[發明專利]基于模態疊加原理的機翼應變場重構分布式光纖計算方法

有效

• 申請號: 201910255196.1
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN110059373B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 曾捷;司亞文;盧李;白瑜芳;周智;張益昕;鐘照振
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F119/18
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明涉及一種基于模態疊加原理的機翼應變場重構分布式光纖計算方法，屬于結構健康監測領域。它包括以下步驟：步驟一：基于光纖光柵傳感器機翼結構應變的測量，利用光纖光柵中心波長偏移量來計算出量機翼結構表面的應變；步驟二：計算出機翼結構的應變模態，通過應變模態優化機翼結構光纖光柵傳感器網絡布局。步驟三：推導出機翼結構傳感器測量點位置對應的應變矩陣和機翼結構所有點應變矩陣之間的轉換公式；步驟四：針對應變模態矩陣不適定問題，采用正則化的方法優化應變模態坐標的求解，減少應變場重構誤差。該方法通過采集少量離散點的光纖光柵的響應信號，通過公式推導計算出機翼結構應變場。

技術領域

本發明屬于結構健康監測的領域，具體提出了一種基于模態疊加原理的機翼結構應變場重構分布式光纖計算方法，具體涉及光纖光柵傳感器應變的測量，應變模態疊加原理，光纖光柵傳感器布局優化等方面。

背景技術

在結構健康監測中，應變是十分重要的一個指標。應變反應了結構的強度，結構的失效通常和應變狀態有關，通過分析結構的應變，還可以監測結構的疲勞和裂紋。在結構受到動態載荷時，常常因為結構上的應變值超過了結構承受的極限而發生損壞，實時監測結構的應變可以很好地避免這類事故。但是，受經各種條件的限制，結構上能布置的傳感器的數量是有限的，所以，有必要采用一定的算法，通過少量傳感器測得的應變值，反演出整個結構的應變場，為結構的安全評估提供重要依據。

傳統的應變測量方法是基于應變片的測量方法。而基于電阻應變片的應變監測方法，是利用粘貼在機翼上的多組應變片測量當地的應變值，即通過電信號解算成應變信息。其特點是尺寸小、重量輕、靈敏度高、測量范圍大、頻響特性好，但其無法構建分布式監測網絡、不適于大面積測量、因需要配置銅芯線纜而會導致系統復雜、目標測量結構自重增加甚至改變結構剛度、易受噪聲和電磁干擾，給信號分析帶來困難。

光纖光柵傳感器作為一種新型傳感器，可以很精準地測量應變、溫度等眾多物理量。相比于傳統的傳感器，光纖光柵傳感器具有質量輕、柔韌性好、化學性能穩定、抗電磁干擾等優點，它還集信號傳感與傳輸于一體，可以進行空分復用和波分復用，易于構成分布式傳感網絡，為實現航空航天領域大尺度柔性結構應變在役監測提供了可能。

應變場重構常見的算法有插值擬合法，插值擬合法計算簡單，但是精度不高，而且對于結構上應變突變部分，如果沒有取到關鍵插值點，就無法準確進行應變場重構。

基于上述分析，本發明提出采用分布式光纖光柵傳感器來測量機翼結構上上關鍵節點的應變信息，再通過公式推導出機翼結構應變場信息。本發明基于模態疊加原理的應變場重構，通過傳感器優化布局，可以通過較少的傳感器重構出結構的應變場，而且重構精度較高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于模態疊加原理的機翼結構應變場重構分布式光纖計算方法。該方法通過采集少量離散點的光纖光柵傳感器的響應信號，通過公式推導計算出機翼結構的應變場。

為解決上述技術問題，本發明所述基于模態疊加原理的機翼結構應變場重構分布式光纖計算方法，包括下列步驟：

步驟一：基于光纖光柵傳感器機翼結構應變的測量，利用光纖光柵中心波長偏移量來計算出量機翼結構表面的應變；

步驟a，機翼模型的應變由光纖光柵測得，光纖光柵傳感器的中心反射波長可表示為：

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，n_eff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光纖光柵的周期；

機翼模型的應變變化引起的光纖光柵中心波長變化為：

Δλ_B為光纖光柵的中心波長偏移量；λ_B為光纖光柵的中心波長；P_e為彈光系數；ε_x為光纖光柵測得的機翼模型的應變；