[发明专利]一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法

权利要求书

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：

其中，λ_B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：

其中，K_ε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u_i(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y_i(t)，得到单分量信号的单侧频谱：

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y_i(t)与指数混合进行修正，把u_i(t)频率中心调谐到零频位置，得到相应的解调信号y′_i(t)：

其中，ω_i(t)为单分量信号u_i(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：

其中，{u_k}＝{u₁，u₂，...，u_k}为K个单分量信号u_i(t)的集合，{ω_k}＝{ω₁，ω₂，...，ω_k}为K个单分量信号u_i(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。