CN113158796A - 一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，特别是对埋入光纤Bragg光栅的0°/60°/‑60°铺层的碳纤维复合材料板的振动信号的监测方法。首先，将已经埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，进行冲击实验，收集各区域的光纤波长漂移数据；其次，将埋入光纤光栅标定，将波长漂移数据转化为应变数据；接着，将获得的应变信号经验模态分解(EMD)分解，得到内涵模态分量(IMF)；最后，信号重构后再进行相关性分析等。本发明基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷方法，利用EMD分解后的应变信号进行相关性分析并结合BP神经网络算法提出了一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，提高了计算速度，同时获得了较高的定位精度。

Description

一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，具体地说是一种复合材料的结构健康监测方法。
背景技术
碳纤维复合材料因其质量轻、耐腐蚀、耐磨、耐冲击、可设计性强等优点，广泛应用于机械结构上。由于碳纤维复合材料板里填充了一定量的环氧树脂材料增强其强度，但也使其相对易碎，导致复合材料结构受到冲击易引起结构内部损伤。目前，检测机械结构的损伤主要有视觉检测、超声检测、电阻应变片法等。视觉检测法需要将逐块检查，且只能检查表面结构的损伤情况，对结构内部的损伤无法察觉；超声检测需保证检查结构表面有一定的而光洁度，并需有耦合剂填充满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合，对检测结构要求严格；电阻应变片虽能检测结构的应变变化情况，但其是有源器件，易受电磁场影响，且防水和抗腐蚀性能差。与以上介绍的传统检测方法相比，将光纤光栅埋入复合材料内部再检测复合材料损伤情况有极大的优势，如可实现长期稳定监测、防水耐腐蚀性能好、可实现内部分布式监测等。
目前，复合材料板冲击定位方法有以下几种：
中国专利(专利号201010199273.5)“基于多重信号分类算法的冲击载荷定位方法”中所介绍的冲击定位算法，由多重信号分类(MUSIC)算法和Lamb波传播特性结合的方法实现冲击点的定位。但该发明内容中信号的采集用的是多个相同型号的压电元件组成的压电阵列，其属于电类传感器，易受电磁干扰，防水和抗腐蚀性能差，不能实现长期稳定的监测，此外，多重信号分类算法需在阵元数高、阵元间距大、信噪比高的条件下才具有较高的分辨率、估计精度及稳定性。
郭飞(郭飞等，基于小波包能量特征向量的光纤布拉格光栅低速冲击定位，振动与冲击，2017,36(08):184-189)提出了一种基于小波包能量特征向量与相似度匹配算法共同实现冲击定位的方法，该方法首先通过遍布冲击建立能量特征向量数据库，然后通过试验点的能量特征向量与数据库中各点的能量特征向量进行相似度计算来实现冲击定位；但小波包分解复杂度较高，且小波基函数的选取比较困难，缺乏系统规范的最佳小波基的选取方法，搞定为方法实际操作起来较困难。
目前，有关复合材料板冲击定位的方法主要采用在复合材料板上粘贴压电传感阵列得到Lamb波，再通过基于时差的集合定位或基于神经网络训练等方法实现冲击点定位，由于电类传感器本身易受电磁干扰，防水、耐腐蚀性能差，在恶劣环境中工作困难，使得信号处理受限、获取信号不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，由于光纤传感本身具有抗电磁干扰，防水、耐腐蚀性能好，可在恶劣环境中工作，测量灵敏度高和精度高，EMD分解处理冲击信号，再结合数据模板匹配算法实现冲击定位，可精确快速定位冲击点位置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，包括：
对埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，获取各区域的冲击后的光栅波长漂移样本数据；
标定埋入的光纤光栅，并对波长漂移数据进行EMD分解，得到冲击信号的特征量；
根据冲击信号的特征量，计算并确定冲击信号对应复合材料板的位置，完成复合材料板的冲击载荷定位。
其中，对波长漂移数据进行EMD分解，得到冲击信号的特征量的步骤中，包括步骤：
将波长漂移数据转换为应变信号数据，对应变信号数据进行信号EMD分解，得到内涵模态分量(IMF)，选取应变信号数据主要成分的IMF分量；
对应变信号数据主要成分的IMF分量求分形盒维数，将分形盒维数作为冲击信号的特征量。
其中，计算并确定冲击信号对应复合材料板的位置的步骤包括：
通过数据模板匹配算法，将冲击信号的特征量数据模板与模板库中的冲击信号的特征量数据模板进行相似度匹配分析；
取相似度最大的冲击数据模板的位置作为当前冲击信号特征量的位置。
其中，复合材料板为碳纤维复合材料板，尺寸设置为250mm×250mm×8mm，铺层顺序为[60/0/-60]；光纤光栅埋入第二层。
其中，对碳纤维复合材料板的区域划分是对碳纤维复合材料板的表面进行网格化，网格化的尺寸根据光纤光栅的铺设密度进行划分；其中，网格化的最小宽度大于光纤光栅铺设时的间隔宽度。
其中，将波长漂移数据转换为应变信号数据的方式为：
Figure BDA0002979061130000031
其中，λB为光纤光栅的中心反射波长，Δλ为光纤光栅中心反射波长的变化量，即波长漂移数据，ξ为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数，Pe为光纤的光弹系数，β为光纤光栅封装后传感器的整体热膨胀系数，ε为轴向应变；
当光纤光栅在在固定温度下受应变时，波长漂移数据与应变数据的转换公式表示为：
Figure BDA0002979061130000032
其中，Kε为光纤光栅的应变灵敏度系数。
其中，对应变数据进行信号EMD分解的步骤包括：
设应变信号数据为x(t)，由K个单分量信号ui(t)组成，利用希尔伯特变换计算每个单分量信号的相关分析信号yi(t)，得到单分量信号的单侧频谱：
Figure BDA0002979061130000033
其中，δ(t)为狄克拉冲击函数，*为卷积符号；
根据调制和调解原理将相关分析信号yi(t)与指数
Figure BDA0002979061130000034
混合进行修正，把ui(t)频率中心调谐到零频位置，得到相应的解调信号y′i(t)：
Figure BDA0002979061130000041
其中，ωi(t)为单分量信号ui(t)的中心角频率；
通过解调信号y′i(t)进行高斯平滑度计算，得到的约束变分函数为：
Figure BDA0002979061130000042
其中，{uk}＝{u1，u2，...，uk}为K个单分量信号ui(t)的集合，{ωk}＝{ω1，ω2，...，ωk}为K个单分量信号ui(t)中心角频率的集合，变分函数约束条件是K个单分量信号之和等于应变信号数据。
区别于现有技术，本发明提供的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，利用样本数据进行EMD分解处理，可得到应变信号在不同时间尺度的局部特征信号，使得应变信号有较高的信噪比，选取应变数据信号主要成分的IMF分量，可以大大减小计算量，使具有较高的计算效率，最后选用数据模板匹配算法，得到较高的定位精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法中埋入光纤光栅的复合材料板划分区域做冲击实验数据采集示意图。
图3是本发明提供的一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法中EMD分解流程图。
图4是本发明提供的一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法中冲击位置确定算法示例图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，包括：
第一步，对埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，获取各区域的冲击后的光栅波长漂移样本数据；
第二步，标定埋入的光纤光栅，将波长漂移数据转化为应变数据；
第三步，把应变数据信号EMD分解，得到内涵模态分量(IMF)，选取应变数据信号主要成分的IMF分量；
第四步，对第三步得到的应变数据信号主要成分的IMF分量求分形盒维数，用分形盒维数代替冲击信号的特征量；
第五步，将测试冲击信号的应变数据经过第三步和第四步处理，得到测试的冲击信号的特征量；
第六步，用数据模板匹配算法将测试冲击信号的特征量数据模板与模板库中的冲击信号的特征量数据模板进行相似度匹配分析，取相似度最大的冲击数据模板的位置作为当前测试的冲击信号特征量的位置。
如图2所示为本发明所描述的在埋入光纤光栅复合材料板上做冲击实验并采集数据示意图。本发明采用的碳纤维复合材料板尺寸为250×250×8mm，铺层顺序为[60/0/-60]，解调仪采样频率为8千赫兹，光纤埋入第二层，使小球从10cm高度自由落体到复合材料板上。对埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，获取各区域的冲击后的光栅波长漂移样本数据，即为第一步；
如图3所示，EMD分解处理信号流程，包括如下几个步骤：
第二步，标定埋入的光纤光栅，将波长漂移数据转化为应变数据；
第三步，把应变数据信号EMD分解，得到内涵模态分量(IMF)，选取应变数据信号主要成分的IMF分量；
第四步，对第三步得到的应变数据信号主要成分的IMF分量求分形盒维数，用分形盒维数代替冲击信号的特征量；
其中，将波长漂移数据转换为应变信号数据的方式为：
Figure BDA0002979061130000051
其中，λB为光纤光栅的中心反射波长，Δλ为光纤光栅中心反射波长的变化量，即波长漂移数据，ξ为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数，Pe为光纤的光弹系数，β为光纤光栅封装后传感器的整体热膨胀系数，ε为轴向应变；
当光纤光栅在在固定温度下受应变时，波长漂移数据与应变数据的转换公式表示为：
Figure BDA0002979061130000061
其中，Kε为光纤光栅的应变灵敏度系数。
其中，对应变数据进行信号EMD分解的步骤包括：
设应变信号数据为x(t)，由K个单分量信号ui(t)组成，利用希尔伯特变换计算每个单分量信号的相关分析信号yi(t)，得到单分量信号的单侧频谱：
Figure BDA0002979061130000062
其中，δ(t)为狄克拉冲击函数，*为卷积符号；
根据调制和调解原理将相关分析信号yi(t)与指数
Figure BDA0002979061130000063
混合进行修正，把ui(t)频率中心调谐到零频位置，得到相应的解调信号y′i(t)：
Figure BDA0002979061130000064
其中，ωi(t)为单分量信号ui(t)的中心角频率；
通过解调信号y′i(t)进行高斯平滑度计算，得到的约束变分函数为：
Figure BDA0002979061130000065
其中，{uk}＝{u1，u2，...，uk}为K个单分量信号ui(t)的集合，{ωk}＝{ω1，ω2，...，ωk}为K个单分量信号ui(t)中心角频率的集合，变分函数约束条件是K个单分量信号之和等于应变信号数据。
如图4所示，冲击位置确定算法流程，包括如下几个步骤：
第五步，将测试冲击信号的应变数据经过第三步和第四步处理，得到测试的冲击信号的特征量；
第六步，用数据模板匹配算法将测试冲击信号的特征量数据模板与模板库中的冲击信号的特征量数据模板进行相似度匹配分析，取相似度最大的冲击数据模板的位置作为当前测试的冲击信号特征量的位置。
区别于现有技术，本发明提供的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，利用样本数据进行EMD分解处理，可得到应变信号在不同时间尺度的局部特征信号，使得应变信号有较高的信噪比，选取应变数据信号主要成分的IMF分量，可以大大减小计算量，使具有较高的计算效率，最后选用数据模板匹配算法，得到较高的定位精度。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
对埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，获取各区域的冲击后的光栅波长漂移样本数据；
标定埋入的光纤光栅，并对波长漂移数据进行EMD分解，得到冲击信号的特征量；
根据冲击信号的特征量，计算并确定冲击信号对应复合材料板的位置，完成复合材料板的冲击载荷定位。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，对波长漂移数据进行EMD分解，得到冲击信号的特征量的步骤中，包括步骤：
将波长漂移数据转换为应变信号数据，对应变信号数据进行信号EMD分解，得到内涵模态分量(IMF)，选取应变信号数据主要成分的IMF分量；
对应变信号数据主要成分的IMF分量求分形盒维数，将分形盒维数作为冲击信号的特征量。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，计算并确定冲击信号对应复合材料板的位置的步骤包括：
通过数据模板匹配算法，将冲击信号的特征量数据模板与模板库中的冲击信号的特征量数据模板进行相似度匹配分析；
取相似度最大的冲击数据模板的位置作为当前冲击信号特征量的位置。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，所述复合材料板为碳纤维复合材料板，尺寸设置为250mm×250mm×8mm，铺层顺序为[60/0/-60]；光纤光栅埋入第二层。
5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，对碳纤维复合材料板的区域划分是对碳纤维复合材料板的表面进行网格化，网格化的尺寸根据光纤光栅的铺设密度进行划分；其中，网格化的最小宽度大于光纤光栅铺设时的间隔宽度。
6.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，将波长漂移数据转换为应变信号数据的方式为：
Figure FDA0002979061120000021
其中，λB为光纤光栅的中心反射波长，Δλ为光纤光栅中心反射波长的变化量，即波长漂移数据，ξ为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数，Pe为光纤的光弹系数，β为光纤光栅封装后传感器的整体热膨胀系数，ε为轴向应变；
当光纤光栅在在固定温度下受应变时，波长漂移数据与应变数据的转换公式表示为：
Figure FDA0002979061120000022
其中，Kε为光纤光栅的应变灵敏度系数。
7.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，其特征在于，对应变数据进行信号EMD分解的步骤包括：
设应变信号数据为x(t)，由K个单分量信号ui(t)组成，利用希尔伯特变换计算每个单分量信号的相关分析信号yi(t)，得到单分量信号的单侧频谱：
Figure FDA0002979061120000023
其中，δ(t)为狄克拉冲击函数，*为卷积符号；
根据调制和调解原理将相关分析信号yi(t)与指数
Figure FDA0002979061120000026
混合进行修正，把ui(t)频率中心调谐到零频位置，得到相应的解调信号y′i(t)：
Figure FDA0002979061120000024
其中，ωi(t)为单分量信号ui(t)的中心角频率；
通过解调信号y′i(t)进行高斯平滑度计算，得到的约束变分函数为：
Figure FDA0002979061120000025
其中，{uk}＝{u1，u2，...，uk}为K个单分量信号ui(t)的集合，{ωk}＝{ω1，ω2，...，ωk}为K个单分量信号ui(t)中心角频率的集合，变分函数约束条件是K个单分量信号之和等于应变信号数据。
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