[发明专利]基于光纤光栅瞬态响应差值计算的固支板冲击监测方法

摘要

本发明提出一种基于光纤光栅瞬态响应差值计算的固支板冲击监测方法，包括以下步骤：步骤一：分布式光纤布拉格光栅传感网络的布置；步骤二：样本冲击点对应的光纤布拉格光栅传感器响应信号的采集与特征信息提取；步骤三：待测点对应的光纤布拉格光栅传感器响应信号采集与特征信息提取；步骤四：利用光纤光栅传感器冲击响应信号每个序列点的平均差值与位置信息相关联的算法进行冲击点区域定位；步骤五：利用光纤光栅传感器冲击响应信号每个序列点的平均差值与位置信息相关联算法进行冲击点精确定位。本发明的定位算法无需大量先验知识、简单快速、方便可靠、实用性强。

主权项

1.一种基于光纤光栅瞬态响应差值计算的固支板冲击监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感网络的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、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左下角顶点C作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在板结构正方形监测区域A、B、C、D四个顶角位置分别布置平行于X轴方向的四个光纤布拉格光栅传感器FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，同时在A、B、C、D四个顶角位置分别布置平行于Y轴方向的四个光纤布拉格光栅传感器FBG5、FBG6、FBG7、FBG8；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构的背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG8，FBG6和FBG7分别串行连接，以此构成分布式传感器网络，八个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击待监测区域；步骤二、样本冲击点对应的光纤布拉格光栅传感器响应信号的采集与特征信息提取步骤2‑1、取AD的四分之一和四分之三处分别标记为E、F，取DC的四分之一和四分之三处分别标记为G、H，取CB的四分之一和四分之三处分别标记为I、J，取BA的四分之一和四分之三处分别标记为K、L，沿线EJ、FI、LG、KH均匀设置冲击样本点，注意应在直线EJ、FI、LG、KH的交点处设置冲击样本点；步骤2‑2、然后采用能量设置与待测冲击点大小相同的冲击锤对各个样本点依次进行冲击；分别记录每次冲击下，分布式传感网络的冲击响应信号，将每次冲击下的分布式传感网络的冲击响应信号称为一组冲击响应信号；每组冲击响应信号包括八个光纤FBG传感器的相应冲击响应信号，即八个光纤FBG传感器的中心波长偏移量；步骤2‑3、提取每一组冲击响应信号中平行于X轴方向且位于同一Y轴高度的两个光纤FBG传感器的中心波长偏移量序列之差的和，并除以序列的长度，得到相应两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值；同样，提取每一组冲击响应信号中平行于Y轴方向且位于同一X轴位置的两个光纤FBG传感器的中心波长偏移量序列之差，并除以序列的长度，得到相应两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值；上述两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值具体表达式为：其中Ki，j为对应的两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值，X为光纤FBG传感器的中心波长偏移量序列，i,j为光纤FBG传感器编号；步骤2‑4、利用步骤2‑3所述方法得到每个样本点位置冲击下的光纤布拉格光栅传感器FBG1和FBG2、FBG4和FBG3、FBG8和FBG5、FBG7和FBG6分别对应的两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值，记为Kh1，2、Kh4，3、Kh8，5、Kh7，6，其中h代表样本点编号；步骤三、待测点对应的光纤布拉格光栅传感器响应信号采集与特征信息提取采用冲击锤对板结构试件的待监测冲击区域ABCD中的任意点作为待测点进行冲击加载，记录该冲击下分布式传感网络8个光纤布拉格光栅传感器的冲击响应信号，按照步骤2‑3所述方法，得到待测冲击点下光纤布拉格光栅传感器FBG1和FBG2、FBG4和FBG3、FBG8和FBG5、FBG7和FBG6对应的两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值，分别记为K1，2、K4，3、K8，5、K7，6；步骤四、利用冲击响应信号每个信号点的平均差值与位置信息相关联算法进行冲击点区域定位步骤4‑1、将待测区域平均划分为四个区域；定义依据从左到右、从上到下原则，将上述四个区域依次命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域；通过将待测冲击点两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值K1，2、K4，3、K8，5、K7，6与样本点的相应两个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值Kh1，2、Kh4，3、Kh8，5、Kh7，6作比较可以确定冲击点加载位置所在待测区域所属区域，具体确定区域方法如下：设K_i，j为待测点第i个和第j个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值，K^h_i，j为编号为h的样本点的第i个和第j个光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值；求(i,j)∈{(1,2),(4,3),(8,5),(7,6)}(1)当对应的样本点位于单一区域Ⅰ，则待测点位置位于单一区域Ⅰ；当对应的样本点位于单一区域Ⅱ，则待测点位置位于单一区域Ⅱ；当对应的样本点位于合并区域Ⅲ、Ⅳ，则待测点位置位于合并区域Ⅲ、Ⅳ；(2)当对应的样本点位于单一区域Ⅲ，则待测点位置位于单一区域Ⅲ；当对应的样本点位于单一区域Ⅳ，则待测点位置位于单一区域Ⅳ；当对应的样本点位于合并区域Ⅰ、Ⅱ，则待测点位置位于合并区域Ⅰ、Ⅱ；(3)当对应的样本点位于单一区域Ⅱ，则待测点位置位于单一区域Ⅱ；当对应的样本点位于单一区域Ⅳ，则待测点位置位于单一区域Ⅳ；当对应的样本点位于合并区域Ⅰ、Ⅲ，则待测点位置位于合并区域Ⅰ、Ⅲ；(4)当对应的样本点位于单一区域Ⅰ，则待测点位置位于单一区域Ⅰ；当对应的样本点位于单一区域Ⅲ，则待测点位置位于单一区域Ⅲ；当对应的样本点位于合并区域Ⅱ、Ⅳ，则待测点位置位于合并区域Ⅱ、Ⅳ；通过对待测冲击点与样本冲击点的两两光纤FBG传感器之间每个序列点的平均差值经过以上判断后，可以得到一系列待测冲击点所在区域结果；这里取出现次数最多的区域结果作为最终结果；如果出现次数最多的区域结果不唯一，则进一步选择其中出现次数最多的单一区域作为最终结果，以此为后续待测冲击点精确定位中选定哪两个传感器的数据作为可信数据做准备；步骤五、利用冲击响应信号每个序列点的平均差值与位置信息相关联算法确定冲击点坐标；步骤5‑1、确定了冲击加载位置所在区域后，即可对冲击加载位置进行精确辨识；若经过步骤4‑1后判断得到待测冲击点位于区域Ⅰ内，则待测冲击点位置的精确辨识方法如下：(1)提取所有Kh1，2，h∈处于区域I和区域II内的样本点的编号，并将位于EJ沿线上样本点的Kh1，2值进行一阶拟合，得到一条拟合直线lE,J，代表EJ沿线上位于不同横坐标位置的冲击点对应的Kh1，2的变化趋势；(2)将位于LG和KH沿线上且处于区域Ⅰ或区域Ⅱ内的样本点中每两个拥有相同纵坐标的样本点分为一组，所得组的数目与LG沿线上处于区域Ⅱ内的样本点的数目相同；可用一条拟合直线代表每组两个样本点连线上位于不同横坐标位置的冲击点对应的Kh1，2的变化趋势；设置其中每组样本点的拟合直线的斜率与步骤5‑1(1)中的拟合直线lE,J的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh1，2值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅰ和区域Ⅱ中纵坐标相同而横坐标不同的冲击点对应的Kh1,2的变化趋势；(3)将待测点的K1,2代入由步骤5‑1(2)步得到的各条拟合直线中，虽然待测点的纵坐标暂时不能确定，但可以预测此待测点在不同纵坐标位置上的横坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的横坐标的位置会比较集中；(4)提取所有Kh7,6，h∈处于区域I和区域III内的样本点的编号，并将位于KH沿线上样本点的Kh7,6值进行一阶拟合，得到一条拟合直线lK,H，代表KH沿线上位于不同纵坐标位置的冲击点产生的Kh7,6的变化趋势；(5)将位于EJ和FI沿线上且处于区域Ⅰ或区域Ⅲ内的样本点中每两个拥有相同横坐标的样本点分为一组，所得组的数目与EJ沿线上处于区域Ⅰ内的样本点的数目相同；每组样本点都可采用一条拟合直线代表其中的两个样本点连线上位于不同纵坐标位置的冲击点对应的Kh7,6的变化趋势；.设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑1(4)中的拟合直线lK,H的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh7,6值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅰ和区域Ⅲ中横坐标相同而纵坐标不同的冲击点对应的Kh7,6的变化趋势；(6)将待测点的K7,6代入由步骤5‑1(5)步得到的各条拟合直线中，可以预测此待测点在不同横坐标位置上的纵坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的纵坐标位置会比较集中；(7)在上述步骤5‑1(3)步和步骤5‑1(6)步找到的全部坐标中确定密集区，其中密集区应包含由步骤5‑1(3)步和步骤5‑1(6)步得到的坐标；将密集区中的全部坐标的横坐标和纵坐标分别求平均值，所得即可认为是待测冲击点所在的位置；步骤5‑2、若经过步骤4‑1后判断得到待测冲击点位于区域Ⅱ内，则待测冲击点位置的精确辨识方法如下：(1)提取所有Kh1,2，h∈处于区域I和区域II内的样本点的编号，并将位于EJ沿线上样本点的Kh1，2值进行一阶拟合，得到一条直线lE,J，代表EJ沿线上位于不同横坐标位置的冲击点产生的Kh1，2的变化趋势；(2)将位于LG和KH沿线上且处于区域Ⅰ或区域Ⅱ内的样本点中每两个拥有相同纵坐标的样本点分为一组，所得组的数目与LG沿线上处于区域Ⅱ内的样本点的数目相同；可用一条拟合直线代表每组两个样本点连线上位于不同横坐标位置的冲击点对应的Kh1，2的变化趋势；.设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑2(1)中的拟合直线lE,J的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh1，2值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅰ和区域Ⅱ中纵坐标相同而横坐标不同的冲击点对应的Kh1,2的变化趋势；(3)将待测点的K1,2代入由步骤5‑2(2)步得到的各条拟合直线中，虽然待测点的纵坐标暂时不能确定，但可以预测此待测点在不同纵坐标位置上的横坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的横坐标的位置会比较集中；(4)提取所有Kh8,5，h∈处于区域II和区域Ⅳ内的样本编号，并将位于LG沿线上样本点的Kh8,5值进行一阶拟合，得到一条直线lL,G，代表LG沿线上位于不同纵坐标位置的冲击点产生的Kh8,5的变化趋势；(5)将位于EJ和FI沿线上且处于区域Ⅱ或区域Ⅳ内的样本点中每两个拥有相同横坐标的样本点分为一组，所得组的数目与EJ沿线上处于区域Ⅱ内的样本点的数目相同；每组样本点都可采用一条拟合直线代表其中的两个样本点连线上位于不同纵坐标位置的冲击点对应的Kh8,5的变化趋势；.设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑2(4)中的拟合直线lL,G的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh8,5值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅱ和区域Ⅳ中横坐标相同而纵坐标不同的冲击点对应的Kh8,5的变化趋势；(6)将待测点的K8,5代入由步骤5‑2(5)步得到的各条拟合直线中，可以预测此待测点在不同横坐标位置上的纵坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的纵坐标位置会比较集中；(7)在上述步骤5‑2(3)步和步骤5‑2(6)步找到的全部坐标中确定密集区，其中密集区必须包含1‑2个步骤5‑2(3)步中找到的坐标以及1‑2个步骤5‑2(6)步中找到的坐标，将密集区中的全部坐标的横坐标和纵坐标分别求平均值，所得即认为是待测冲击点所在的位置；步骤5‑3、若经过步骤4‑1后判断得到待测冲击点位于区域Ⅲ内，则待测冲击点位置的精确辨识方法如下：(1)提取所有Kh4,3，h∈处于区域III和区域Ⅳ内的样本点编号，并将位于FI沿线上样本点的Kh4,3值进行一阶拟合，得到一条直线lF,I，代表FI沿线上位于不同横坐标位置的冲击点产生的Kh4,3的变化趋势；(2)将位于LG和KH沿线上且处于区域Ⅲ或区域Ⅳ内的样本点中每两个拥有相同纵坐标的样本点分为一组，所得组的数目与LG沿线上处于区域Ⅳ内的样本点的数目相同；可用一条拟合直线代表每组两个样本点连线上位于不同横坐标位置的冲击点对应的Kh4,3的变化趋势；设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑3(1)步中的拟合直线lF,I的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh4,3值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅲ和区域Ⅳ中纵坐标相同而横坐标不同的冲击点对应的Kh4,3的变化趋势；(3)将待测点的K4,3代入由步骤5‑3(2)步得到的各条拟合直线中，虽然待测点的纵坐标暂时不能确定，但可以预测此待测点在不同纵坐标位置上的横坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的横坐标的位置会比较集中；(4)提取所有Kh7,6，h∈处于区域I和区域III内的样本点的编号，并将位于KH沿线上样本点的Kh7,6值进行一阶拟合，得到一条直线lK,H，代表KH沿线上位于不同纵坐标位置的冲击点产生的Kh7,6的变化趋势；(5)将位于EJ和FI沿线上且处于区域Ⅰ或区域Ⅲ内的样本点中每两个拥有相同横坐标的样本点分为一组，所得组的数目与EJ沿线上处于区域Ⅰ内的样本点的数目相同；每组样本点都可采用一条拟合直线代表其中的两个样本点连线上位于不同纵坐标位置的冲击点对应的Kh7,6的变化趋势；.设置其中每组样本点的拟合直线的斜率与步骤5‑3(4)步中的拟合直线lK,H的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh7,6值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅰ和区域Ⅲ中横坐标相同而纵坐标不同的冲击点对应的Kh7,6的变化趋势；(6)将待测点的K7,6代入由步骤5‑3(5)步得到的各条拟合直线中，可以预测此待测点在不同横坐标位置上的纵坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的纵坐标位置会比较集中；(7)在上述步骤5‑3(3)步和步骤5‑3(6)步找到的全部坐标中确定密集区，其中密集区必须包含1‑2个步骤5‑3(3)步中找到的坐标以及1‑2个步骤5‑3(6)步中找到的坐标，将密集区中的全部坐标的横坐标和纵坐标分别求平均值，所得即认为是待测冲击点所在的位置；步骤5‑4、若经过步骤4‑1后判断得到待测冲击点位于区域Ⅳ内，则待测冲击点位置的精确辨识方法如下：(1)提取所有Kh4,3，h∈处于区域III和区域Ⅳ内的样本点编号，并将位于FI沿线上样本点的Kh4,3值进行一阶拟合，得到一条直线lF,I，代表FI沿线上位于不同横坐标位置的冲击点产生的Kh4,3的变化趋势；(2)将位于LG和KH沿线上且处于区域Ⅲ或区域Ⅳ内的样本点中每两个拥有相同纵坐标的样本点分为一组，所得组的数目与LG沿线上处于区域Ⅳ内的样本点的数目相同；可用一条拟合直线代表每组两个样本点连线上位于不同横坐标位置的冲击点对应的Kh4,3的变化趋势；设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑4(1)步中的拟合直线lF,I的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh4,3值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅲ和区域Ⅳ中纵坐标相同而横坐标不同的冲击点对应的Kh4,3的变化趋势；(3)将待测点的K4,3代入由步骤5‑4(2)步得到的各条拟合直线中，虽然待测点的纵坐标暂时不能确定，但可以预测此待测点在不同纵坐标位置上的横坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的横坐标的位置会比较集中；(4)提取所有Kh8,5，h∈处于区域II和区域Ⅳ内的样本编号，并将位于LG沿线上样本点的Kh8,5值进行一阶拟合，得到一条拟合直线lL,G，代表LG沿线上位于不同纵坐标位置的冲击点产生的Kh8,5的变化趋势；(5)将位于EJ和FI沿线上且处于区域Ⅱ或区域Ⅳ内的样本点中每两个拥有相同横坐标的样本点分为一组，所得组的数目与EJ沿线上处于区域Ⅱ内的样本点的数目相同；每组样本点都可采用一条拟合直线代表其中的两个样本点连线上位于不同纵坐标位置的冲击点对应的Kh8,5的变化趋势；.设置其中每组样本点的.拟合直线的斜率与步骤5‑4(4)步中的拟合直线lL,G的斜率相同，高度分别由该组中两个冲击样本点的Kh8,5值拟合计算确定；以此类推，就能得到与分组数目相同的多条拟合直线，每条拟合直线分别代表区域Ⅱ和区域Ⅳ中横坐标相同而纵坐标不同的冲击点对应的Kh8,5的变化趋势；(6)将待测点的K8,5代入由步骤5‑4(5)步得到的各条拟合直线中，可以预测此待测点在不同横坐标位置上的纵坐标位置，因而可以得到一系列坐标结果，预测所得到的纵坐标位置会比较集中；(7)在上述步骤5‑4(3)步和步骤5‑4(6)步找到的全部坐标中确定密集区，其中密集区必须包含1‑2个步骤5‑4(3)步中找到的坐标以及1‑2个步骤5‑4(6)步中找到的坐标，将密集区中的全部坐标的横坐标和纵坐标分别求平均值，所得即认为是待测冲击点所在的位置。