CN105842345B - 一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，属于光纤传感的信号处理及应用技术领域。该方法包括以下步骤：S1：搭建具有温度补偿功能的FBG应变花传感网络检测声发射信号；S2：通过信源估计方法改进分离算法，对声发射信号进行分离，得到定位所需的单个声发射信号；S3：通过滤除非裂纹源算法对分离得到的单个声发射信号集合进行干扰源滤除，得到所需的裂纹声发射信号；S4：通过设定经验阈值对FBG检测到的单个声发射信号设计判定声发射事件开始和结束时刻的策略，进而求取各个声发射事件导致的应变花FBG波长漂移量；S5：建立FBG传感器横向效应补偿因子模型H，引入应变解耦模型，根据应变花定位原理对每个裂纹声发射事件进行定位。本方法考虑了外部干扰源问题，能够用于检测与定位结构多裂纹情况。

Description

一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法

技术领域

本发明属于光纤传感的信号处理及应用技术领域，涉及一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法。

背景技术

随着我国经济及科学技术的发展，越来越多的大型设备，如航空飞行器、舰船、海洋平台、轨道、桥梁等逐渐服役用来服务于社会，然而这些设备在服役期间不可避免地受到各种各样的冲击、疲劳等因素的影响，进而产生结构裂纹。这些结构裂纹如若不及早发现，便会随着服役发生扩展，不仅会对结构部位产生损坏，极有可能影响设备的安全运行，对人们的生命财产产生巨大的威胁，因此，设计一种可行的结构裂纹定位传感系统意义重大。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性高、易串接复用和不影响宿主材料结构特性等优点，广泛应用于航空航天、舰船工业、海洋平台、土木工程及医学工程等领域。

目前，FBG传感技术已被国内外很多研究者应用于结构单个裂纹的检测，而对结构多裂纹定位研究上，由于观测信号是多个未知数目的源信号的混叠，常规的单裂纹定位技术便不再适用。依据FBG对应变敏感的特性，针对结构多裂纹检测检测方法，根据其原理可分为谐波定位法和声发射(Acoustic emission，AE)定位法。谐波定位法主要是依据把裂纹视作造成谐波的来源，通过激励源激励结构材料，对采集数据进行时间反转技术,进而对裂纹造成的谐波源进行聚焦，该方法局限在数值仿真上，且信号采集困难，而不当的激励方式也可能会对结构产生一定的影响；声发射定位法主要依据是裂纹在产生和扩展的时候会产生AE现象，进而通过传感器接收AE应力波，再通过定位算法进行定位，概括起来主要有基于独立分量分析的多裂纹定定位法和基于最小方差无失真响应的多裂纹定定位法。基于独立分量分析的定位法存在着默认裂纹源数目已知的缺陷；而基于最小方差无失真响应的定位法在采集信号上，每个信号对应一个FBG传感器，局限于FBG传感网络上。并且这两种方法都没有考虑外部干扰源的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，该方法能够用于检测与定位结构多裂纹情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，该方法包括以下步骤：

S1：搭建具有温度补偿功能的FBG应变花传感网络检测声发射信号；

S2：通过信源估计方法改进分离算法，对声发射信号进行分离，得到定位所需的单个声发射信号；

S3：通过滤除非裂纹源算法对分离得到的单个声发射信号集合进行干扰源滤除，得到所需的裂纹声发射信号；

S4：通过设定经验阈值对FBG检测到的单个声发射信号设计判定声发射事件开始和结束时刻的策略，进而求取各个声发射事件导致的应变花FBG波长漂移量；

S5：建立FBG传感器横向效应补偿因子模型H，引入应变解耦模型，根据应变花定位原理对每个裂纹声发射事件进行定位。

进一步，在步骤S4中，通过设置经验阈值来对FBG应变花结构检测到的裂纹声发射事件进行判定其开始和结束时刻，再通过设定其最大波长漂移量时刻，进而确定波长漂移量，具体包括以下步骤：

S41：开始时刻：通过设置经验阈值，其与FBG检测信号波形的交点即为开始时刻，且对三个FBG传感信号做同样处理；

S42：最大波长漂移量时刻：在开始时刻后，对各个FBG传感信号进行一次求导，第一个零点所对应的时刻即为对应传感器的峰值时刻，记为t_i(i＝1,2,3为FBG传感器序号)，则声发射事件的峰值时刻为

S43：结束时刻：当三个传感器波长值，都在我们设置的阈值内时的时刻设置为声发射事件结束时刻。

进一步，在步骤S5中，采用粘合剂(如环氧树脂等)将一不同中心波长的FBG传感器单端固定在被测结构位置上，实现对应变花结构的温度补偿。

进一步，在步骤S5中，通过构建FBG传感器横向效应补偿因子模型H来减少FBG测量应变误差，由FBG传感原理推导出H如下式所示：

式中：P_e和P′_e分别是指在轴向应力和横向应力作用下的FBG有效弹光系数，且p₁₁、p₁₂为单模光纤的弹光系数，μ₀为光纤的泊松比，n_eff是纤芯折射率。

进一步，在步骤S5中，引入解耦模型，使得FBG二维应变之间的耦合作用被消除，以提高测量精度，减小定位误差。根据解耦原理，推出FBG二维应变解耦模型，如下式所示：

ε_i＝(1-H²)κε′_i

式中：ε_i为FBG粘贴方向的应变值，ε′_i为FBG的测量值，i＝1,2,3为传感器序号，κ＝(1-μ₀H)/(1-H²)，表示FBG轴向方向上真实应变值和测量应变值的比值，μ₀为光纤的泊松比H为FBG横向效应补偿因子模型。

本发明的有益效果在于：本发明提供的光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法考虑了外部干扰源问题，能够用于检测与定位结构多裂纹情况。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为FBG直角应变花结构示意图；

图3为剔除干扰源方法流程图；

图4为已知源数目的信号分离方法框图；

图5应变解耦模型示意图；

图6 FBG1-3光谱检测开始、结束时刻图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本实施例包括两个部分，第一部分是信号处理，即是对FBG传感信号进行处理，以得到我们定位所需的FBG波长漂移量数据。第二部分是多裂纹定位，也即是根据裂纹声发射应力波导致的FBG波长漂移量，采用具有温度补偿功能的FBG直角应变花模型对裂纹进行定位。具体的设计方法包括如下步骤：

1.信号处理。首先，通过声发射源数目估计方法(如本实施例选用交叉验证思想)来改进盲分离算法，进而实现多声发射信号的分离；其次，采用合适的权值算法(如本实施例选用质心加权算法)构建滤除非裂纹源算法，得到裂纹声发射信号；最后设计分布式FBG动态传感信号波长漂移量提取策略，对单个裂纹声发射现象导致的FBG波长漂移量进行提取。

1.1多声发射信号分离。首先，采用交叉验证技术对声发射信号源数目进行估计；其次，采用盲均衡算法对已知数目的声发射信号进行分离。

1.2非裂纹源滤除。采用质心加权算法构建滤除非裂纹源算法，根据声发射应力波特征参数，构建声发射应力波综合指标，当综合指标落在[μ-3σ,μ+3σ]的区间外时，剔除该干扰信号。其中σ表示特征参数的标准偏差，μ表示特征参数的平均值。

1.3 FBG应变花定位模型波长漂移量提取策略。由于本方法是以三个串接的FBG组成的应变花为对象，因此需要确定同一声发射事件造成的三个应变FBG信号何时为提取波长值时刻。通过设置经验阈值，来确定每一个声发射事件造成的三个应变FBG信号的开始时刻、峰值时刻和结束时刻，实现对动态FBG信号波长漂移量的求取。

2.多裂纹定位。采用带温度补偿功能的FBG应变花结构(如实施例采用直角应变花结构)对声发射信号进行检测，并构建裂纹感应与传感网络，将多个FBG直角应变花串接实现分布式传感检测，通过FBG反射光谱中心波长漂移量来对结构裂纹实时检测。

2.1定位模型。将FBG传感器和力学测量中测量应力波主应变方向的应变花原理相结合，采用三个FBG传感器构建一组FBG直角应变花结构模型，即可测量一个应力波的主应变方向角，当布置两组不同位置的FBG直角应变定位结构模型，两条相交的直线即可确定裂纹的具体位置。

2.2温度补偿。在FBG直角应变花结构上增加一单端粘贴且中心波长不同的FBG传感器。

2.3构建横向效应补偿因子模型。通过对平面应变条件下的FBG受力分析，构建H的理论模型。

2.4 FBG应变解耦。引入控制理论中的解耦原理对FBG传感器在二维平面条件下的横纵应变进行解耦。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本方法具体包括：

1、获得光谱

选取四个中心波长不同的FBG传感器，按照图2方式进行布置，即一组FBG应变花。其中FBG1-FBG3为定位传感器，使用粘合剂(如环氧树脂等)，将FBG1-FBG3完全粘贴在相应位置上，FBG4为温度补偿传感器，且为单端固定。

2、多裂纹声发射信号分离方法

2.1裂纹数目估计

本发明引入基于交叉验证技术的时变信源数估计方法来进行盲源数估计，基本思想如下：

式中：n(t)为裂纹估计数。i＝1,2,…,m，m为FBG检测到的信号个数。trace()为矩阵求迹运算。ψ⁽ⁱ⁾＝diag(C-BB^T)，C＝xx^T为观测信号x的协方差矩阵。B＝U_iΛ_i，Λ_i为矩阵C前i个特征值组成的对角矩阵，U_i的列向量是矩阵C前i个特征值对应的特征向量；而计算的B＝U_mΛ_m对角矩阵Λ_m的对角线与Λ_m的交叉，且两个矩阵在对角线上的元素排序的相反的。为了满足估计时变裂纹数目的要求，C采用增量式(2)、递推式(3)、(4)计算：

2.2裂纹数目已知的信号分离技术

图3中，s(t)是裂纹声发射信号，G是未知信道，x(t)是观测信号，w(t)是分离矩阵，是输出信号y(t)的广义能量函数，f()是非线性函数，常见的有f(y)＝y，f(y)＝y³，f(y)＝tanh(y)等，由设备所处的特殊环境决定。为源信号的期望信号。e(t)是分离矩阵的调节因子。

采用最小均方(LMS)算法最小化输出信号y(t)的广义能量目标函数

可得分离矩阵w(t)的迭代公式

式中：η为迭代系数。

而非线性函数f()，由设备的服役环境决定，采用盲解卷结果与期望信号的相似程度，即相似系数来检验，表示如下:

相似度系数最大的非线性函数确定为本系统的f()。

同时采用估计值和输入值之间的误差e(t)来对分离矩阵进行补偿，图4中的盲解卷滤波器补偿系数e(t)的目标函数可表示为：

通过常模算法(CMA)，最小化上式，可得w(t)的自适应迭代式

式中：t＝2，μ为自适应迭代式的步长，根据实验分离效果确定μ的最优值。

3、非裂纹源滤除

由于每个应力波可以用少数几个特征参数来表示，本发明采用复杂度较低的质心加权算法求取权重，求取第i个声发射事件中的第j项参数w_j，设E_j是每个应力波的第j个特征值检测值，得应力波的综合指标

进而利用3σ原理对非裂纹源进而滤除。其具体流程如图4所示。

4、应力波提取波峰策略

经非裂纹源滤除、信号分离等步骤处理过的声发射应力波，由于是动态信号，为避免手动提取FBG波长漂移量，因此在运用应变花求取声发射应力波主应变方向时需要确定出输入波长的值，此时需要确定提取波长值的时刻，处理步骤如下：

开始时刻：以FBG1为例，通过设置经验干扰波长变化量Δλ，其与波形的交点时刻即作为FBG1开始时刻，对三个FBG波形进行同样处理，设置最早时刻作为开始时刻；

波长漂移量确定时刻：在开始时刻后，通过一次求导，第一个零点即为所求时刻，记为t₁，同理，对FBG2，FBG3做同样处理，即可得同一次裂纹声发射事件内各自的波长漂移量最大时刻，即定位模型所需的波长值，则τ时刻对应的FBG1-3的各自波长值，其中

然后提取τ时刻FBGi(i＝1,2,3)的波长漂移量，求取相应的应变值，实现裂纹定位。

结束时刻：当三个传感器波长值，都在我们设置的阈值内的时刻设置为声发射事件结束时刻。如图5所示，其中矩形点表示开始标识，圆点表示结束标识。

5、多裂纹定位

5.1 FBG直角应变原理

图2所示为带有温度补偿的FBG直角应变花示意图。传感器粘贴处的三个应变分量ε_x，ε_y，γ_xy和FBG测量应变之间的关系

主应变方向由式(12)给出。

式中α为主应变的方向和X轴主方向的夹角，ε_0°，ε_45°和ε_90°分别是相应下标角度方向上的测量应变值。

5.2 FBG传感器横向效应修正

光纤Bragg光栅由于具有横向效应，因此需要对式(12)中的ε_0°，ε_45°和ε_90°进行横向效应补偿，平面应变条件下两个相互垂直的FBG横向效应补偿表达式

式中ε₁、ε₂分别为FBGi方向、FBGj方向应变的真实值，ε′₁、ε′₂分别为FBGi方向、FBGj方向的测量值(其中i＝1，j＝3或i＝2，j＝4)，κ＝(1-μ₀H)/(1-H²)，μ₀为光纤的泊松比，H＝K_B/K_L为横向效应补偿因子模型，K_B为其横向灵敏系数，K_L为轴向灵敏系数。

而横向效应补偿因子模型H由下式给出

式中P_e和P′_e分别是指在轴向应力和横向应力作用下的FBG有效弹光系数，且p₁₁、p₁₂为单模光纤的弹光系数，μ₀为光纤的泊松比，n_eff是纤芯折射率。

5.3应变解耦模型

由于平面应变下，FBG对二维应变(ε₁、ε₂)存在交叉敏感，即耦合关系，采用控制理论中的解耦原理来实现应变的解耦，其系统解耦模型如图6所示。图中输入信号ε′₁、ε′₂分别为FBGi、FBGj方向应变的测量值，输出信号ε₁、ε₂分别为FBGi、FBGj的方向应变真实值；G₁₁(s)、G₁₂(s)、G₂₁(s)和G₂₂(s)为耦合对象，结合式(3)可知，G₁₁(s)＝κ、G₁₂(s)＝-κH、G₂₁(s)＝-κH及G₂₂(s)＝κ，D₁₂(s)、D₂₁(s)为解耦因子。FBG横向效应解耦模型由下式给出。

ε＝(1-H²)κε’ (16)

式中ε是经解耦得到的应变值，κ＝(1-μ₀H)/(1-H²)，H为横向效应补偿因子，ε’为测量应变值。

5.4多裂纹定位

裂纹产生的应力波经过检测位置时，通过一组应变花可以确定一个应力波的主应变方向角，当在不同位置放置两个应变花时，可以得到两个方向角，其交点便可确定裂纹位置。对于多裂纹情况，通过上述信号处理，也即把多裂纹分离成了单个裂纹的集合，再采用FBG直角应变定位原理实现多裂纹定位。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：搭建具有温度补偿功能的FBG应变花传感网络检测声发射信号；

S2：通过信源估计方法改进分离算法，对声发射信号进行分离，得到定位所需的单个声发射信号；所述的通过信源估计方法改进分离算法具体为：首先，采用交叉验证技术对声发射信号源数目进行估计；其次，采用盲均衡算法对已知数目的声发射信号进行分离；

S3：通过滤除非裂纹源算法对分离得到的单个声发射信号集合进行干扰源滤除，得到所需的裂纹声发射信号；所述的滤除非裂纹源算法为：采用质心加权算法构建滤除非裂纹源算法，根据声发射应力波特征参数，构建声发射应力波综合指标，当综合指标落在[μ-3σ,μ+3σ]的区间外时，剔除干扰信号；其中σ表示特征参数的标准偏差，μ表示特征参数的平均值；

S4：通过设定经验阈值对FBG检测到的单个声发射信号设计判定声发射事件开始和结束时刻的策略，进而求取各个声发射事件导致的应变花FBG波长漂移量；

S5：建立FBG传感器横向效应补偿因子模型H，引入应变解耦模型，根据应变花定位原理对每个裂纹声发射事件进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，其特征在于：在步骤S4中，通过设置经验阈值来对FBG应变花结构检测到的裂纹声发射事件进行判定其开始和结束时刻，再通过设定其最大波长漂移量时刻，进而确定波长漂移量，具体包括以下步骤：

S41：开始时刻：通过设置经验阈值，其与FBG检测信号波形的交点即为开始时刻，且对三个FBG传感信号做同样处理；

S42：最大波长漂移量时刻：在开始时刻后，对各个FBG传感信号进行一次求导，第一个零点所对应的时刻即为对应传感器的峰值时刻，记为t_i,其中i＝1,2,3为FBG传感器序号,则声发射事件的峰值时刻为

S43：结束时刻：当三个传感器波长值，都在我们设置的阈值内时的时刻设置为声发射事件结束时刻。

3.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，其特征在于：在步骤S5中，采用粘合剂将一不同中心波长的FBG传感器单端固定在被测结构位置上，实现对应变花结构的温度补偿。

4.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，其特征在于：在步骤S5中，通过构建FBG传感器横向效应补偿因子模型H来减少FBG测量应变误差，由FBG传感原理推导出H如下式所示：

式中：P_e和P′_e分别是指在轴向应力和横向应力作用下的FBG有效弹光系数，且p₁₁、p₁₂为单模光纤的弹光系数，μ₀为光纤的泊松比，n_eff是纤芯折射率。

5.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法，其特征在于：在步骤S5中，引入解耦模型，使得FBG二维应变之间的耦合作用被消除，以提高测量精度，减小定位误差，根据解耦原理，推出FBG二维应变解耦模型，如下式所示：

ε_i＝(1-H²)κε′_i

式中：ε_i为FBG粘贴方向的应变值，ε′_i为FBG的测量值，i＝1,2,3为传感器序号，κ＝(1-μ₀H)/(1-H²)，表示FBG轴向方向上真实应变值和测量应变值的比值，μ₀为光纤的泊松比，H为FBG横向效应补偿因子模型。