CN109916742B - 一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。包括步骤：S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料划分区域进行冲击实验，获得各区域的冲击应变样本数据；S2，从样本数据中提取冲击力、检测应变；S3，分别把冲击力与检测应变通过小波包去噪重构模块除去背景噪声并保留敏感频段，降低信号的频谱带宽；S4，信号重构以后再进行FFT快速傅里叶变换等。本发明基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，利用样本数据进行相关性分析并结合应变频域响应系统优化算法提出了一种新颖的基于光纤光栅传感的复合材料冲击定位算法，具有较高的定位精度与计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。
背景技术
先进复合材料具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗疲劳以及大面积整体成型等优点，因而被广泛应用于航空航天等领域。飞机复合材料结构承受的低速冲击，如工具掉落、跑道碎片、鸟撞、地面车辆撞击飞机等，会对结构造成几乎不可见的冲击损伤。飞机复合材料结构的冲击事件往往无法预见，冲击造成的不可见损伤可能会在计划维修之前发生失效，导致飞行事故发生。
复合材料结构健康监测传感器需要在各种恶劣的环境下，探测在不同激励条件下结构的各种响应，并要长期连续记录结构载荷和损伤情况，对传感器信号稳定性、灵敏度、耐腐蚀性和使用寿命要求严格。传统的应变传感器主要是电阻应变片，但电阻应变片是有源器件，易受电磁场影响，防水性能、长期稳定性能与抗腐蚀性能较差，导致传感器的灵敏度和准确度较低。另外，电阻应变片与复合材料结构兼容性差，通常粘贴于复合材料表面，很难埋入复合材料结构内，不能检测复合材料内部损伤，不易实现与结构的整体化集成。与传统应变片传感器相比，光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器具有抗电磁干扰、防水性能强、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点，因而备受人们关注。此外，光纤光栅直径小，可以较方便地埋入碳纤维预浸料或干态纤维织物中，且与基体材料兼容性良好，从而满足复合材料结构健康监测对传感器提出的微型化、可靠性高的特殊要求。
目前，国内外基于FBG传感器的复合材料结构健康监测技术研究主要集中在复合材料固化过程监测、冲击定位监测、损伤识别等几个方面。对于飞行器复合材料的实时在线结构健康监测技术主要关注的是冲击定位监测、损伤识别研究，包括FBG传感器在复合材料中的安装铺设，高效的冲击定位算法都是研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，本算法可以准确定位复合材料的冲击位置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，包括如下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料划分区域进行冲击实验，获得各区域的冲击应变样本数据；
步骤S2，从样本数据中提取冲击力、检测应变；
步骤S3，分别把冲击力与检测应变通过小波包去噪重构模块除去背景噪声并保留敏感频段，降低信号的频谱带宽；
步骤S4，信号重构以后再进行FFT快速傅里叶变换；
步骤S5，把经过小波包去噪重构频带优化选择以后的冲击力与检测应变进行多参考最小二乘复频域优化拟合，求解得到应变频域响应系统模型；
步骤S6，检测到冲击应变数据；
步骤S7，在复合材料划分区域中选择一个区域提取样本应变数据；
步骤S8，分别把S6输出的检测数据与S7输出的样本数据进行相关性分析；
步骤S9，判断S8相关性分析结果是否大于设定阀值，如果不大于设定阀值就跳转到S7，继续选择其它区域的样本应变数据，如果相关性分析结果大于设定阀值则进入下一步；
步骤S10，记录下S9相关性分析大于设定阀值的区域即为备选的冲击区域，并再次跳转到S7，直至所有区域都处理完为止；
步骤S11，把检测应变数据小波包去噪处理重构后再进行快速傅里叶变化；
步骤S12，根据S10确定的备选冲击区域，把数据送入应变频域响应逆系统中输出得到假定区域的计算冲击力；
步骤S13，把S12输出的冲击力经过应变频域响应系统处理输出得到该区域的计算应变；
步骤S14，把S13输出的计算应变与S11输出的检测应变通过复频域最小平方差算法计算；
步骤S15，跳转到S12，选择其它备选冲击区域，直到所有备选冲击区域选择完毕，S14计算输出最小的区域即为冲击位置。
较优的，所述步骤S3中还包括小波包频率段的选择以样本冲击频率为中心，并通过样本冲击定位识别率反馈式优化选择最优小波包敏感频率段。
较优的，所述步骤S9中还包括相关性分析的设定阀值可根据备选的冲击区域筛选效率来确定，当判断筛选出的备选冲击区域小于总区域的10％时即确定阀值。
较优的，所述步骤S10确定的备选的冲击区域为S12提供数据支撑，降低定位的时间复杂度。
本发明的有益效果是：本发明基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，利用样本数据进行相关性分析并结合应变频域响应系统优化算法提出了一种新颖的基于光纤光栅传感的复合材料冲击定位算法，具有较高的定位精度与计算效率。
附图说明
图1为本发明实施例的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集示意图；
图2是本发明实施例的应变频域响应系统优化算法示意图；
图3是本发明实施例的基于相关性分析的备选冲击区域筛选算法示意图；
图4是本发明实施例的冲击位置确定算法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，以下结合附图及实施例，对本发明的一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合各个附图，依次对本发明的一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法做进一步的详细描述。
实施例1：如图1所示，本发明所描述的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集方案,本发明采用碳纤维复合材料，铺层顺序为[45/0/-45/90]_2S，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，采用碳纤维预浸料热压罐成型工艺，光纤光栅解码仪采样率为50千赫兹。本发明采用碳纤维环氧树脂复合材料试样，可选择：复合材料层数为6层、9层、12层，复合材料尺寸为200mm×200mm、400mm×400mm、600mm×600mm、800mm×800mm、1000mm×1000mm，冲击能量为0.5J、1J、2J、3J、4J、5J、6J、7J、8J、9J、10J。把FBG传感器埋入复合材料层板的四个对角，通过FBG引出光纤采集复合材料的冲击样本数据，即为步骤S1；
如图2所示，应变频域响应系统优化算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S2，从样本数据中提取冲击力、检测应变；
步骤S3，分别把冲击力与检测应变通过小波包去噪重构模块除去背景噪声并保留敏感频段，降低信号的频谱带宽；
步骤S4，信号重构以后再进行FFT快速傅里叶变换；
步骤S5，把经过小波包去噪重构频带优化选择以后的冲击力与检测应变进行多参考最小二乘复频域优化拟合，求解得到应变频域响应系统模型；
较优的，所述步骤S3中还包括小波包频率段的选择以样本冲击频率为中心，并通过样本冲击定位识别率反馈式优化选择最优小波包敏感频率段。
如图3所示，基于相关性分析的备选冲击区域筛选算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S6，检测到冲击应变数据；
步骤S7，在复合材料划分区域中选择一个区域提取样本应变数据；
步骤S8，分别把S6输出的检测数据与S7输出的样本数据进行相关性分析；
步骤S9，判断S8相关性分析结果是否大于设定阀值，如果不大于设定阀值就跳转到S7，继续选择其它区域的样本应变数据，如果相关性分析结果大于设定阀值则进入下一步；
步骤S10，记录下S9相关性分析大于设定阀值的区域即为备选的冲击区域，并再次跳转到S7，直至所有区域都处理完为止；
较优的，所述步骤S9中还包括相关性分析的设定阀值可根据备选的冲击区域筛选效率来确定，当判断筛选出的备选冲击区域小于总区域的10％时即确定阀值。
较优的，所述步骤S10确定的备选的冲击区域为S12提供数据支撑，降低定位的时间复杂度。
如图4所示，冲击位置确定算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S11，把检测应变数据小波包去噪处理重构后再进行快速傅里叶变化；
步骤S12，根据S10确定的备选冲击区域，把数据送入应变频域响应逆系统中输出得到假定区域的计算冲击力；
步骤S13，把S12输出的冲击力经过应变频域响应系统处理输出得到该区域的计算应变；
步骤S14，把S13输出的计算应变与S11输出的检测应变通过复频域最小平方差算法计算；
步骤S15，跳转到S12，选择其它备选冲击区域，直到所有备选冲击区域选择完毕，S14计算输出最小的区域即为冲击位置。
最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (2)
1.一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料划分区域进行冲击实验，获得各区域的冲击应变样本数据；
步骤S2，从样本数据中提取冲击力、检测应变；
步骤S3，分别把冲击力与检测应变通过小波包去噪重构模块除去背景噪声并保留敏感频段，降低信号的频谱带宽；
步骤S4，信号重构以后再进行FFT快速傅里叶变换；
步骤S5，把经过小波包去噪重构频带优化选择以后的冲击力与检测应变进行多参考最小二乘复频域优化拟合，求解得到应变频域响应系统模型；
步骤S6，检测到冲击应变数据；
步骤S7，在复合材料划分区域中选择一个区域提取样本应变数据；
步骤S8，分别把S6输出的检测应变数据与S7输出的样本应变数据进行相关性分析；
步骤S9，判断S8相关性分析结果是否大于设定阀值，如果不大于设定阀值就跳转到S7，继续选择其它区域的样本应变数据，如果相关性分析结果大于设定阀值则进入下一步；
步骤S10，记录下S9相关性分析大于设定阀值的区域即为备选的冲击区域，并再次跳转到S7，直至所有区域都处理完为止；
步骤S11，把检测应变数据小波包去噪处理重构后再进行快速傅里叶变化；
步骤S12，根据S10确定的备选冲击区域，把数据送入应变频域响应逆系统中输出得到假定区域的计算冲击力；
步骤S13，把S12输出的冲击力经过应变频域响应系统处理输出得到该区域的计算应变；
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步骤S15，跳转到S12，选择其它备选冲击区域，直到所有备选冲击区域选择完毕，S14计算输出最小的区域即为冲击位置；
所述步骤S3中，小波包频率段的选择以样本冲击频率为中心，并通过样本冲击定位识别率反馈式优化选择最优小波包敏感频率段；
所述步骤S9中，相关性分析的设定阀值可根据备选的冲击区域筛选效率来确定，当判断筛选出的备选冲击区域小于总区域的10%时即确定阀值。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法，其特征在于：所述步骤S10确定的备选的冲击区域为S12提供数据支撑，降低定位的时间复杂度。
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