[發明專利]一種用于FBG結構檢測的自適應位置選取方法

有效

• 申請號: 201610544422.4
• 申請日: 2016-07-12
• 公開（公告）號: CN106225704B
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 尹繼豪;趙洪偉;謝鳳英;范維思
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種自適應光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)位置選取方法，適用于對柔性大尺度懸臂梁結構的形變檢測，屬于工程技術領域。

背景技術

隨著新材料技術、航空航天技術、計算機技術的快速發展以及其他新技術的大量涌現,現代無人機正在向隱身化、小型化、智能化和通用化方向發展，力求高生存率、低造價和低損耗。其結構總的設計要求是：重量輕，構造簡單可靠、低成本、使用維護方便，滿足性能指標及戰術技術對結構提出的各種要求。在無人機的研制中為了滿足其技戰術指標，除了采用先進的設計技術外，還要選取合適材料并進行合理的布局才能滿足強度需要，提高無人機結構效率的同時降低造價。為了滿足無人機不斷提高的性能要求，先進材料在無人機上應用的比例逐漸增大，高性能、低成本無人機機體復合材料成為無人機設計的重要需求。

二十世紀七十年代以來，隨著光纖的研制成功，以光纖為基礎的光纖技術在傳感、光通信和光信號處理等方面獲得了飛速的發展和廣泛的應用。光纖傳感技術是隨著光纖及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界信號(被測量)的新型傳感技術。光纖傳感包括對外界被測信號進行測量和傳輸。外界信號(如溫度或應力等)的變化會引起光纖中傳輸的光波的某些物理參量(如波長、頻率、相位、功率等)隨之發生變化。光纖將受控于外界信號，隨著外界信號變換而變化的光波傳輸至光電探測器進行檢測及數據處理，從而提取出外界信號的變化。

由于FBG的輕質、抗干擾、靈敏度高等優點，被廣泛應用于軍事、航空航天、橋梁檢測、石油化工、電力等行業。通過對結構表面鋪設測量溫度和應變的FBG傳感網絡能夠對結構進行實時的健康檢測。2007年開始，NASA逐漸使用FBG傳感器對柔性大尺度機翼表面進行鋪設，獲得機翼表面的應變變化，從而計算得出機翼的形變量。該方法逐漸被推廣用于柔性大尺度結構的形變測量及結構的健康狀態檢測。

傳統的方法對FBG進行鋪設時采用的是等間距的鋪設方法，即每隔一定的間距對光纖刻畫一個光柵，將刻畫好的傳感器鋪設到被測結構表面。然而，由于機翼受到載荷的影響，其表面的應變是非均勻變化的，使用等間距鋪設的方法使得測量結果不準確，若想提高測量精度，則必須增加FBG的刻畫密度，這樣將會大幅提高測量成本及加工難度，因為為達到測量精度，一根光纖上能夠刻畫的光柵數量是有限的。

為解決上述問題，本發明提出一種自適應的FBG位置選取的方法，首先，通過分析被測結構的材料力學特性，獲得鋪設線路上的FBG位移形變曲線，然后，對應變位移曲線進行分析，獲得自適應的曲線積分劃分方法，最后，將劃分的結果作為FBG刻畫的結果，從而得到自適應的FBG鋪設方案。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于FBG結構形變檢測系統的基于自適應的FBG位置選取方法，發明了一種通過分析被測物體應變變化曲線對FBG鋪設位置進行選擇，對應變變化劇烈的區域加裝FBG，對應變變化平緩的區域減少FBG鋪設，最終得到一種優化后的FBG鋪設方案。本發明即能用于柔性大尺度懸臂梁模型形變檢測，又能夠用于機翼、橋梁等結構健康監測，使用范圍廣。

本發明所涉及的方法流程包括以下步驟：(1)對被測結構使用ANSYS等仿真軟件進行結構的力學特性仿真分析；(2)根據仿真分析的結果，獲取需要鋪設FBG結構的應變曲線；(3)對應變曲線進行分析，使用自適應步長選取的方法確定FBG鋪設位置；(4)使用局部線性理論求解出結構FBG鋪設位置處的撓度；(5)輸出最終的結構形變結果。

下面對該方法流程各步驟進行詳細說明：

(1)將被測物體的結構在ANSYS等仿真軟件中進行幾何建模，設定好材料的屬性，模擬結構在使用過程中受到的力的作用，在軟件中對結構施加相應的作用力，通過仿真分析計算可以得到被測結構的力學特性，如：應變、形變、壓強等。

(2)獲取需要鋪設FBG結構的位移應變曲線：根據實際測量需求，選擇被測結構FBG的鋪設位置，通過(1)可以得到被測結構整體仿真分析結果，從中選取需要進行FBG鋪設的線路，提取出該線路上的應變位移曲線。

(3)對位移應變曲線進行分析，使用二次曲線對該位移應變曲線進行分段擬合，擬合條件如下：

①使用二次曲線對(2)中得到的位移應變曲線中的數據點(x,y)進行擬合，得到擬合函數f(x)；

②計算擬合函數與數據點之間的誤差