CN113970369A - 一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，属于工程振动分析领域。提供了一种模态分析的新手段，克服了传统基于电传感器模态分析方法的局限性，使用振动力锤对复杂结构件参考点施加振动激励，布置在各个测点的光纤光栅振动传感器采集测点的响应输出信号。传感器的波长信息经过解调设备存储到计算机中，经过滤波和噪声去除等预处理后，使用试验模态分析软件处理和分析波长信号，得到被测复杂结构件的模态频率、阻尼比和振型。本发明系统结构简单，抗电磁干扰能力强，计算速度快，测量结果准确、精度高，灵活性好。
Description
技术领域
本发明属于工程振动分析领域，特别涉及一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法。
背景技术
模态是结构内在的固有振动特性，又是结构整体特性的反应，结构上任意一处物理参数的改变，均会对其模态参数，即固有频率、阻尼和振型产生影响。这对于因为结复杂而容易出现局部故障的整体结构件的性能测试具有重要意义。本发明是根据复杂结构件的模态测试为背景设计的一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法。光纤光栅传感器的测量精度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，具有非常好的应用前景。
将光纤光栅振动传感器通过粘合剂粘贴在复杂结构件表面的测点位置。当复杂结构件受到外部激励发生振动时，在其应变作用下，光纤光栅的中心波长也会产生变化，从而测量到受激励产生的振动信号，通过后续的数据处理进而得到复杂结构件的模态频率、阻尼比和振型等模态参数。
发明内容
在通过现有方式对复杂结构件需要进行模态测试时，传统的压电陶磁测试方式使用的压电陶瓷传感器具有质量大、成本高、测试步骤复杂、易产生质量效应等缺点。本发明针对现有模态测量技术的不足，提出一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，该种光纤光栅传感器体积小、质量轻、成本低、抗电磁干扰、高度测量精度高、线性度好、响应速度快、长期稳定性好、适合大批量的生产。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，该方法采用氰基丙烯酸酯502T-1粘合剂将多个光纤光栅振动传感器粘贴于复杂结构件表面的不同测点上，将复杂结构件在力锤在参考点位置下产生的振动传递到光纤光栅振动传感器上。
本发明原理：由于采集到的是布置在各个测点上的光纤光栅振动传感器的波长信号，而表征振动的是波长差数据，因此首先要将波长信号转化为各个传感器的波长差数据，得到全部传感器的波长差数据矩阵yk。
振动系统离散时间状态空间方程为：
式中，xk表示离散时间状态向量；A表示离散状态矩阵,表示系统的全部输入；B表示离散输入矩阵；C表示输出矩阵,描述内部状态怎样转化为外界测量值；D表示直馈矩阵；uk为随机环境激励；wk表示处理过程和建模误差引起的噪声；vk表示传感器误差引起的噪声。在实际测量过程中，环境激励是不可测量的随机激励uk，而且强度基本和噪声影响相似，无法将两者区分清楚。因此，输入项uk和噪声项wk和vk合并就得到了随机子空间方法的基本模型即离散时间随机状态空间模型。
运用随机子空间法求解结构的模态参数的前提是找出离散系统的状态传递矩阵A和输出矩阵C。在计算得到矩阵A之后，对其进行特征值分解，可得到由系统特征向量组成的矩阵Ψ和离散时间复特征值ui组成的矩阵Λ。
A＝ΨΛΨ-1
Λ＝diag[ui]
得到系统的离散时间复特征值之后，计算出系统共轭特征值λi、λi *，便可以计算得到系统的三个模态参数：
Φi＝CΨi
式中fi、ξi和Φi分别表示模态频率、阻尼比和振型向量。
计算了不同阶次下的模态数据后，就可以进行模态参数识别。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明使用的传感器具有抗电磁干扰、重量轻、灵敏度高、成本低等优点。
(2)本发明提出的将光纤光栅传感器粘贴在复杂结构件上可以准确地检测出受激励产生的振动信号。
(3)本发明的测试方法相对以往方法较为简单，在测试过程中需要进行的敲击次数与传统方法相比较少。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，其中光纤光栅信号解调仪(2)输出的光信号进入光纤光栅振动传感器(4)；力锤(5)敲击于结构件(3)上的参考点，在结构件(3)上产生振动信号，粘贴在结构件(3)测点上的光纤光栅振动传感器(4)感受到振动信号，符合光纤光栅振动传感器(4)条件的窄带光被反射回去，输出的调制光信号包含振动信号；调制光信号进入光纤光栅解调仪(2)转换为电信号进入上位机(1)再进行后期信号分析处理。
进一步地，测点和参考点的位置可以根据待测复杂结构件的具体形状和结构进行选择。
进一步地，根据复杂结构件具体形状和结构选择的测点构成了网格状结构，使用光纤光栅进行测试时，每个选择的测点均粘贴有一个光纤光栅振动传感器，光纤光栅振动传感器使用串联等方式构成网络结构。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施方式，本领域的技术人员可以在本发明的指导思想之内根据自己的实际情况提出其它的实施实例，但这种实例都包括在本发明的范围之内。在此说明书中，很显然仍可以做出各种改进、变化和组合而不背离本发明的精神和范围，因此该种利用本发明指导思想的改进发明均在保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，将上位机(1)与光纤光栅信号解调仪(2)相连，光纤光栅传感器(4)与光纤光栅解调仪(2)相连，光纤光栅传感器(4)耦合于结构件(3)的表面；其特征是：该方法包括以下步骤：
其中光纤光栅信号解调仪(2)输出的光信号进入光纤光栅传感器(4)；力锤(5)敲击于结构件(3)的参考点，在结构件(3)上产生振动信号，耦合于结构件(3)上测点的光纤光栅振动传感器(4)感受到振动信号，符合光纤光栅振动传感器(5)条件的窄带光被反射回去，输出的调制光信号包含振动信号；调制光信号进入光纤光栅解调仪(2)转换为电信号进入上位机(1)再进行后期信号分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络化光纤光栅敏感元件复杂结构件模态分析方法，其特征是：所述光纤光栅传感器(4)耦合于复杂结构件(3)的表面；若光纤光栅振动传感器(4)未封装，则用502胶水粘贴于复杂结构件(3)的表面；若光纤光栅传振动感器(4)已封装，则将封装后的光纤光栅振动传感器(4)使用凡士林耦合于复杂结构件(3)的表面。
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