CN107628268B - 基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法 - Google Patents
基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法，属于结构监测领域。包括以下步骤：步骤一：传感器布局；步骤二：截取待测冲击点有效信号段并提取低频逼近系数变化幅度；步骤三：施加样本冲击载荷，并计算响应信号低频逼近系数变化幅度特征；步骤四、根据靠近自由端传感器响应信号低频逼近系数变化幅度、所有传感器响应信号低频逼近系数变化幅度之和，确定待测点所在区域；步骤五：构建不同区域对应的冲击点轴向位置与其冲击响应信号低频逼近系数变化幅度之间的关系模型；步骤六：确定待测冲击点位置。本发明所述定位算法具有无需大量先验知识、实用性强、适用于低频光纤光栅采样模式等特点。
Description
技术领域：
本发明属于结构健康监测的冲击监测技术领域，具体提出了一种基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法。
背景技术：
航空航天飞行器的安全性和可靠性是通过定期的检查和维护来保证的，然而飞行器上由冰雹、飞鸟、空间碎片等对飞行器撞击造成的损伤难以检测且可能会在发现损伤之前对飞行器的安全性造成难以估量的影响。因此需要监测和定位可能对飞行器造成难以检测损伤的冲击，使得能够更好地对飞行器进行健康监测。
目前，国内外针对冲击载荷定位的研究中，最广泛使用的冲击定位方法为三角定位法，但三角定位法需要较高的数据采样频率以获取冲击载荷在板结构中激励出Lamb波的到达时间差。另外，通过比较冲击响应信号与样本信号间相似度以实现冲击载荷定位和将冲击载荷定位问题看作是模式识别问题，使用序列相似度比较算法和神经网络算法实现冲击点位置的识别。此类方法需要大量的冲击点响应信号建立样本信号数据库，工程实用性不强，且以上冲击载荷定位方法皆为针对四边固支板状结构的冲击定位方法。
针对单边固支机翼结构的冲击监测定位要求，需要研究无需大量先验知识，能够适用于分布式多通道低采样频率的常规光纤光栅解调仪，且监测原理简洁，计算负担较小的新方法。为此，本发明提出了一种基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼低速冲击位置辨识方法。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法，该方法采用分布式光纤布拉格光栅传感器网络感知结构中不同位置的冲击响应信号，基于Teager能量算子处理方法截取冲击响应信号中的有效信号，并对有效信号进行小波分析。利用其低频逼近系数的变化幅度与冲击点在单边固支机翼上轴向位置间的关系，实现冲击定位。
该方法适用于定量估计单边固支机翼结构受到冲击载荷作用后机翼的摆动幅度，可应用于航空航天领域单边固支机翼结构冲击定位，无需大量先验知识、简单快捷、方便可靠、实用性强。
本发明的基于低频逼近系数变化幅度的单边固支机翼冲击定位方法，包括以下步骤：
步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；
单边固支机翼结构表面为低速冲击监测区域，选取单边固支机翼中轴线上靠近固支边的顶点O作为坐标原点，建立一维坐标系，定义X轴平行于机翼中轴线方向；在机翼中轴线上均匀布置若干光纤布拉格光栅传感器，且光纤传感器轴向沿着机翼中轴线方向，按照传感器到固支边的距离由近到远依次记作FBG1、FBG2、...、FBGn；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于单边固支机翼结构的背面，采用光纤跳线将各个光纤传感器连接，以此构成分布式传感器网络；
步骤二：基于Teager算子能量算子处理方法截取待测冲击点有效信号段并提取有效信号段的低频逼近系数变化幅度；
2-1采用冲击锤对单边固支机翼结构待监测冲击区域内的任意点施加低速冲击载荷，记录该冲击下分布式传感网络中n个光纤布拉格光栅传感器的冲击响应信号；
2-2对由各个光纤布拉格光栅传感器FBG1、FBG2、…、FBGn测得的冲击响应信号序列si进行Teager能量算子处理，得到Teager能量序列sti，其中i＝1,2,...,n为传感器编号；
2-3计算Teager能量序列sti中信号幅度平稳段序列绝对值的最大值δmax；计算序列Sdi＝Sti-δmax，并找到该序列元素中最后一个大于零元素的所在位置l；在冲击响应信号si中截取信号段si(l:end)作为有效信号；
2-4对截取后有效信号进行小波变换，得到由n个FBG测得的低频逼近系数向量cAi，其中i＝1,2,...,n为传感器编号；
由于机翼结构受到冲击产生的振动信号属于高频信号，而冲击产生的机翼摆动信号属于低频信号，且机翼的摆动幅度会随着冲击点到固支边距离的增大而增大，所以提取响应信号低频逼近系数变化幅度作为判断冲击点位置的特征参量：
cAmpi＝max(cAi)-min(cAi)
其中i＝1,2,...,n为传感器编号，max(·)表示取向量cAi中元素的最大值，min(·)表示取向量cAi中元素的最小值；
步骤三、施加样本冲击载荷，并计算各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度特征；
3-1在单边固支机翼结构表面施加若干与待测冲击点能量相同的样本冲击载荷，样本点的施加顺序和位置为每三个为一组，同组样本点具有相同的轴向坐标，且分别位于中轴线上、中轴线左侧区域的宽度轴向二分线上和中轴线右侧区域的宽度轴向二分线上；
3-2沿轴线方向从自由端到固支端依次施加每组样本冲击点，每当施加完一组冲击载荷样本点后，按照步骤二所述方法计算由最靠近自由端的光纤光栅传感器FBGn测得的该组中三个样本点响应信号低频逼近系数的变化幅度
若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值小于预设的阈值δ，则记录下此组样本点的轴向位置xm，其中阈值的设定依据需要根据定位精度决定，阈值过大影响冲击载荷点定位精度；阈值过小难以找到符合条件的冲击载荷点；在该组样本点后靠近固支边，即轴向坐标低于xm区域内停止在轴线两侧施加样本冲击载荷，只在轴线上施加样本冲击载荷；若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值大于预设的阈值δ，则继续施加下一组样本冲击载荷；
步骤四、根据靠近自由端传感器响应信号低频逼近系数变化幅度、所有传感器响应信号低频逼近系数变化幅度之和，确定待测点所在区域；
4-1在单边固支机翼表面定义轴向坐标低于xm区域为区域Ⅰ，定义轴向坐标高于xm的中轴线及其附近区域为区域Ⅱ，不同轴向位置区域Ⅱ宽度的大小为此处单边固支机翼结构宽度的四分之一；
4-2当单边固支机翼结构受到冲击载荷后，将由最靠近自由端的光纤布拉格光栅传感器FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpxn与轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
做对比；若FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度小于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅰ；若FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度大于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ；
4-3若判断待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ
计算由所有传感器测得的区域Ⅱ中各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp2；
计算由所有传感器测得的区域Ⅲ中各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp3；
计算由所有传感器测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为值sumcAmpx；
4-4计算sumcAmpx值与向量sumcAmp2中各元素差值绝对值的平均值，记为delt2；
计算sumcAmpx值与向量suncAmp3中各元素差值绝对值的平均值，记为delt3；
4-5将delt2与delt3值作比较，若delt2较小，则认为待测点位于区域Ⅱ，若delt3较小，则认为待测点位于区域Ⅲ；
步骤五：构建不同区域对应的冲击点轴向位置与其冲击响应信号低频逼近系数变化幅度之间的关系模型；
步骤5-1、根据区域Ⅰ和区域Ⅱ内的样本冲击点，建立单边固支机翼结构中轴向上冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a1 i、b1 i、c1 i表示在单边固支机翼结构的中轴线上，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间关系的系数；
步骤5-2、根据区域Ⅲ内一侧的样本冲击点，建立单边固支机翼结构靠近自由端中轴线两侧区域内冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a2 i、b2 i、c2 i表示在单边固支机翼结构靠近自由端的中轴线两侧，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系的系数；
步骤六、将距离单边固支机翼自由端较近的两个光纤布拉格光栅传感器所测响应信号的低频逼近系数变化幅度带入步骤五所述不同区域的定位关系模型，确定待测冲击点位置；
6-1、将由光纤布拉格光栅传感器FBGi测得的待测冲击点响应信号的低频逼近系数变化幅度代入由步骤五算出的冲击点所在区域内冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系式，可以得到通过FBGi测得的待测冲击点轴向坐标xi；
6-2、将由q个靠近单边固支机翼结构自由端的光纤布拉格光栅传感器FBGn、FBGn-1、...、FBGn-q+1测得的待测冲击点轴向坐标xn、xn-1...、xn-q+1的平均值作为待测冲击点的轴向坐标：
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出采用Teager能量算子方法识别并截取单边固支机翼上冲击载荷造成的机翼摆动信号，使用机翼摆动信号小波分解后得到的低频逼近系数的变化幅度作为表征光纤布拉格光栅传感器单边固支机翼结构冲击响应信号的特征参量，通过距离自由端最近光纤光栅传感器所测特征参量和所有光纤光栅传感器所测特征参量之和进行区域定位，该方法通过测量不同位置处冲击载荷引起的机翼振动；监测单边固支机翼结构，实现对冲击载荷位置的辨识；
(2)本发明通过拟合靠近机翼自由端传感器响应信号低频逼近系数的变化幅度进行冲击载荷位置的辨识，该方法计算负担小，简单可靠。
(3)步骤五分别构建单边固支机翼中轴线上和靠近自由端的中轴线两侧区域冲击点的轴向位置与各传感器测得的低频逼近系数变化幅度之间的关系模型，当冲击点靠近固支边时，冲击点位于中轴线两侧受到的扭转力较小，可以使用相同的表达式拟合冲击点的轴向位置与各传感器测得的低频逼近系数变化幅度之间的关系；当冲击点靠近自由端时，冲击点位于中轴线两侧受到的扭转力较大，需要分别使用不同的表达式拟合冲击点的轴向位置与各传感器测得的低频逼近系数变化幅度之间的关系。
(4)本发明采用光纤光栅传感器构成串联网络，相较于压电式传感阵列具有结构简单、抗电磁干扰等优点；
(5)本发明适用于采样频率较低的光纤光栅解调仪，且无需大量先验知识，即可对冲击载荷定位，增强了工程实用性；
附图说明：
图1是冲击响应信号时域图；
图2是冲击响应信号Teager能量图；
图3是分布式光纤布拉格光栅传感器布局及区域划分图；
图4是基于小波变换的单边固支机翼低速冲击定位算法流程；
图5定位过程中样本冲击点选取示意图；
图6是由不同位置传感器测得的单边固支机翼中轴线上各冲击响应信号低频逼近系数变化幅度；
图7是由不同位置传感器测得的单边固支机翼靠近自由端中轴线两侧各冲击响应信号低频逼近系数变化幅度；
图8是具体实施方式示意图；
具体实施方式：
步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；
如图8所示，单边固支机翼结构表面为低速冲击监测区域，选取单边固支机翼中轴线上靠近固支边的顶点O作为坐标原点，建立一维坐标系，定义X轴平行于机翼中轴线方向；在机翼中轴线上均匀布置5个光纤布拉格光栅传感器，且光纤传感器轴向沿着机翼中轴线方向，按照传感器到固支边的距离由近到远依次记作FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于单边固支机翼结构的背面，采用光纤跳线将各个光纤传感器连接，以此构成分布式传感器网络；
步骤二：基于Teager算子能量算子处理方法截取待测冲击点有效信号段并提取有效信号段的低频逼近系数变化幅度；
2-1采用冲击锤对单边固支机翼结构待监测冲击区域内的任意点施加低速冲击载荷，记录该冲击下分布式传感网络中五个光纤布拉格光栅传感器的冲击响应信号；
2-2对由各个光纤布拉格光栅传感器FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5测得的冲击响应信号序列si进行Teager能量算子处理，得到Teager能量序列sti，其中i＝1,2,...,5为传感器编号；
2-3如图2所示，计算Teager能量序列sti中信号幅度平稳段序列绝对值的最大值δmax，其中信号幅度平稳段序列选取冲击响应信号中信号幅度明显较小，位于冲击响应信号序列中靠后位置的序列，且选取序列的长度不宜过短，也无需太长，能够表征平稳段序列幅度即可。计算序列Sdi＝Sti-δmax，并找到该序列元素中最后一个大于零元素的所在位置l。在冲击响应信号si中截取信号段si(l:end)作为有效信号。
2-4对截取后有效信号进行小波变换，得到由5个FBG测得的低频逼近系数向量cAi，其中i＝1,2,...,5为传感器编号；
由于机翼结构受到冲击产生的振动信号属于高频信号，而冲击产生的机翼摆动信号属于低频信号，且机翼的摆动幅度会随着冲击点到固支边距离的增大而增大，所以提取响应信号低频逼近系数变化幅度作为判断冲击点位置的特征参量：
cAmpi＝max(cAi)-min(cAi)
其中i＝1,2,...,5为传感器编号，max(·)表示取向量cAi中各元素的最大值，min(·)表示取向量cAi中各元素的最小值；
单边固支机翼结构上冲击载荷响应信号主要分为两个部分，即机翼高频振动信号和机翼低频摆动信号，其中由于机翼结构刚受到冲击载荷作用后开始振动而未开始摆动，故响应信号开始部分高频分量能量较高，随后机翼由于受到冲击载荷作用开始摆动而冲击引起的振动信号能量出现明显衰减，故响应信号后续部分低频分量能量较高。本特征提取方法首先使用Teager能量算子截取时域上响应信号低频分量能量较高的部分，然后使用小波变换计算截取信号段低频逼近系数的变化幅度作为特征量。
步骤三、施加样本冲击载荷，并计算各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度特征；
3-1如图5所示，在单边固支机翼结构表面施加若干与待测冲击点能量相同的样本冲击载荷，样本点的施加顺序和位置为每三个为一组，同组样本点具有相同的轴向坐标，且分别位于中轴线上、中轴线左侧区域的轴向宽度二分线上和中轴线右侧区域的轴向宽度二分线上；
3-2沿轴线方向从自由端到固支端依次施加每组样本冲击点，每当施加完一组冲击载荷样本点后，按照步骤二所述方法计算由最靠近自由端的光纤光栅传感器FBG5测得的该组中三个样本点响应信号低频逼近系数的变化幅度
若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值小于预设的阈值δ，则记录下此组样本点的轴向位置xm，其中阈值的设定依据需要根据定位精度决定，阈值过大影响冲击载荷点定位精度；阈值过小难以找到符合条件的冲击载荷点。在该组样本点后靠近固支边，即轴向坐标低于xm区域内停止在轴线两侧施加样本冲击载荷，只在轴线上施加样本冲击载荷；若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值大于预设的阈值δ，则继续施加下一组样本冲击载荷。
由于当冲击载荷位于单边固支机翼中轴线上时，单边固支机翼结构主要受到由机翼发生弯曲而产生的弯曲力矩的影响使得机翼发生摆动；而当冲击载荷位于单边固支机翼中轴线两侧时，单边固支机翼结构在受到机翼弯曲力矩影响的同时，也受到一定程度的由于机翼发生扭转而产生的扭转力矩的影响抑制机翼的摆动。这一影响随冲击点到固支边轴向距离的减小，受到固支边限制的增强而越来越小，故距离固支端较近的样本冲击载荷中，忽略位于轴线上样本冲击载荷低频逼近系数变化幅度与位于轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的差距。
步骤四、根据靠近自由端传感器响应信号低频逼近系数变化幅度、所有传感器响应信号低频逼近系数变化幅度之和，确定待测点所在区域；
4-1如图8所示，在单边固支机翼表面定义轴向坐标低于xm区域为区域Ⅰ，定义轴向坐标高于xm的中轴线及其附近区域为区域Ⅱ，不同轴向位置区域Ⅱ宽度的大小为此处单边固支机翼结构宽度的四分之一，定义轴向坐标高于xm的中轴线两侧区域为区域Ⅲ；
4-2当单边固支机翼结构受到冲击载荷后，将由最靠近自由端的光纤布拉格光栅传感器FBG5测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpx5与轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
做对比。若FBG5测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度小于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅰ；若FBG5测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度大于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ。
4-3若判断待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ
计算由所有传感器测得的区域Ⅱ中各样本冲击点，即图5中2、5、8、11号样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp2，该向量中包含4个元素。
计算由所有传感器测得的区域Ⅲ中各样本冲击点，即图5中1、3、4、6、7、9、10、12号样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp3，该向量中包含8个元素。
计算由所有传感器测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为值sumcAmpx。
4-4计算sumcAmpx值与向量sumcAmp2中各元素差值绝对值的平均值，记为delt2；
计算sumcAmpx值与向量suncAmp3中各元素差值绝对值的平均值，记为delt3。
4-5将delt2与delt3值作比较，若delt2较小，则认为待测点位于区域Ⅱ，若delt3较小，则认为待测点位于区域Ⅲ。
基于步骤3-2的分析，距离自由端较近的样本冲击载荷中，位于轴线上样本冲击载荷的低频逼近系数变化幅度大于位于轴线两侧样本点响应信号的低频逼近系数变化幅度。故由所有传感器测得的区域Ⅱ中的冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和明显大于区域Ⅲ中的冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，本方法利用这一现象区分冲击点在靠近自由端一侧是位于中轴线上还是位于中轴线两侧。另外，如果区分能力不够显著可以通过增加传感器的数目来进一步提升区分度。
经过步骤四对待测冲击载荷的区域定位，分析了冲击载荷由于其机翼宽度方向上位置的不同，而对冲击响应信号低频逼近系数变化幅度和冲击载荷轴向位置间关系的影响：如果待测冲击点位于区域Ⅰ，则说明冲击载荷靠近固支端，受到固支边的强大限制作用，可以忽略机翼宽度方向上位置不同的影响；如果待测冲击点位于区域Ⅱ，则说明冲击载荷靠近自由端，且距离机翼中轴线较近，几乎不受到扭转力的影响；如果待测冲击点位于区域Ⅲ，则说明待测冲击载荷靠近自由端，且距离机翼中轴线有一定距离，受到一定程度扭转力的影响。
步骤五：构建不同区域对应的冲击点轴向位置与其冲击响应信号低频逼近系数变化幅度之间的关系模型；
步骤5-1、根据图5中区域Ⅰ和区域Ⅱ内的2、5、8、11、13、14、15号样本冲击点，建立单边固支机翼结构中轴向上冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a1 i、b1 i、c1 i表示在单边固支机翼结构的中轴线上，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间关系的系数；
步骤5-2、根据图5中区域Ⅲ内一侧的1、4、7、10号样本冲击点或3、6、9、12号样本冲击点，建立单边固支机翼结构靠近自由端中轴线两侧区域内冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a2 i、b2 i、c2 i表示在单边固支机翼结构靠近自由端的中轴线两侧，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系的系数；
步骤六、将距离单边固支机翼自由端较近的两个光纤布拉格光栅传感器所测响应信号的低频逼近系数变化幅度带入步骤五所述不同区域的定位关系模型，确定待测冲击点位置；
6-1、将由光纤布拉格光栅传感器FBG5测得的待测冲击点响应信号的低频逼近系数变化幅度代入由步骤五算出的冲击点所在区域内冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器FBG5测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmp5之间的关系式，可以得到通过FBG5测得的待测冲击点轴向坐标x5；
将由光纤布拉格光栅传感器FBG4测得的待测冲击点响应信号的低频逼近系数变化幅度代入由步骤五算出的冲击点所在区域内冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器FBG4测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmp4之间的关系式，可以得到通过FBG4测得的待测冲击点轴向坐标x4；
6-2、将由两个靠近单边固支机翼结构自由端的光纤布拉格光栅传感器FBG5、FBG4测得的待测冲击点轴向坐标x5、x4的平均值作为待测冲击点的轴向坐标。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于低频逼近系数变化幅度计算的单边固支机翼低速冲击定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；
单边固支机翼结构表面为低速冲击监测区域，选取单边固支机翼中轴线上靠近固支边的顶点O作为坐标原点，建立一维坐标系，定义X轴平行于机翼中轴线方向；在机翼中轴线上均匀布置若干光纤布拉格光栅传感器，且光纤布拉格光栅传感器轴向沿着机翼中轴线方向，按照光纤布拉格光栅传感器到固支边的距离由近到远依次记作FBG1、FBG2、...、FBGn；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于单边固支机翼结构的背面，采用光纤跳线将各个光纤布拉格光栅传感器连接，以此构成分布式光纤布拉格光栅传感器网络；
步骤二：基于Teager算子能量算子处理方法截取待测冲击点有效信号段并提取有效信号段的低频逼近系数变化幅度；
2-1采用冲击锤对单边固支机翼结构待监测冲击区域内的任意点施加低速冲击载荷，记录该冲击下分布式传感网络中n个光纤布拉格光栅传感器的冲击响应信号；
2-2对由各个光纤布拉格光栅传感器FBG1、FBG2、…、FBGn测得的冲击响应信号序列si进行Teager能量算子处理，得到Teager能量序列sti，其中i＝1,2,...,n为光纤布拉格光栅传感器编号；
2-3计算Teager能量序列sti中信号幅度平稳段序列绝对值的最大值δmax；计算序列Sdi＝Sti-δmax，并找到该序列元素中最后一个大于零元素的所在位置l；在冲击响应信号si中截取信号段si(l:end)作为有效信号；
2-4对截取后有效信号进行小波变换，得到由n个FBG测得的低频逼近系数向量cAi，其中i＝1,2,...,n为光纤布拉格光栅传感器编号；
由于机翼结构受到冲击产生的振动信号属于高频信号，而冲击产生的机翼摆动信号属于低频信号，且机翼的摆动幅度会随着冲击点到固支边距离的增大而增大，所以提取响应信号低频逼近系数变化幅度作为判断冲击点位置的特征参量：
cAmpi＝max(cAi)-min(cAi)
其中i＝1,2,...,n为光纤布拉格光栅传感器编号，max(·)表示取向量cAi中元素的最大值，min(·)表示取向量cAi中元素的最小值；
步骤三、施加样本冲击载荷，并计算各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度特征；
3-1在单边固支机翼结构表面施加若干与待测冲击点能量相同的样本冲击载荷，样本点的施加顺序和位置为每三个为一组，同组样本点具有相同的轴向坐标，且分别位于中轴线上、中轴线左侧区域的宽度轴向二分线上和中轴线右侧区域的宽度轴向二分线上；
3-2沿轴线方向从自由端到固支端依次施加每组样本冲击点，每当施加完一组冲击载荷样本点后，按照步骤二所述方法计算由最靠近自由端的光纤布拉格光栅传感器FBGn测得的该组中三个样本点响应信号低频逼近系数的变化幅度
若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值小于预设的阈值δ，则记录下此组样本点的轴向位置xm，其中阈值的设定依据需要根据定位精度决定，阈值过大影响冲击载荷点定位精度；阈值过小难以找到符合条件的冲击载荷点；在该组样本点后靠近固支边，即轴向坐标低于xm区域内停止在轴线两侧施加样本冲击载荷，只在轴线上施加样本冲击载荷；若该组中轴线上样本点响应信号低频逼近系数变化幅度
与同组轴线两侧样本点响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
的差值的绝对值大于预设的阈值δ，则继续施加下一组样本冲击载荷；
步骤四、根据靠近自由端的光纤布拉格光栅传感器响应信号低频逼近系数变化幅度、所有光纤布拉格光栅传感器响应信号低频逼近系数变化幅度之和，确定待测点所在区域；
4-1在单边固支机翼表面定义轴向坐标低于xm区域为区域Ⅰ，定义轴向坐标高于xm的中轴线及其附近区域为区域Ⅱ，不同轴向位置区域Ⅱ宽度的大小为此处单边固支机翼结构宽度的四分之一；
4-2当单边固支机翼结构受到冲击载荷后，将由最靠近自由端的光纤布拉格光栅传感器FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpxn与轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值
做对比；若FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度小于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅰ；若FBGn测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度大于轴向坐标为xm的一组样本冲击响应信号低频逼近系数变化幅度的平均值，则认为待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ；
4-3若判断待测冲击点位于区域Ⅱ或区域Ⅲ
计算由所有光纤布拉格光栅传感器测得的区域Ⅱ中各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp2；
计算由所有光纤布拉格光栅传感器测得的区域Ⅲ中各样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为向量sumcAmp3；
计算由所有光纤布拉格光栅传感器测得的待测冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度之和，记为值sumcAmpx；
4-4计算sumcAmpx值与向量sumcAmp2中各元素差值绝对值的平均值，记为delt2；
计算sumcAmpx值与向量suncAmp3中各元素差值绝对值的平均值，记为delt3；
4-5将delt2与delt3值作比较，若delt2较小，则认为待测点位于区域Ⅱ，若delt3较小，则认为待测点位于区域Ⅲ；
步骤五：构建不同区域对应的冲击点轴向位置与其冲击响应信号低频逼近系数变化幅度之间的关系模型；
步骤5-1、根据区域Ⅰ和区域Ⅱ内的样本冲击点，建立单边固支机翼结构中轴向上冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a1 i、b1 i、c1 i表示在单边固支机翼结构的中轴线上，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间关系的系数；
步骤5-2、根据区域Ⅲ内一侧的样本冲击点，建立单边固支机翼结构靠近自由端中轴线两侧区域内冲击点的轴向坐标x与由各光纤布拉格光栅传感器测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系：
其中a2 i、b2 i、c2 i表示在单边固支机翼结构靠近自由端的中轴线两侧，由最小二乘拟合法得到的决定样本冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系的系数；
步骤六、将距离单边固支机翼自由端较近的两个光纤布拉格光栅传感器所测响应信号的低频逼近系数变化幅度带入步骤五所述不同区域的定位关系模型，确定待测冲击点位置；
6-1、将由光纤布拉格光栅传感器FBGi测得的待测冲击点响应信号的低频逼近系数变化幅度代入由步骤五算出的冲击点所在区域内冲击点轴向坐标x与由光纤布拉格光栅传感器i测得的样本冲击点响应信号低频逼近系数变化幅度cAmpi之间的关系式，可以得到通过FBGi测得的待测冲击点轴向坐标xi；
6-2、将由q个靠近单边固支机翼结构自由端的光纤布拉格光栅传感器FBGn、FBGn-1、...、FBGn-q+1测得的待测冲击点轴向坐标xn、xn-1...、xn-q+1的平均值作为待测冲击点的轴向坐标：
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