[发明专利]基于加载夹角归一化的板结构载荷位置与大小辨识方法

摘要

本发明公开一种基于加载夹角归一化的板结构载荷位置与大小辨识方法，属于结构健康监测的载荷监测技术领域。包括以下步骤，步骤一：分布式光纤FBG传感器网络布置；步骤二：光纤FBG传感器载荷响应信号采集；步骤三：根据光纤FBG传感器角度敏感特性，将施加的待测载荷转化为虚拟载荷，计算待测载荷与各组光纤FBG传感器加载夹角归一化为45°时对应的中心波长偏移量；步骤四：建立光纤FBG传感器中心波长偏移量与载荷相关参数方程组，求解获得四组初步的载荷位置与大小信息；步骤五：对初步解算所得载荷信息进行可靠性分析，并根据可靠性进行加权计算确定待测载荷的位置及大小。本发明所述方法通过加载夹角归一化，有助于简化载荷识别过程，可以同时确定载荷的位置和大小。

主权项

1.一种基于加载夹角归一化的板结构载荷位置与大小辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：分布式光纤FBG传感器网络布置在四边固支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为逆时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心位置作为坐标原点O(0mm,0mm)，定义X轴平行于AD方向，Y轴平行于AB方向；在板结构正方形监测区域A顶点布置相互垂直的光纤FBG传感器FBGA1、光纤FBG传感器FBGA2，B顶点布置相互垂直的光纤FBG传感器FBGB1、光纤FBG传感器FBGB2，C顶点布置相互垂直的光纤FBG传感器FBGC1、光纤FBG传感器FBGC2，D顶点布置相互垂直的光纤FBG传感器FBGD1、光纤FBG传感器FBGD2，其中FBGA1、FBGB1、FBGC1、FBGD1平行于X轴，FBGA2、FBGB2、FBGC2、FBGD2平行于Y轴；四组光纤FBG传感器构成分布式传感器网络，所覆盖的正方形区域即为板结构试件的载荷监测区域；步骤二：光纤FBG传感器载荷响应信号采集采用标准砝码在板结构表面检测区域内任一位置施加一个载荷，该载荷的大小和位置即为所需求解的信息；砝码并不直接接触板面，而是由一个专用静载模具承载，以便模拟集中载荷作用；分别记录在此载荷作用下每个光纤FBG传感器的相应响应信号，即共八个光纤FBG传感器的中心波长偏移量；步骤三：加载夹角归一化及特征信息提取对步骤二所得的载荷响应信号进行特征信息提取，具体过程如下：当一定大小的载荷施加于监测区域内时，其到正方形监测区域任意一个顶点上的两个相互垂直光纤FBG传感器的距离是相等的；当载荷大小及其加载距离一定时，光纤FBG传感器中心波长偏移量△λ与加载夹角θ近似呈一次函数关系，所述加载距离是指加载位置到对应光纤FBG传感器的距离，加载夹角是指载荷加载点与光纤光栅传感器的连线和光纤光栅轴向之间的夹角；光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载夹角的关系式为：Δλ＝mθ+n                                  (1)式中m、n是与载荷大小、加载距离以及监测结构、材料属性有关的系数，由于布置于正方形监测区域任一顶点上的两个光纤FBG传感器相互垂直,所以施加在监测区域的任意位置的载荷与该顶点处的两个相互垂直的FBG传感器之间的加载夹角之和为90°，则这两个光纤FBG传感器的中心波长偏移量之和△λ_s的表达式为：△λ₁是上述任一顶点处与X轴平行的传感器的中心波长偏移量，△λ₂是上述任一顶点处与Y轴平行的传感器的中心波长偏移量；由此可以算出，在一个大小及加载距离与待测载荷相等，加载夹角为45°的虚拟载荷作用下，则相应光纤FBG传感器中心波长偏移量表达式为：由此可以将待测载荷进行角度转化，求出待测载荷与各组光纤FBG传感器加载夹角归一为45°时对应的中心波长偏移量；将此归一化中心波长偏移量作为载荷识别的特征参数，则每一次施加的载荷都对应四个归一化中心波长偏移量△λ_{45°_A}、△λ_{45°_B}、△λ_{45°_C}、△λ_{45°_D}，分别为：其中△λ_A1、△λ_B1、△λ_C1、△λ_D1分别是FBGA1、FBGB1、FBGC1、FBGD1中心波长变化量，△λ_A1、△λ_B2、△λ_C2、△λ_D2分别是FBGA2、FBGB2、FBGC2、FBGD2中心波长变化量，由光纤光栅解调仪测得；步骤四：建立光纤光栅传感器中心波长偏移量与载荷相关参数方程组，求解获得四组初步解算所得载荷位置与大小信息；步骤4‑1、在直角坐标系内，加载点与四组光纤FBG传感器之间的加载距离r_A、r_B、r_C、r_D可以用它们的坐标分别表示为：其中，(x,y)为加载位置坐标，(x_A,y_A)、(x_B,y_B)、(x_C,y_C)、(x_D,y_D)为四组光纤FBG传感器位置坐标；步骤4‑2、采用Ansys仿真软件构建四边固支铝合金板模型，网格划分节点，选择与传感器实际距离最接近的一个节点，记录载荷在加载夹角45°直线上移动时节点的应变根据有限元仿真计算结果，在光纤FBG传感器加载夹角45°的直线上的应变随在该角度沿线上所施加载荷与传感器之间距离呈近似抛物线变化关系，则在此45°角度下，光纤FBG传感器中心波长偏移量△λ_45°与加载距离r之间关系：Δλ_45°＝k_εk(ar²+br+c)                            (6)式中a，b和c可以根据有限元仿真拟合得到；k_ε为单位应变引起的相对波长偏移的应变灵敏度系数，为常量，单位为pm/uε，与光纤光栅特性、胶接工艺等有关；k代表实际载荷大小和仿真载荷大小的比值；待测载荷到四组光纤FBG传感器的距离r_A、r_B、r_C、r_D与各组传感器在加载夹角为45°情况下四个归一化中心波长偏移量△λ_{45°_A}、△λ_{45°_B}、△λ_{45°_C}、△λ_{45°_D}之间关系式分别为：Δλ_{45°_A}＝k_εk(ar_A²+br_A+c)Δλ_{45°_B}＝k_εk(ar_B²+br_B+c)Δλ_{45°_C}＝k_εk(ar_C²+br_C+c)Δλ_{45°_D}＝k_εk(ar_D²+br_D+c)                       (7)步骤4‑3、将公式(5)中采用坐标表示的加载点与四组光纤FBG传感器之间距离r_A、r_B、r_C、r_D分别带入公式(7)中四个归一化中心波长偏移量△λ_{45°_A}、△λ_{45°_B}、△λ_{45°_C}、△λ_{45°_D}可得：进而可以得到：步骤4‑4、式(9)四个方程中仅包含x，y，k三个未知数，四个方程中任意三个方程可以构成方程组，由此可以分别求得四组x，y，k的值；其中x_A,B,C，y_A,B,C，k_A,B,C代表利用位于顶点A、B、C上的三组光纤光栅传感器求解获得的载荷位置信息及其载荷大小权重比值；x_A,B,D，y_A,B,D，k_A,B,D代表利用位于顶点A、B、D上的三组光纤光栅传感器求解获得的载荷位置信息及其载荷大小权重比值；x_A,C,D，y_A,C,D，k_A,C,D代表利用位于顶点A、C、D上的三组光纤光栅传感器求解获得的载荷位置信息及其载荷大小权重比值；x_B,C,D，y_B,C,D，k_B,C,D代表利用位于顶点B、C、D上的三组光纤光栅求解获得的载荷位置信息及其载荷大小权重比值；步骤五：可靠性计算及待测载荷的位置与大小确定根据每一方程组求得的载荷坐标值(x，y)，可以求出待测载荷与该方程组所对应的三组光纤FBG传感器的距离；光纤FBG传感器具有一定的敏感范围，载荷位置距离传感器越远，越容易影响采集到的信号稳定性；考虑到噪声及信号指数衰减规律等因素，采用指数感知模型，认为数据可靠性与距离的关系为与二次方成反比的数学关系式；计算四组结果的信号可靠性系数：为利用位于顶点A、B、C上的三组光纤光栅传感器求解的信号可靠性系数，r_{ABC_A}、r_{ABC_B}、r_{ABC_C}分别为计算得到的加载点到上述三个顶点的距离；为利用位于顶点A、B、D上的三组光纤光栅传感器求解的信号可靠性系数，r_{ABD_A}、r_{ABD_B}、r_{ABD_C}分别为计算得到的加载点到上述三个顶点的距离；为利用位于顶点A、C、D上的三组光纤光栅传感器求解的信号可靠性系数，r_{ACD_A}、r_{ACD_B}、r_{ACD_C}分别为计算得到的加载点到上述三个顶点的距离；为利用位于顶点B、C、D上的三组光纤光栅传感器求解的信号可靠性系数，r_{BCD_A}、r_{BCD_B}、r_{BCD_C}分别为计算得到的加载点到上述三个顶点的距离；其中r_max指加载点与光纤光栅传感器之间有可能的最大距离，即为正方形监测区域对角线距离；计算不同方程组的载荷坐标值(x，y)对应的可靠性占比：得出最终的载荷位置和大小权重比值：由此可确定施加载荷的位置和大小，加载点坐标为(x,y)，加载大小为F实＝k×F仿；其中F仿表示有限元仿真中施加的模拟载荷。