[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

说明书

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。

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。