CN107367237B - 一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能传感技术领域，具体公开了一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，首先将梯形等悬臂梁固定，将传感光纤安装在悬臂梁上，利用梯形等悬臂梁确定分布式光纤传感系统的形变感知范围，测量梯形等悬臂梁在传感光纤向下施加载荷的作用下所产生的挠度形变，并记录分布式光纤传感系统的形变测量值，构建分布式光纤传感系统的形变解算模型，确定分布式光纤传感系统的形变解算值，利用分布式光纤传感系统的形变解算方法确定分布式光纤传感系统的形变，该方法施加方式灵活、操作简单、精度高、成本低、实时性好。

Description

一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法

技术领域

本发明属于智能传感技术领域，具体涉及一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法。

背景技术

以空天往返飞行器为代表的现代武器装备结构较为复杂，并具有多次重复使用的特点，在长期恶劣环境中服役会受到强冲击、强振动等各种各样的载荷作用，由此会导致结构疲劳损伤，并对飞行器的健康状态产生显著影响。实现飞行器机体结构形变的状态监测可为飞行器综合状态诊断及管理提供依据。

分布式光纤传感器具有质量轻、体积小、便于组网、分布式测量、传输距离远、抗电磁干扰能力强、环境适应性强等优点，是实现飞行器机体形变监测的重要技术手段。由于不同厂家、不同型号、不同护套材料的光纤传感器存在一定的差异，因此在工程应用中，光纤传感器在敏感形变量前，需利用一套形变监测及应力施加装置对光纤传感器进行静态和动态性能测试。

目前，常用的形变监测方法是利用应变片对某定点处的形变进行传感测量，而分布式光纤传感器是对在一定空间内的形变信息进行感知，因此直接使用定点形变测量的应变片法对分布式光纤传感系统的监测并不合适。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，能够为光纤传感系统施加分布式应力，并对施加的应力值进行估计

本发明的技术方案如下：

一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，该方法包括如下步骤：

1)梯形等悬臂梁固定及分布式光纤传感器安装

将梯形等悬臂梁平放在工作台面上，梯形等悬臂梁的固定端固定与工作台面，梯形等悬臂梁的自由端伸出工作台面外，自由端上施加载荷P；

将传感光纤布置安装在梯形等悬臂梁上表面；

2)利用梯形等悬臂梁确定分布式光纤传感系统的形变感知范围；

a)利用下式确定悬臂梁的固定端O点处梁横截面的惯性矩I₀

I₀＝b₀h³/12

其中，b₀为梯形等悬臂梁固定端横截面宽度，h为梯形等悬臂梁厚度；

b)利用下式确定梯形等悬臂梁最大扰度y_max

y_max＝(PL³)/(2EI₀)

其中，L为梯形等悬臂梁长度，E为梯形等悬臂梁材料的杨氏模量，是表征材料特性的常数；P是作用于梯形等悬臂梁自由端的集中荷载；

c)利用下式确定分布式光纤传感系统的形变感知范围

ε_max＝(h/L²)·y_max

其中，ε_max为分布式光纤传感系统的形变感知最大值；

3)测量梯形等悬臂梁在传感光纤向下施加载荷的作用下所产生的挠度形变，并记录分布式光纤传感系统的形变测量值；

a)首先测量在传感光纤荷载的作用下自由端的挠度y_L；

b)利用下式确定在自由端端部，梯形等悬臂梁所产生的形变ε_L

其中，y_L为自由端的挠度；

c)记录分布式光纤传感系统测量得到的固定于悬臂梁上传感光纤的测量值ε_m；

4)构建分布式光纤传感系统的形变解算模型；

a)建立分布式光纤传感系统的形变标校模型；

ε_L ¹＝a·(ε_m ¹)²+b·ε_m ¹+c

ε_L ²＝a·(ε_m ²)²+b·ε_m ²+c

…

ε_L ^N＝a·(ε_m ^N)²+b·ε_m ^N+c

其中，ε_m ¹,ε_m ²,…,ε_m ^N为测量值ε_m对应梯形等悬臂梁沿长度方向上不同位置的测量值，N为载荷作用次数即测量次数；

b)求取上述形变标校模型中的待定参数a、b和c，获取分布式光纤传感系统的形变解算模型如下

其中：为分布式光纤传感系统的形变解算值。

上述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法中，还包括步骤5)验证分布式光纤传感系统的形变解算模型，具体如下：

在自由端施加载荷Pt，测量梯形等悬臂梁所产生的理论形变值ε_L ^t和分布式光纤传感系统测量得到的形变测量值ε_m ^t，带入上述分布式光纤传感系统的形变解算模型，得出载荷Pt作用下的分布式光纤传感系统的形变解算值，若该值与理论目标形变值ε_L ^t相同，实现分布式光纤传感系统的形变施加与标校。

上述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法中，所述的步骤1)中，将传感光纤在梯形等悬臂梁上布局，传感光纤在固定端和自由端之间以等长度直线弯折的形状布置，直线方向与梯形等悬臂梁的长度方向一致，相邻直线之间等距离分布。

上述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法中，所述的步骤1)中，梯形等悬臂梁上的传感光纤长度应不小于光纤传感系统的空间分辨率参数，以满足梁的有限长度需求及沿光纤的轴向形变传感需求。

上述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法中，所述的步骤3)中测量在传感光纤荷载的作用下自由端的挠度y_L采用千分尺进行测量。

本发明的显著效果在于：

基于梯形等强度梁的力学理论，等强度梁上下表面处的任意点在荷载作用下所产生的应力处处相等，即产生分布式形变；分布式形变在不必确知材料性质情况下，可通过测量梁上任意位置的挠度来获取理论应变值；通过获取的理论应变值和分布式光纤传感系统的测量值，实现系统形变感知性能的初步标校。

本发明将梯形等强度梁和分布式光纤传感器相结合，提出一种分布式形变监测装置及施加方法，进一步实现分布式光纤传感系统的形变测试与初步校准。

通过建立分布式的形变与分布式光纤传感系统测量值之间的相关性模型，以及利用挠度的直接测量对分布式形变进行监测实现的，建立了基于梯形等悬臂梁的分布式应变产生理论模型的形变施加方法，同时利用分布式光纤传感系统的形变解算方法确定分布式光纤传感系统的形变，该方法施加方式灵活、操作简单、精度高、成本低、实时性好。

附图说明

图1为梯形等悬臂梁形状示意图；

图2为梯形等悬臂梁固定安装示意图；

图3为分布式光纤传感器在样件上的布局示意图；

图中：1.梯形等悬臂梁；2.工作台面；3.固定装置；4.传感光纤；5.固定端；6.自由端。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法包括下述步骤：

1)梯形等悬臂梁固定及分布式光纤传感器安装

如图1所示的梯形等悬臂梁1形状示意图，上下底之间的距离为梯形等悬臂梁1的长度，下底为固定端5，固定端5的截面宽度为b₀，固定端5的上端点为O。梯形等悬臂梁的上端为自由端6，自由端6的上端点为A。

如图2所示，将梯形等悬臂梁1平放在工作台面2上，利用固定装置3将梯形等悬臂梁1的固定端5固定于工作台面2，梯形等悬臂梁1的自由端6上施加载荷P，在载荷P作用下，自由端6下垂产生挠度变形。

如图3所示，将传感光纤4在梯形等悬臂梁1上布局，传感光纤4在固定端5和自由端6之间以等长度直线弯折的形状布置，直线方向与梯形等悬臂梁1的长度方向一致，相邻直线之间等距离分布。

上述的梯形等悬臂梁1上的传感光纤4长度应不小于光纤传感系统的空间分辨率参数，以满足梁的有限长度需求及沿光纤的轴向形变传感需求。

2)利用梯形等悬臂梁确定分布式光纤传感系统的形变感知范围；

设分布式光纤传感系统的形变感知范围为[0,ε_max]。

首先利用下式确定悬臂梁的固定端O点处梁横截面的惯性矩I₀

I₀＝b₀h³/12

其中，b₀为梯形等悬臂梁固定端横截面宽度，h为梯形等悬臂梁厚度；

然后利用下式确定梯形等悬臂梁最大扰度y_max

y_max＝(PL³)/(2EI₀)

其中，L为梯形等悬臂梁长度，E为梯形等悬臂梁材料的杨氏模量，是表征材料特性的常数；P是作用于梯形等悬臂梁自由端的集中荷载；

再利用下式确定分布式光纤传感系统的形变感知范围

ε_max＝(h/L²)·y_max

3)测量梯形等悬臂梁在传感光纤向下施加载荷的作用下所产生的挠度形变，并记录分布式光纤传感系统的形变测量值。

a)首先测量在传感光纤荷载的作用下自由端的挠度y_L

在传感光纤荷载的作用下，自由端的挠度y_L可通过千分尺进行测量；

b)利用下式确定在自由端端部，梯形等悬臂梁所产生的形变ε_L

其中，y_L为自由端的挠度；

由于梯形等悬臂梁上、下表面处的任意点在荷载P作用下产生的应力处处相等，因此传感光纤施加的分布式形变理论值为ε_L；

c)记录分布式光纤传感系统测量得到的固定于悬臂梁上传感光纤的测量值ε_m；

分布式光纤传感系统与上述的传感光纤相连，传感光纤的测量值通过分布式光纤传感系统测量得到，记为ε_m；

4)构建分布式光纤传感系统的形变解算模型。

在不同载荷Pi(i＝1,2,…,N)作用下，梯形等悬臂梁沿长度方向会产生不同的挠度值yi(i＝1,2,…,N)，N为载荷作用次数，通过挠度值yi可获取不同的梯形等悬臂梁沿长度方向上的理论形变目标样本集{ε_L ¹,ε_L ²,…,ε_L ^N}；

结合分布式光纤传感系统对应的测量数据集，即长度方向上不同位置的测量值{ε_m ¹,ε_m ²,…,ε_m ^N}，利用二次多项式拟合建立分布式光纤传感系统的形变标校模型

ε_L ¹＝a·(ε_m ¹)²+b·ε_m ¹+c

ε_L ²＝a·(ε_m ²)²+b·ε_m ²+c

…

ε_L ^N＝a·(ε_m ^N)²+b·ε_m ^N+c

利用最小二乘法求取上述形变标校模型中的待定参数a、b和c，即可获取分布式光纤传感系统的形变解算模型，如下。

5)验证上述模型

重新施加载荷Pt，测量梯形等悬臂梁所产生的理论形变值ε_L ^t和分布式光纤传感系统测量得到的形变测量值ε_m ^t，并将形变测量值ε_m ^t输入到已建立的形变计算模型中，获取初步标校后的最佳形变估计值该形变估计值与理论目标形变值ε_L ^t一致，进而实现分布式光纤传感系统的形变施加与标校。

Claims (5)

1.一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)梯形等悬臂梁固定及分布式光纤传感器安装

将梯形等悬臂梁平放在工作台面上，梯形等悬臂梁的固定端固定与工作台面，梯形等悬臂梁的自由端伸出工作台面外，自由端上施加载荷P；

将传感光纤布置安装在梯形等悬臂梁上表面；

2)利用梯形等悬臂梁确定分布式光纤传感系统的形变感知范围；

a)利用下式确定悬臂梁的固定端O点处梁横截面的惯性矩I₀

I₀＝b₀h³/12

其中，b₀为梯形等悬臂梁固定端横截面宽度，h为梯形等悬臂梁厚度；

b)利用下式确定梯形等悬臂梁最大扰度y_max

y_max＝(PL³)/(2EI₀)

其中，L为梯形等悬臂梁长度，E为梯形等悬臂梁材料的杨氏模量，是表征材料特性的常数；P是作用于梯形等悬臂梁自由端的集中荷载；

c)利用下式确定分布式光纤传感系统的形变感知范围

ε_max＝(h/L²)·y_max

其中，ε_max为分布式光纤传感系统的形变感知最大值；

3)测量梯形等悬臂梁在传感光纤向下施加载荷的作用下所产生的挠度形变，并记录分布式光纤传感系统的形变测量值；

a)首先测量在传感光纤荷载的作用下自由端的挠度y_L；

b)利用下式确定在自由端端部，梯形等悬臂梁所产生的形变ε_L

其中，y_L为自由端的挠度；

c)记录分布式光纤传感系统测量得到的固定于悬臂梁上传感光纤的测量值ε_m；

4)构建分布式光纤传感系统的形变解算模型；

a)建立分布式光纤传感系统的形变标校模型；

ε_L ¹＝a·(ε_m ¹)²+b·ε_m ¹+c

ε_L ²＝a·(ε_m ²)²+b·ε_m ²+c

…

ε_L ^N＝a·(ε_m ^N)²+b·ε_m ^N+c

其中，ε_m ¹,ε_m ²,…,ε_m ^N为测量值ε_m对应梯形等悬臂梁沿长度方向上不同位置的测量值，N为载荷作用次数即测量次数；

b)求取上述形变标校模型中的待定参数a、b和c，获取分布式光纤传感系统的形变解算模型如下

其中：为分布式光纤传感系统的形变解算值。

2.如权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，其特征在于，还包括步骤5)验证分布式光纤传感系统的形变解算模型，具体如下：

在自由端施加载荷Pt，测量梯形等悬臂梁所产生的理论形变值ε_L ^t和分布式光纤传感系统测量得到的形变测量值ε_m ^t，带入上述分布式光纤传感系统的形变解算模型，得出载荷Pt作用下的分布式光纤传感系统的形变解算值，若该形变解算值与理论目标形变值ε_L ^t相同，实现分布式光纤传感系统的形变施加与标校。

3.如权利要求1或2所述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，其特征在于，所述的步骤1)中，将传感光纤在梯形等悬臂梁上布局，传感光纤在固定端和自由端之间以等长度直线弯折的形状布置，直线方向与梯形等悬臂梁的长度方向一致，相邻直线之间等距离分布。

4.如权利要求1或2所述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，其特征在于，所述的步骤1)中，梯形等悬臂梁上的传感光纤长度应不小于光纤传感系统的空间分辨率参数，以满足梁的有限长度需求及沿光纤的轴向形变传感需求。

5.如权利要求1或2所述的一种分布式光纤传感系统的形变施加及标校方法，其特征在于，所述的步骤3)中测量在传感光纤荷载的作用下自由端的挠度y_L采用千分尺进行测量。