CN113049410B - 基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法 - Google Patents

基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法，属于结构健康监测技术领域。包括以下步骤，步骤一：OFDR分布式光纤传感器网络布置；步骤二：OFDR分布式光纤传感器冲击载荷响应信号采集；步骤三：根据复合材料板结构冲击载荷作用点处的应力集中现象，提取应变幅值特征向量；步骤四：通过应变幅值特征向量，构建待定位传感区域；步骤五：建立应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标；步骤六：以样本冲击点定位误差目标函数值最小为准则，优化选取非线性加权次数m，并重新计算冲击点预测坐标。本发明方法简单方便，实用性强。

Description

基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法
技术领域
本发明属于结构健康监测的载荷监测技术领域，具体提出了一种基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击载荷位置辨识法。
背景技术
复合材料板结构由于比强度、比刚度较大，耐疲劳性能和耐久性较好，已被广泛应用于航空航天领域。但是航空航天器在服役过程中，易受诸如鸟撞、空间碎片、跑道飞石、弹击以及冰雹等外界物体冲击。冲击对于复合材料板结构造成的损伤通常具有突发性，特别是一些能量较小的低速冲击，虽然在物体表面未留下痕迹，但会导致复合材料结构内部出现微裂纹、分层以及纤维断裂等目视不可检损伤形式，这将导致其抗拉、抗压强度等关键力学性能指标显著下降。因此，开展针对复合材料板结构的冲击载荷位置辨识方法研究，对于保障飞行安全、提升维护检修效率具有重要意义。
目前，在冲击监测领域，国内外对冲击载荷位置辨识的方法主要包括模式辨识与时间差定位等方法，所用传感器主要涉及压电传感器和光纤光栅传感器等。其中，压电传感器常运用时间差定位方法，但需要配置大量信号传输线缆和高速解调设备，不仅易受电磁干扰，甚至还可能影响被测结构力学特性。此外，时间差定位方法所需的波速也会因噪声干扰产生较大定位误差。
光纤Bragg光栅传感器(FBG)传感器具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、集信号传感与传输于一体等优点，但受限于解调设备，只能进行少量FBG传感器的解调测量。许多学者开展了基于模式辨识原理的冲击定位方法研究，如利用小波包对结构的FBG冲击响应信号进行特征提取，再采用支持向量机(SVM)对冲击载荷实现定位。该类方法虽然只需少量传感器，但需要事先采集大量冲击响应样本数据，不仅工作量巨大，还会影响被测结构力学性能甚至造成预先损伤。
上述方法有的需要大量先验知识，过程繁琐；有的则需要高速解调设备，适用性不强。因此，针对目前的冲击载荷位置辨识方法的不足，需要研究无需大量先验知识且监测系统简洁的新方法。OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry，光频域反射)分布式光纤应变测量系统具有高空间分辨率、高灵敏度及应变测量精度等优点，使其应用范围越来越广泛。为此，本发明采用OFDR分布式光纤传感器，提出了基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法。
发明内容
发明目的：针对压电传感器采用时差定位法需要高速解调设备，易受电磁干扰；FBG传感器采用模式识别方法需要大量先验知识，过程繁琐等不足；本发明提供一种用于复合材料板结构的冲击载荷位置辨识方法。该方法采用OFDR分布式光纤传感器网络感知结构中不同位置的冲击载荷响应信号，根据应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标。本发明方法简单方便，实时性强，适用于四边固支复合材料板结构，无需大量先验知识能准确的辨识冲击载荷位置。
技术方案：为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
步骤一：OFDR分布式光纤传感器网络布置
步骤a:在四边固支复合材料板结构中心部位构建一个正方形监测区域ABCD，其中点A位于左上角，点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取复合材料板结构待监测区域的中心位置作为坐标原点O，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于AD方向；
步骤b:在监测区域内分别选取平行于X轴方向的三行OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从下至上分别命名为第一、二、三行传感器路径，第一行传感器路径与CD重合，第二行传感器路径与X轴、CD的对称线重合，第三行传感器路径与X轴、AB的对称线重合。选取平行于Y轴方向的三列OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从左至右分别命名为第一、二、三列传感器路径，第一列传感器路径与Y轴、AD的对称线重合，第二列传感器路径与Y轴、BC的对称线重合，第三列传感器路径与BC重合；
步骤c:OFDR光纤传感器粘贴于试件结构的背面的顺序依次为：首先OFDR光纤由第二行传感器路径从左至右粘贴，接着按第三列传感路径从下至上粘贴，其次按第三行传感路径从右至左粘贴，再次按第一列传感路径从上至下粘贴，然后按第一行传感路径从左至右粘贴，最后按第二列传感路径从下至上粘贴，期间光纤传感器为一整条完整光纤，以此构成分布式传感器网络；
步骤二：OFDR分布式光纤传感器冲击载荷响应信号采集
采用PCB冲击力锤在复合材料板结构表面施加一个冲击载荷，该冲击载荷的位置即为所需求解的信息；分别记录在此冲击载荷作用下OFDR分布式光纤各传感器节点的应变幅值；
步骤三：提取应变幅值特征向量
对步骤二所得的冲击载荷响应信号进行特征信息提取，具体过程如下：提取平行X轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sx,max，同时选取平行X轴方向其邻近的次应变峰值点Sx,max-1、Sx,max+1；提取平行Y轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sy,max，同时选取行Y轴方向其邻近的次应变峰值点Sy,max-1、Sy,max+1，并组成相应方向的应变幅值特征向量。则这两个方向光纤传感器节点的冲击载荷应变幅值特征向量Sx和Sy为：
Sx＝(Sx,max-1 Sx,max Sx,max+1) (1)
Sy＝(Sy,max-1 Sy,max Sy,max+1) (2)
步骤四：构建待定位传感区域
通过两个方向OFDR分布式光纤传感器节点的应变幅值特征向量，6个应变数值组合成具有9个传感点的待定位传感区域，每个传感点应变数值按如下公式进行计算处理：
Figure GDA0003403846560000031
式中i、j分别为应变特征向量元素序号。
步骤五：建立应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标
传统的质心定位算法原理：假设待定位点So(x,y)附近传感节点的坐标分别为S1(x1,y1)、S2(x2,y2)、S3(x3,y3)、…、Si(xi,yi)，则待定位点预测坐标Se(xe,ye)计算公式为：
Figure GDA0003403846560000032
定义权函数
Figure GDA0003403846560000033
用来代表应变εi对坐标定位的贡献，m为函数w的加权次数，则函数w为：
Figure GDA0003403846560000034
其中函数gi为第i个应变值占区域内应变测量总值的比例函数，k为传感节点个数。
则应变幅值非线性加权质心法定位公式如下：
Figure GDA0003403846560000035
结合各传感节点的坐标及应变数值信息，选取相应的非线性加权次数m，通过式(6)即可计算出冲击载荷的坐标(xe,ye)。
步骤六：优化选取非线性加权次数m
选取一定数量的冲击样本点，定义样本冲击点定位误差目标函数为Eall(n)，其函数形式为：
Figure GDA0003403846560000041
式(7)中，n为样本冲击点个数，LEi(xi,yi)为第i个冲击载荷预测坐标绝对误差值，其式为：
Figure GDA0003403846560000042
以样本冲击点定位误差目标函数Eall(n)最小为准则，优化选取函数Eall(n)最小时所对应的非线性加权次数m，将其重新代入式(6)中计算冲击载荷预测坐标。
有益效果：本发明为一种用于复合材料板结构的冲击载荷位置辨识方法，该方法通过复合材料板所布置的OFDR分布式光纤传感网络测得的冲击载荷响应信号来实现施加载荷的辨识。本发明适用于四边固支板结构的载荷辨识等工程应用领域，所具备的优点是：仅需采用3行3列OFDR分布式光纤传感器构成传感网络，具有线路布置简单、抗电磁干扰能力强等优点。其次，本发明通过提取平行X和Y轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点及其邻近的次应变峰值点，并组成相应方向的应变幅值特征向量，数据量小且处理简单，大大简化了冲击载荷位置辨识过程。再次，本发明提出应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标，计算原理简单，提高了辨识效率。最后，提出了以样本冲击点定位误差目标函数值最小为准则，优化选取非线性加权次数m，并重新计算冲击点预测坐标，提高了载荷定位精度。
附图说明
图1是OFDR分布式光纤传感器布置图；
图2是待定位传感区域示意图；
图3是冲击载荷位置辨识流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
步骤一：OFDR分布式光纤传感器网络布置
步骤a:在四边固支复合材料板结构中心部位构建一个正方形监测区域ABCD，其中点A位于左上角，点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取复合材料板结构待监测区域的中心位置作为坐标原点O，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于AD方向；
步骤b:在监测区域内分别选取平行于X轴方向的三行OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从下至上分别命名为第一、二、三行传感器路径，第一行传感器路径与CD重合，第二行传感器路径与X轴、CD的对称线重合，第三行传感器路径与X轴、AB的对称线重合。选取平行于Y轴方向的三列OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从左至右分别命名为第一、二、三列传感器路径，第一列传感器路径与Y轴、AD的对称线重合，第二列传感器路径与Y轴、BC的对称线重合，第三列传感器路径与BC重合；
步骤c:OFDR光纤传感器粘贴于试件结构的背面的顺序依次为：首先OFDR光纤由第二行传感器路径从左至右粘贴，接着按第三列传感路径从下至上粘贴，其次按第三行传感路径从右至左粘贴，再次按第一列传感路径从上至下粘贴，然后按第一行传感路径从左至右粘贴，最后按第二列传感路径从下至上粘贴，期间光纤传感器为一整条完整光纤，以此构成分布式传感器网络；
步骤二：OFDR分布式光纤传感器冲击载荷响应信号采集
采用PCB冲击力锤在复合材料板结构表面施加一个冲击载荷，该冲击载荷的位置即为所需求解的信息；分别记录在此冲击载荷作用下OFDR分布式光纤各传感器节点的应变幅值；
步骤三：提取应变幅值特征向量
对步骤二所得的冲击载荷响应信号进行特征信息提取，具体过程如下：提取平行X轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sx,max，同时选取平行X轴方向其邻近的次应变峰值点Sx,max-1、Sx,max+1；提取平行Y轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sy,max，同时选取行Y轴方向其邻近的次应变峰值点Sy,max-1、Sy,max+1，并组成相应方向的应变幅值特征向量。则这两个方向光纤传感器节点的冲击载荷应变幅值特征向量Sx和Sy为：
Sx＝(Sx,max-1 Sx,max Sx,max+1) (1)
Sy＝(Sy,max-1 Sy,max Sy,max+1) (2)
步骤四：构建待定位传感区域
通过两个方向OFDR分布式光纤传感器节点的应变幅值特征向量，6个应变数值组合成具有9个传感点的待定位传感区域，每个传感点应变数值按如下公式进行计算处理：
Figure GDA0003403846560000061
式中i、j分别为应变特征向量元素序号。
步骤五：建立应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标
传统的质心定位算法原理：假设待定位点So(x,y)附近传感节点的坐标分别为S1(x1,y1)、S2(x2,y2)、S3(x3,y3)、…、Si(xi,yi)，则待定位点预测坐标Se(xe,ye)计算公式为：
Figure GDA0003403846560000062
定义权函数
Figure GDA0003403846560000063
用来代表应变εi对坐标定位的贡献，m为函数w的加权次数，则函数w为：
Figure GDA0003403846560000064
式中，函数gi为第i个应变值占区域内应变测量总值的比例函数，k为传感节点个数。
则应变幅值非线性加权质心法定位公式如下：
Figure GDA0003403846560000065
结合各传感节点的坐标及应变数值信息，选取相应的非线性加权次数m，通过式(6)即可计算出冲击载荷的坐标(xe,ye)。
步骤六：优化选取非线性加权次数m
选取一定数量的冲击样本点，定义样本冲击点定位误差目标函数为Eall(n)，其函数形式为：
Figure GDA0003403846560000071
式中，n为样本冲击点个数，LEi(xi,yi)为第i个冲击载荷预测坐标绝对误差值，其式为：
Figure GDA0003403846560000072
以样本冲击点定位误差目标函数Eall(n)最小为准则，优化选取函数Eall(n)最小时所对应的非线性加权次数m，将其重新代入式(6)中计算冲击载荷预测坐标。

Claims (1)

1.一种基于应变非线性加权的复合材料层板光纤冲击位置辨识法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：OFDR分布式光纤传感器网络布置
步骤a:在四边固支复合材料板结构中心部位构建一个正方形监测区域ABCD，其中点A位于左上角，点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取复合材料板结构待监测区域的中心位置作为坐标原点O，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于AD方向；
步骤b:在监测区域内分别选取平行于X轴方向的三行OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从下至上分别命名为第一、二、三行传感器路径，第一行传感器路径与CD重合，第二行传感器路径与X轴、CD的对称线重合，第三行传感器路径与X轴、AB的对称线重合；选取平行于Y轴方向的三列OFDR分布式光纤传感器粘贴路径，从左至右分别命名为第一、二、三列传感器路径，第一列传感器路径与Y轴、AD的对称线重合，第二列传感器路径与Y轴、BC的对称线重合，第三列传感器路径与BC重合；
步骤c:OFDR光纤传感器粘贴于试件结构的背面的顺序依次为：首先OFDR光纤由第二行传感器路径从左至右粘贴，接着按第三列传感路径从下至上粘贴，其次按第三行传感路径从右至左粘贴，再次按第一列传感路径从上至下粘贴，然后按第一行传感路径从左至右粘贴，最后按第二列传感路径从下至上粘贴，期间光纤传感器为一整条完整光纤，以此构成分布式传感器网络；
步骤二：OFDR分布式光纤传感器冲击载荷响应信号采集
采用PCB冲击力锤在复合材料板结构表面施加一个冲击载荷，该冲击载荷的位置即为所需求解的信息；分别记录在此冲击载荷作用下OFDR分布式光纤各传感器节点的应变幅值；
步骤三：提取应变幅值特征向量
对步骤二所得的冲击载荷响应信号进行特征信息提取，具体过程如下：提取平行X轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sx,max，同时选取平行X轴方向其邻近的次应变峰值点Sx,max-1、Sx,max+1；提取平行Y轴方向OFDR分布式光纤传感器节点的最大应变幅值节点Sy,max，同时选取行Y轴方向其邻近的次应变峰值点Sy,max-1、Sy,max+1，并组成相应方向的应变幅值特征向量；则这两个方向光纤传感器节点的冲击载荷应变幅值特征向量Sx和Sy为：
Sx＝(Sx,max-1 Sx,max Sx,max+1) (1)
Sy＝(Sy,max-1 Sy,max Sy,max+1) (2)
步骤四：构建待定位传感区域
通过两个方向OFDR分布式光纤传感器节点的应变幅值特征向量，6个应变数值组合成具有9个传感点的待定位传感区域，每个传感点应变数值按如下公式进行计算处理：
Figure FDA0003403846550000021
式中i、j分别为应变特征向量元素序号；
步骤五：建立应变幅值非线性加权质心定位函数式，求解获得冲击载荷定位坐标
传统的质心定位算法原理：假设待定位点So(x,y)附近传感节点的坐标分别为S1(x1,y1)、S2(x2,y2)、S3(x3,y3)、…、Si(xi,yi)，则待定位点预测坐标Se(xe,ye)计算公式为：
Figure FDA0003403846550000022
定义权函数
Figure FDA0003403846550000023
用来代表应变εi对坐标定位的贡献，m为函数w的加权次数，则函数w为：
Figure FDA0003403846550000024
其中函数gi为第i个应变值占区域内应变测量总值的比例函数，k为传感节点个数；
则应变幅值非线性加权质心法定位公式如下：
Figure FDA0003403846550000031
结合各传感节点的坐标及应变数值信息，选取相应的非线性加权次数m，通过式(6)即可计算出冲击载荷的坐标(xe,ye)；
步骤六：优化选取非线性加权次数m
选取一定数量的冲击样本点，定义样本冲击点定位误差目标函数为Eall(n)，其函数形式为：
Figure FDA0003403846550000032
式(7)中，n为样本冲击点个数，LEi(xi,yi)为第i个冲击载荷预测坐标绝对误差值，其式为：
Figure FDA0003403846550000033
以样本冲击点定位误差目标函数Eall(n)最小为准则，优化选取函数Eall(n)最小时所对应的非线性加权次数m，将其重新代入式(6)中计算冲击载荷预测坐标。
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