构健康监测系统除了应具备整体监测能力外，还应具备对复杂工程结构设计和施工中易于损伤的薄弱细部，有针对性地进行局部精细无损检测的能力，仅用传统方法或单纯采用某一种技术是难以解决损伤监测问题的。 

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提出了基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法。综合背景技术所述，在复合材料结构健康监测研究中，将整体和局部损伤监测有机结合起来，充分发挥两者的长处，采用共同的传感器，同时从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行多尺度健康监测的研究，不仅能进一步促进结构健康监测理论的发展、完善和工程应用，而且对增强学科发展的国际竞争力、攻克重大装备和国家生命线工程的状态监控和安全评估中的关键技术问题具有积极意义。所述装置包括复合材料柔性板、计算机、新型集成式复合传感器和多尺度解调模块，所述方法能够将整体和局部损伤监测有机结合起来，充分发挥两者的长处，分别从整体和局部两个尺度上对复合材料结构的“健康”状态进行监测，具有重要的理论和工程应用价值。 

本发明的技术方案为：基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置，包括计算机、宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和新型集成式复合传感器模块，所述复合材料柔性板夹持在一个机械夹持装置上；所述新型集成式复合传感器模块设置在复合材料柔性板上，所述新型集成式复合传感器模块包括石英毛细管、单模光纤、Bragg光栅和用作反射端的多模光纤，所述Bragg光栅指定中心波长后写入单模光纤，多个所述Bragg光栅左右排开，在离最右侧所述Bragg光栅的光栅中心指定距离处的一端被切断，单模光纤和多模光纤均插入石英毛细管中，单模光纤和多模光纤的端面相距为几百微米，构成非本征型F-P腔，在石英毛细管两端，单模光纤和多模光纤和石英毛细管熔接在一起；所述各个Bragg光栅的中心波长及其工作范围互不重迭；所述宽带光源具有多个可用波长，且其可用波长依次与多个Bragg光栅的指定中心波长相同；所述多尺度解调装置包括C1耦合器、C2耦合器、波分复用器、光谱分析仪、解调F-P腔、光电探测器、PZT驱动器和锁相放大器； 

具有多个可用波长的宽带光源发出的光通过C1耦合器后进入新型集成式复合传感器，每个Bragg光栅反射各自中心波长附近的一个窄带光，其余波长的光透过Bragg光栅，透过最右侧Bragg光栅的光在传感器的两光纤端面反射而产生EFPI干涉条纹，Bragg光栅的反射光和EFPI干涉条纹迭加在一起，通过C1耦合器和波分复用器分波后，进入光谱分析仪；EFPI干涉条纹通过C2耦合器到达另一由单模光纤的端面和PZT驱动器上多模光纤端面一起形成的解调F-P腔，当解调F-P腔的腔长与传感F-P腔长一致时，将产生干涉信号，该干涉信号通过C2耦合器到达光电探测器，光电探测器的PD电信号和同频的PZT驱动器同步信号同时送入锁相放大器，锁相放大器和波形存贮器通过信号线相连接，所述光谱分析仪和所述波形存贮器通过信号线与PC机相连接。 

基于新型集成式复合传感器的结构多尺度健康监测方法，包括如下步骤： 

第一步，在非预埋损伤试件的表面的关键受力部位布置新型集成式复合传感器并形成阵列，固定每个测量回路内各个光栅的中心波长及其工作范围，以保证在非均匀应变重构中能根据独立变化的波长成功“寻址”到每个光栅； 

第二步，复合材料柔性板表面放置重物以产生静态应变，在合材料柔性板表面中心位置处施加一个冲击力以使合材料柔性板表面产生自振； 

第三步，利用光谱分析仪扫描测量光和Bragg光栅的透射光，获取入射光和透射光的光谱及透射谱，将该透射谱的采样点换算成反射率，得到每个Bragg光栅的反射谱，利用反射谱对均匀应变、非均匀应变分布进行测试，并通过增加一个布设于与被测材料一样、温度场一致但不受力的构件上的光纤光栅来进行温度补偿； 

第四步，对PZT驱动器施加扫描信号，确定复合材料柔性板的主要振动模态，所述振动频率的解调算法为： 

当扫描频率f_s大于结构振动频率的若干倍以上时，光电探测器的PD电信号的PD输出的准正弦信号δ₁为 

δ₁=Asin[2πf_st+φ₀+k₁V(t)] 

式中，A为幅值，φ₀为无振动时的初始相位常量，k₁为常量，t是时间，V(t)为振动信号，与扫描同频的同步信号为 

δ₂=Bsin[2πf_st+φ₁] 

式中φ₁为初相位常量，B为幅值；锁相放大器输出信号ξ_out与δ₁和δ₂的相位差成正比，则 

ξ_out=k₂V(t)+φ₁-φ₀

式中，k₂转换常量，φ₁-φ₀为无振动时的两信号初始相位差； 

输出ξ_out与振动信号是线性关系，反映了振动的实际情况，包括振幅、振动频率及阻尼系数等相关参量； 

第五步，对复合材料柔性板进行整体有限元建模，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种复合材料柔性板整体损伤分布形式，使其对应的结构模态频率计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构整体损伤的位置、程度； 

第六步，由应变重构过程中提取的应变梯度信息确定可能的损伤区域，对这些区域进行精细化的有限元建模，获得Bragg光栅阵列附近的应变分布，依据改进的传输矩阵计算Bragg光栅的反射谱，建立关于仿真反射谱与新型集成式复合传感器实测反射谱的适应度函数，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种结构局部尺度损伤分布形式，使其对应的Bragg光栅反射谱计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构局部损伤的位置及程度。 

本发明的有意效果为： 

1)本发明提供了一种利用新型集成式复合传感器的柔性复合材料结构多尺度健康监测的新方法。该方法应用新型集成式复合传感器同时监测结构的模态频率和应变特性，提取更细致、更全面、更可靠的损伤特征，实现从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行健康监测的新方法。 

2)本发明提出的应用单一传感器的多参量同时传感方法：一种既能测量结构模态频率又能测量应变分布的新型集成式复合传感器，具有传感参量多、传感头体积小、易于遥测、降低成本、系统集成度高等优点，可有效解决布置在同一结构上的不同类型的大量传感器带来的数据融合、测试噪声等问题。 

附图说明

图1是本发明一个优选实施实例的多尺度结构健康监测系统结构示意图。 

图2是本发明的新型集成式复合传感器构型示意图。 

图3是本发明的递阶遗传算法染色体结构示意图。 

图4是本发明的一个优选实施实例的流程框图。 

图中1.宽带光源；2复合材料柔性板；3.C1耦合器；4.C2耦合器；5.波分复用器；6.光谱分析仪；7.单模光纤；8.多模光纤；9.PZT驱动器；10.解调F-P腔；11.光电探测器；12.锁相放大器；13.波形存贮器；14.PC机；15.质量块；16.冲击载荷；17.新型集成式复合传感器；18.入射光；19.反射光；20.石英毛细管；21.Bragg光栅；22.熔接端。 

具体实施方式

本发明的一个优选实施实例结合附图说明如下： 

参见图1至图4所示，本发明包括计算机、具有多个可用波长的宽带光源1、多尺度解调装置、复合材料柔性板2和新型集成式复合传感器模块17。所述复 合材料柔性板夹2持在一个机械夹持装置上；所述新型集成式复合传感器模块17设置在复合材料柔性板2上，包括石英毛细管20、单模光纤7及其中的Bragg光栅21、用作反射端的多模光纤8，多个指定中心波长的Bragg光栅21被写入单模光纤7，在离最右侧光栅中心指定距离处的一端被切断，单模光纤7和多模光纤8均插入石英毛细管20中，两光纤端面相距为几百微米，构成非本征型F-P腔，在石英毛细管20两端，光纤和石英毛细管20熔接在一起；所述各个Bragg光栅21的中心波长及其工作范围互不重迭，熔接端22见图2；所述宽带光源1具有多个可用波长，且其可用波长依次与多个Bragg光栅21的指定中心波长相同。 

所述多尺度解调装置包括C1耦合器3和C2耦合器4、波分复用器5、光谱分析仪6、解调F-P腔10、光电探测器11、PZT驱动器9和锁相放大器12。 

所述具有多个可用波长的宽带光源1发出的光通过一个C1耦合器3后进入新型集成式复合传感器17，每个Bragg光栅21反射各自中心波长附近的一个窄带光，其余波长的光透过Bragg光栅21，透过最右侧Bragg光栅21的光在传感器的两光纤端面反射而产生EFPI干涉条纹，Bragg光栅21的反射光19和EFPI干涉条纹迭加在一起，通过C1耦合器3和波分复用器5分波后，进入光谱分析仪6。EFPI干涉条纹通过C2耦合器4到达另一由单模光纤7的端面和PZT驱动器9上多模光纤8端面一起形成的解调F-P腔10，当解调F-P腔10的腔长与传感F-P腔长一致时，将产生干涉信号，该干涉信号通过C2耦合器4到达光电探测器11。光电探测器11的PD电信号和同频的PZT驱动器9同步信号同时送入锁相放大器12，锁相放大器12和波形存贮器13通过信号线相连接。所述光谱分析仪6和所述波形存贮器13通过信号线与PC机14相连接，质量块15作为静载使用。 

本实例的基于新型集成式复合传感器的结构多尺度健康监测方法，按照技术 方案中的方法步骤，进行了细化，细化后的实验步骤如下： 

第一步，就是将新型集成式复合传感器17布置于复合材料柔性板2的试件表面，在其关键受力部位的薄弱细部布置新型集成式复合传感器17阵列，并合理地选择每个测量回路内各个光栅的中心波长及其工作范围，以保证在非均匀应变重构中能根据独立变化的波长成功“寻址”到每个光栅； 

第二步，复合材料柔性板2表面放置重物以产生静态应变，在板表面中心位置处施加一个冲击力以使板产生自振； 

第三步，利用光谱分析仪6扫描测量光和Bragg光栅21的透射光，获取入射光18和透射光的光谱及透射谱，将该透射谱采样点换算成反射率，最终得到每个Bragg光栅21的反射光19的反射谱，再通过非均匀应变的重构方法来完成均匀应变、非均匀应变分布的测试，并通过增加一个布设于与被测材料一样、温度场一致但不受力的构件上的光纤光栅来进行温度补偿； 

第四步，利用扫频法对PZT驱动器9施加扫描信号，通过振动频率的解调方法确定复合材料柔性板2的主要振动模态，所述振动频率的解调算法为： 

当扫描频率f_s大于结构振动频率的若干倍以上时，PD输出的准正弦信号δ₁为 

δ₁=Asin[2πf_st+φ₀+k₁V(t)] 

式中，A为幅值，φ₀为无振动时的初始相位常量，k₁为常量，t是时间，V(t)为振动信号。与扫描同频的同步信号为 

δ₂=Bsin[2πf_st+φ₁] 

式中φ₁为初相位常量，B为幅值。锁相放大器12输出信号ξ_out与δ₁和δ₂的相位差成正比，则 

ξ_out=k₂V(t)+φ₁-φ₀

式中，k₂转换常量，φ₁-φ₀为无振动时的两信号初始相位差。 输出ξ_out与振动信号是线性关系，反映了振动的实际情况，包括振幅、振动频率及阻尼系数等相关参量。 

第五步，利用常规有限元法对复合材料柔性板2进行整体有限元建模，对于第e个单元的质量矩阵[M]_e和刚度矩阵[K]_e分别假设为： 

(0＜0.001=χ_e，min≤χ_e≤1.0) 

${\left[M\right]}_e={\mathrm{\χ}}_e^q{\left[M\right]}_0$

对于非孔洞损伤，罚指数p、q均取1；当单元密度小于一定的值时，两个罚指数都取较大值，p取3，q取6，以避免低密度单元导致的局部寄生模态，得到清晰的拓扑结构图。 

这里[K]₀和[M]₀表示初始状态结构的单元刚度矩阵和单元质量矩阵，[K]_e和[M]_e表示损伤发生后结构的单元刚度矩阵和单元质量矩阵，和

分别表示单元在发生损伤后刚度矩阵与质量矩阵的比例系数。 

本发明采用一种递阶遗传算法，其染色体表示为包括控制基因和参数基因的递阶结构，如图3所示，参数基因处于下级，控制基因处于上级，下级基因受控于上级基因。在基因编码时，控制基因和参数基因均采用二进制编码。在编码中，第一层控制基因的编码位数与结构单元数目相同，位上为“1”表示对应单元位置的参数基因处于激活状态，即存在损伤；位上为“0”表示对应单元位置的参数基因处于休眠状态，即不存在损伤。计算染色体适应度时，首先对被激活的参数基因进行解码，得到损伤单元的单元号及对应的损伤程度，与完好单元一起构成结构单元特征组，然后利用有限元法计算结构的固有频率，进而评价染色体的性能。 

通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种复合材料柔性板整体损伤分布形式

和

使其对应的结构模态频率计算机仿真 值最接近新型集成式复合传感器17的实测数据，即可得到结构整体损伤的位置、程度； 

第六步，由应变重构过程中提取的应变梯度信息确定可能的损伤区域，以旋转弹簧模拟结构局部的微裂纹损伤，对这些区域进行精细化的有限元建模，获得Bragg光栅21阵列附近的应变分布，对应变分布进行多项式拟合，获得应变分布沿Bragg光栅21轴向的变化规律，依据改进的传输矩阵计算Bragg光栅21的反射谱，建立关于仿真反射谱与新型集成式复合传感器实测反射谱的适应度函数，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种结构局部尺度微裂纹损伤分布形式，使其对应的Bragg光栅21反射谱计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构局部损伤的位置及程度。 

Claims (2)

1.基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置，包括计算机、宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和新型集成式复合传感器模块，所述复合材料柔性板夹持在一个机械夹持装置上；其特征是：所述新型集成式复合传感器模块设置在复合材料柔性板上，所述新型集成式复合传感器模块包括石英毛细管、单模光纤、Bragg光栅和用作反射端的多模光纤，所述Bragg光栅指定中心波长后写入单模光纤，多个所述Bragg光栅左右排开，在离最右侧所述Bragg光栅的光栅中心指定距离处的一端被切断，单模光纤和多模光纤均插入石英毛细管中，单模光纤和多模光纤的端面相距为几百微米，构成非本征型F-P腔，在石英毛细管两端，单模光纤和多模光纤和石英毛细管熔接在一起；所述各个Bragg光栅的中心波长及其工作范围互不重迭；所述宽带光源具有多个可用波长，且其可用波长依次与多个Bragg光栅的指定中心波长相同；所述多尺度解调装置包括C1耦合器、C2耦合器、波分复用器、光谱分析仪、解调F-P腔、光电探测器、PZT驱动器和锁相放大器；

具有多个可用波长的宽带光源发出的光通过C1耦合器后进入新型集成式复合传感器，每个Bragg光栅反射各自中心波长附近的一个窄带光，其余波长的光透过Bragg光栅，透过最右侧Bragg光栅的光在传感器的两光纤端面反射而产生EFPI干涉条纹，Bragg光栅的反射光和EFPI干涉条纹迭加在一起，通过C1耦合器和波分复用器分波后，进入光谱分析仪；EFPI干涉条纹通过C2耦合器到达另一由单模光纤的端面和PZT驱动器上多模光纤端面一起形成的解调F-P腔，当解调F-P腔的腔长与传感F-P腔长一致时，将产生干涉信号，该干涉信号通过C2耦合器到达光电探测器，光电探测器的PD电信号和同频的PZT驱动器同步信号同时送入锁相放大器，锁相放大器和波形存贮器通过信号线相连接，所述光谱分析仪和所述波形存贮器通过信号线与PC机相连接。

2.一种基于新型集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置的监测方法，包括如下步骤：

第一步，在非预埋损伤试件的表面的关键受力部位布置新型集成式复合传感器并形成阵列，固定每个测量回路内各个光栅的中心波长及其工作范围，以保证在非均匀应变重构中能根据独立变化的波长成功“寻址”到每个光栅；

第二步，复合材料柔性板表面放置重物以产生静态应变，在合材料柔性板表面中心位置处施加一个冲击力以使合材料柔性板表面产生自振；

第三步，利用光谱分析仪扫描测量光和Bragg光栅的透射光，获取入射光和透射光的光谱及透射谱，将该透射谱的采样点换算成反射率，得到每个Bragg光栅的反射谱，利用反射谱对均匀应变、非均匀应变分布进行测试，并通过增加一个布设于与被测材料一样、温度场一致但不受力的构件上的光纤光栅来进行温度补偿；

第四步，对PZT驱动器施加扫描信号，确定复合材料柔性板的主要振动模态，所述振动频率的解调算法为：

当扫描频率f_s大于结构振动频率的若干倍以上时，光电探测器的PD电信号的PD输出的准正弦信号δ₁为

δ₁=Asin[2πf_st+φ₀+k₁V(t)]

式中，A为幅值，φ₀为无振动时的初始相位常量，k₁为常量，t是时间，V(t)为振动信号，与扫描同频的同步信号为

δ₂=Bsin[2πf_st+φ₁]

式中φ₁为初相位常量，B为幅值；锁相放大器输出信号ξ_out与δ₁和δ₂的相位差成正比，则

ξ_out=k₂V(t)+φ₁-φ₀

式中，k₂转换常量，φ₁-φ₀为无振动时的两信号初始相位差；

输出ξ_out与振动信号是线性关系，反映了振动的实际情况，包括振幅、振动频率及阻尼系数等相关参量；

第五步，对复合材料柔性板进行整体有限元建模，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种复合材料柔性板整体损伤分布形式，使其对应的结构模态频率计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构整体损伤的位置、程度；

第六步，由应变重构过程中提取的应变梯度信息确定可能的损伤区域，对这些区域进行精细化的有限元建模，获得Bragg光栅阵列附近的应变分布，依据改进的传输矩阵计算Bragg光栅的反射谱，建立关于仿真反射谱与新型集成式复合传感器实测反射谱的适应度函数，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种结构局部尺度损伤分布形式，使其对应的Bragg光栅反射谱计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构局部损伤的位置及程度。

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