[發明專利]基于應變響應閾值計算的光纖傳感器布局方法

在審

• 申請號: 202110225601.2
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN112948968A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 曾捷;胡錫濤;吳亞星;嚴楨鋒;徐云濤;岳應萍;王云嵩;孫陽陽
• 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;G06F30/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

1.一種基于應變響應閾值計算的光纖傳感器布局方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：計算光纖傳感器所在四邊固支板相對位置

以邊長為l四邊固支方形板為正方形應變監測區域OABC，其中點O位于左下角，點O、A、B、C為逆時針方向排序的正方形板各頂點；建立一個二維直角坐標系，選定正方形板頂點O為坐標原點，定義X軸平行于OA方向，Y軸平行于OC方向；板面上分布著m列×n行光纖傳感器，對于某個沿X軸方向粘貼的光纖傳感器ij，其位置坐標為(x_i,y_j)，其中i∈(1,2,…,m)，j∈(1,2,…,n)；計算該光纖傳感器粘貼位置在四邊固支板中的相對位置，計算表達式為：

式中a_i和b_j分別表示傳感器在四邊固支板中橫向和豎向的相對位置；

步驟二：依據應變閾值選擇對應的傳感器監測范圍方程

靜載作用下四邊固支板加載點附近應變梯度大，將附近位置上應變與加載位置應變的比值記為應變閾值，大小為0～1之間；針對實際工程應用中，需要應變監測較精準的場合，選擇較大應變閾值對應的傳感器監測范圍方程，應變監測精準度較低的場合，選擇較小應變閾值對應的傳感器監測范圍方程；根據有限元仿真分析結果可知，X軸向和Y軸向的傳感器監測范圍曲線均呈現拋物線形式，且不同應變閾值對應不同的方程系數，方程的系數可以通過有限元仿真分析結果處理可得；因此設傳感器監測范圍方程公式為：

式中，S_上為傳感器監測范圍上限，即傳感器X或Y向上計算所得監測范圍較大值，S_下為傳感器監測范圍下限，即傳感器X或Y向上計算所得監測范圍較小值，x為自變量；對于光纖傳感器X軸向監測范圍計算，根據所選應變閾值，選擇對應的方程系數p₁、p₂、p₃和q₁、q₂、q₃，將橫向相對位置a_i帶入x進行計算；對于光纖傳感器Y軸向監測范圍計算，根據所選應變閾值，選擇對應的方程系數p₁'、p'₂、p'₃和q₁'、q'₂、q'₃，將豎向相對位置b_j帶入x進行計算；X、Y不同方向，不同應變閾值都有對應不同的傳感器監測范圍方程，帶入后的公式為：

式中，S_上和S_下為光纖傳感器X軸向監測范圍上限和下限，S'_上和S'_下為光纖傳感器Y軸向監測范圍上限和下限；

步驟三：計算不同光纖傳感器在X方向上的監測范圍，并進行判定是否合理

對于X方向上各傳感器監測范圍所覆蓋范圍，相鄰三個光纖傳感器分別為i-1、i和i+1，將X方向各傳感器相對位置a_i-1、a_i和a_i+1帶入傳感器監測范圍公式；得到各自對應的傳感器監測范圍為，S_i-1上和S_i-1下，S_i上和S_i下，S_i+1上和S_i+1下；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S_i-1上＝S_i下，S_i上＝S_i+1下 (5)

表明這三個光纖傳感器X方向上監測范圍剛好相交，此時這三個傳感器布局間距最為合理；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S_i-1上S_i下，S_i上S_i+1下，S_i-1上S_i+1下 (6)

表明這三個光纖傳感器X方向上相鄰兩個傳感器監測存在交集，i-1和i+1兩個傳感器對應監測范圍之間不存在交集，這種情況說明三個傳感器布局相對合理，沒有存在布置間距過密的情況；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S_i-1上S_i下，S_i上S_i+1下，S_i-1上≥S_i+1下 (7)

表明這三個光纖傳感器X方向上監測范圍兩兩之間存在交集，這種情況說明三個傳感器布局過密；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足下面三種情況一種的：

表明這三個光纖傳感器X方向上監測范圍，存在沒有相交的部分，即監測盲區，因此這些情況說明這三個傳感器的布局不合理，存在監測盲區，需要重新布局；

步驟四：計算不同光纖傳感器在Y方向上的監測范圍，并進行判定是否合理

對于Y方向上各傳感器監測范圍所覆蓋范圍，相鄰三個光纖傳感器分別為j-1、j和j+1，將Y方向各傳感器相對位置b_j-1、b_j和b_j+1帶入傳感器監測范圍公式；得到各自對應的傳感器監測范圍為，S'_j-1上和S'_j-1下，S'_j上和S'_j下，S'_j+1上和S'_j+1下；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S'_j-1上＝S'_j下，S'_j上＝S'_j+1下 (9)

表明這三個光纖傳感器Y方向上監測范圍剛好相交，此時這三個傳感器布局間距最為合理；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S'_j-1上S'_j下，S'_j上S'_j+1下，S'_j-1上S'_j+1下 (10)

表明這三個光纖傳感器Y方向上相鄰兩個傳感器監測存在交集，i-1和i+1兩個傳感器對應監測范圍之間不存在交集，這種情況說明三個傳感器布局相對合理，沒有存在布置間距過密的情況；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足：

S'_j-1上S'_j下，S'_j上S'_j+1下，S'_j-1上≥S'_j+1下 (11)

表明這三個光纖傳感器Y方向上監測范圍兩兩之間存在交集，這種情況說明三個傳感器布局過密；

如果對于這相鄰的三個傳感器滿足下面三種情況一種的：

表明這三個光纖傳感器Y方向上監測范圍，存在沒有相交的部分，即監測盲區，因此這些情況說明這三個傳感器的布局不合理，存在監測盲區，需要重新布局；

步驟五：結合步驟三、步驟四確定所有光纖傳感器的布局密度是否合理

對于布置在結構表面的所有光纖傳感器，通過步驟三和步驟四可以求得所有光纖傳感器兩個方向上的監測范圍，以及相鄰傳感器之間布局密度的合理性；如果所有傳感器在兩個方向上，均不呈現布局過密或者存在監測盲區的情況，那么說明此種傳感器布局方法合理，能滿足四邊固支壁板結構表面應變監測需求，且所使用的傳感器數量較少。