一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，屬于光纖傳感的信號(hào)處理及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：S1：搭建具有溫度補(bǔ)償功能的FBG應(yīng)變花傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)；S2：通過(guò)信源估計(jì)方法改進(jìn)分離算法，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分離，得到定位所需的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)；S3：通過(guò)濾除非裂紋源算法對(duì)分離得到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)集合進(jìn)行干擾源濾除，得到所需的裂紋聲發(fā)射信號(hào)；S4：通過(guò)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值對(duì)FBG檢測(cè)到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)判定聲發(fā)射事件開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻的策略，進(jìn)而求取各個(gè)聲發(fā)射事件導(dǎo)致的應(yīng)變花FBG波長(zhǎng)漂移量；S5：建立FBG傳感器橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型H，引入應(yīng)變解耦模型，根據(jù)應(yīng)變花定位原理對(duì)每個(gè)裂紋聲發(fā)射事件進(jìn)行定位。本方法考慮了外部干擾源問(wèn)題，能夠用于檢測(cè)與定位結(jié)構(gòu)多裂紋情況。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感的信號(hào)處理及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種光纖布拉格光柵傳感 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的大型設(shè)備，如航空飛行器、艦船、海 洋平臺(tái)、軌道、橋梁等逐漸服役用來(lái)服務(wù)于社會(huì)，然而運(yùn)些設(shè)備在服役期間不可避免地受到 各種各樣的沖擊、疲勞等因素的影響，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋。運(yùn)些結(jié)構(gòu)裂紋如若不及早發(fā)現(xiàn)， 便會(huì)隨著服役發(fā)生擴(kuò)展，不僅會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)部位產(chǎn)生損壞，極有可能影響設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)人 們的生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生巨大的威脅，因此，設(shè)計(jì)一種可行的結(jié)構(gòu)裂紋定位傳感系統(tǒng)意義重大。
[0003] 光纖布拉格光柵(F;Lber Bragg grating,FBG)傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電 磁干擾、耐腐蝕、可靠性高、易串接復(fù)用和不影響宿主材料結(jié)構(gòu)特性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航 空航天、艦船工業(yè)、海洋平臺(tái)、上木工程及醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。
[0004] 目前，F(xiàn)BG傳感技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外很多研究者應(yīng)用于結(jié)構(gòu)單個(gè)裂紋的檢測(cè)，而對(duì)結(jié)構(gòu) 多裂紋定位研究上，由于觀測(cè)信號(hào)是多個(gè)未知數(shù)目的源信號(hào)的混疊，常規(guī)的單裂紋定位技 術(shù)便不再適用。依據(jù)FBG對(duì)應(yīng)變敏感的特性，針對(duì)結(jié)構(gòu)多裂紋檢測(cè)檢測(cè)方法，根據(jù)其原理可 分為諧波定位法和聲發(fā)射(Acoustic emission,AE)定位法。諧波定位法主要是依據(jù)把裂紋 視作造成諧波的來(lái)源，通過(guò)激勵(lì)源激勵(lì)結(jié)構(gòu)材料，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)，進(jìn)而對(duì)裂 紋造成的諧波源進(jìn)行聚焦，該方法局限在數(shù)值仿真上，且信號(hào)采集困難，而不當(dāng)?shù)募?lì)方式 也可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響;聲發(fā)射定位法主要依據(jù)是裂紋在產(chǎn)生和擴(kuò)展的時(shí)候會(huì)產(chǎn) 生AE現(xiàn)象，進(jìn)而通過(guò)傳感器接收AE應(yīng)力波，再通過(guò)定位算法進(jìn)行定位，概括起來(lái)主要有基于 獨(dú)立分量分析的多裂紋定定位法和基于最小方差無(wú)失真響應(yīng)的多裂紋定定位法?；讵?dú)立 分量分析的定位法存在著默認(rèn)裂紋源數(shù)目已知的缺陷;而基于最小方差無(wú)失真響應(yīng)的定位 法在采集信號(hào)上，每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)FBG傳感器，局限于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)上。并且運(yùn)兩種方法都 沒(méi)有考慮外部干擾源的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位 方法，該方法能夠用于檢測(cè)與定位結(jié)構(gòu)多裂紋情況。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，該方法包括W下步驟：
[000引S1:搭建具有溫度補(bǔ)償功能的FBG應(yīng)變花傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)；
[0009] S2:通過(guò)信源估計(jì)方法改進(jìn)分離算法，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分離，得到定位所需的單 個(gè)聲發(fā)射信號(hào)；
[0010] S3:通過(guò)濾除非裂紋源算法對(duì)分離得到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)集合進(jìn)行干擾源濾除， 得到所需的裂紋聲發(fā)射信號(hào)；
[0011] S4:通過(guò)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)闊值對(duì)FBG檢測(cè)到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)判定聲發(fā)射事件開(kāi)始 和結(jié)束時(shí)刻的策略，進(jìn)而求取各個(gè)聲發(fā)射事件導(dǎo)致的應(yīng)變花FBG波長(zhǎng)漂移量；
[0012] S5:建立FBG傳感器橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型H，引入應(yīng)變解禪模型，根據(jù)應(yīng)變花定位 原理對(duì)每個(gè)裂紋聲發(fā)射事件進(jìn)行定位。
[0013] 進(jìn)一步，在步驟S4中，通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)闊值來(lái)對(duì)FBG應(yīng)變花結(jié)構(gòu)檢測(cè)到的裂紋聲發(fā)射 事件進(jìn)行判定其開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，再通過(guò)設(shè)定其最大波長(zhǎng)漂移量時(shí)刻，進(jìn)而確定波長(zhǎng)漂移 量，具體包括W下步驟：
[0014] S41:開(kāi)始時(shí)刻：通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)闊值，其與FBG檢測(cè)信號(hào)波形的交點(diǎn)即為開(kāi)始時(shí)刻， 且對(duì)Ξ個(gè)FBG傳感信號(hào)做同樣處理；
[001引S42:最大波長(zhǎng)漂移量時(shí)刻:在開(kāi)始時(shí)刻后，對(duì)各個(gè)FBG傳感信號(hào)進(jìn)行一次求導(dǎo)，第 一個(gè)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為對(duì)應(yīng)傳感器的峰值時(shí)刻，記為ti(i = 1，2，3為FBG傳感器序號(hào)）， 則聲發(fā)射事件的峰值時(shí)刻為
[0016]
[0017] S43:結(jié)束時(shí)刻：當(dāng)Ξ個(gè)傳感器波長(zhǎng)值，都在我們?cè)O(shè)置的闊值內(nèi)時(shí)的時(shí)刻設(shè)置為聲 發(fā)射事件結(jié)束時(shí)刻。
[0018] 進(jìn)一步，在步驟S5中，采用粘合劑(如環(huán)氧樹(shù)脂等)將一不同中屯、波長(zhǎng)的FBG傳感器 單端固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)位置上，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變花結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償。
[0019] 進(jìn)一步，在步驟S5中，通過(guò)構(gòu)建FBG傳感器橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型Η來(lái)減少FBGii量 應(yīng)變誤差，由FBG傳感原理推導(dǎo)出Η如下式所示：
[0020]
[0021] 式中：Pe和P^e分別是指在軸向應(yīng)力和橫向應(yīng)力作用下的FBG有效彈光系數(shù)，且
P11、P12分別為單模光纖的彈光系數(shù)，μ日為光纖的泊 松比，neff是纖忍折射率。
[0022] 進(jìn)一步，在步驟S5中，引入解禪模型，使得FBG二維應(yīng)變之間的禪合作用被消除，W 提高測(cè)量精度，減小定位誤差。根據(jù)解禪原理，推出FBG二維應(yīng)變解禪模型，如下式所示：
[0023]
[0024] 式中：ε功FBG粘貼方向的應(yīng)變值，ε/功FBG的測(cè)量值，i = 1，2，3為傳感器序號(hào)，Η為 FBG橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子。
[0025] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位 方法考慮了外部干擾源問(wèn)題，能夠用于檢測(cè)與定位結(jié)構(gòu)多裂紋情況。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明：
[0027] 圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖；
[00%]圖2為FBG直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3為剔除干擾源方法流程圖；
[0030]圖4為已知源數(shù)目的信號(hào)分離方法框圖；
[0031 ]圖5應(yīng)變解禪模型示意圖；
[0032] 圖6FBG1-3光譜檢測(cè)開(kāi)始、結(jié)束時(shí)刻圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0034] 本實(shí)施例包括兩個(gè)部分，第一部分是信號(hào)處理，即是對(duì)FBG傳感信號(hào)進(jìn)行處理，W 得到我們定位所需的FBG波長(zhǎng)漂移量數(shù)據(jù)。第二部分是多裂紋定位，也即是根據(jù)裂紋聲發(fā)射 應(yīng)力波導(dǎo)致的FBG波長(zhǎng)漂移量，采用具有溫度補(bǔ)償功能的FBG直角應(yīng)變花模型對(duì)裂紋進(jìn)行定 位。具體的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：
[0035] 1.信號(hào)處理。首先，通過(guò)聲發(fā)射源數(shù)目估計(jì)方法（如本實(shí)施例選用交叉驗(yàn)證思想） 來(lái)改進(jìn)盲分離算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多聲發(fā)射信號(hào)的分離;其次，采用合適的權(quán)值算法(如本實(shí)施 例選用質(zhì)屯、加權(quán)算法)構(gòu)建濾除非裂紋源算法，得到裂紋聲發(fā)射信號(hào)；最后設(shè)計(jì)分布式FBG 動(dòng)態(tài)傳感信號(hào)波長(zhǎng)漂移量提取策略，對(duì)單個(gè)裂紋聲發(fā)射現(xiàn)象導(dǎo)致的FBG波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行提 取。
[0036] 1.1多聲發(fā)射信號(hào)分離。首先，采用交叉驗(yàn)證技術(shù)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)源數(shù)目進(jìn)行估計(jì)； 其次，采用盲均衡算法對(duì)已知數(shù)目的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分離。
[0037] 1.2非裂紋源濾除。采用質(zhì)屯、加權(quán)算法構(gòu)建濾除非裂紋源算法，根據(jù)聲發(fā)射應(yīng)力波 特征參數(shù)，構(gòu)建聲發(fā)射應(yīng)力波綜合指標(biāo)，當(dāng)綜合指標(biāo)落在[μ-3σ ,μ+3σ]的區(qū)間外時(shí)，剔除該 干擾信號(hào)。其中σ表示特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，μ表示特征參數(shù)的平均值。
[0038] 1.3FBG應(yīng)變花定位模型波長(zhǎng)漂移量提取策略。由于本方法是個(gè)串接的FBG組 成的應(yīng)變花為對(duì)象，因此需要確定同一聲發(fā)射事件造成的Ξ個(gè)應(yīng)變FBG信號(hào)何時(shí)為提取波 長(zhǎng)值時(shí)刻。通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)闊值，來(lái)確定每一個(gè)聲發(fā)射事件造成的Ξ個(gè)應(yīng)變FBG信號(hào)的開(kāi)始時(shí) 亥IJ、峰值時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)FBG信號(hào)波長(zhǎng)漂移量的求取。
[0039] 2.多裂紋定位。采用帶溫度補(bǔ)償功能的FBG應(yīng)變花結(jié)構(gòu)(如實(shí)施例采用直角應(yīng)變花 結(jié)構(gòu))對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并構(gòu)建裂紋感應(yīng)與傳感網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)FBG直角應(yīng)變花串接實(shí) 現(xiàn)分布式傳感檢測(cè)，通過(guò)FBG反射光譜中屯、波長(zhǎng)漂移量來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0040] 2.1定位模型。將FBG傳感器和力學(xué)測(cè)量中測(cè)量應(yīng)力波主應(yīng)變方向的應(yīng)變花原理相 結(jié)合，采用Ξ個(gè)FBG傳感器構(gòu)建一組FBG直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)模型，即可測(cè)量一個(gè)應(yīng)力波的主應(yīng) 變方向角，當(dāng)布置兩組不同位置的FBG直角應(yīng)變定位結(jié)構(gòu)模型，兩條相交的直線即可確定裂 紋的具體位置。
[0041 ] 2.2溫度補(bǔ)償。在FBG直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)上增加一單端粘貼且中屯、波長(zhǎng)不同的FBG傳 感器。
[0042] 2.3構(gòu)建橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型。通過(guò)對(duì)平面應(yīng)變條件下的FBG受力分析，構(gòu)建Η的 理論模型。
[0043] 2.4FBG應(yīng)變解禪。引入控制理論中的解禪原理對(duì)FBG傳感器在二維平面條件下的 橫縱應(yīng)變進(jìn)行解禪。
[0044] 圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖，如圖所示，本方法具體包括：
[0045] 1、獲得光譜
[0046] 選取四個(gè)中屯、波長(zhǎng)不同的FBG傳感器，按照?qǐng)D2方式進(jìn)行布置，即一組FBG應(yīng)變花。 其中FBG1-FBG3為定位傳感器，使用粘合劑（如環(huán)氧樹(shù)脂等），將FBG1-FBG3完全粘貼在相應(yīng) 位置上，F(xiàn)BG4為溫度補(bǔ)償傳感器，且為單端固定。
[0047] 2、多裂紋聲發(fā)射信號(hào)分離方法 [004引2.1裂紋數(shù)目估計(jì)
[0049]本發(fā)明引入基于交叉驗(yàn)證技術(shù)的時(shí)變信源數(shù)估計(jì)方法來(lái)進(jìn)行盲源數(shù)估計(jì)，基本思 想如下：
[(K)加 ]
(1)
[0051]式中：n(t)為裂紋估計(jì)數(shù)。i = l，2，L，m，m為FBG檢測(cè)到的信號(hào)個(gè)數(shù)。trace(g)為矩 陣求跡運(yùn)算。>//''=曲g(c-0#) Χ = χχΤ為觀測(cè)信號(hào)X的協(xié)方差矩陣。#=昭ν，Λι為矩陣C前i個(gè)特 征值組成的對(duì)角矩陣，Ui的列向量是矩陣C前i個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；而計(jì)算…的 S =民,義，.對(duì)角矩陣怎的對(duì)角線與Am的交叉，且兩個(gè)矩陣在對(duì)角線上的元素排序的相反的。為 了滿(mǎn)足估計(jì)時(shí)變裂紋數(shù)目的要求，C采用增量式(2)、遞推式(3)、（4)計(jì)算：
[0055] 2.2裂紋數(shù)目已知的信號(hào)分離技術(shù)
[0056] 圖3中，S化)是裂紋聲發(fā)射信號(hào)，G是未知信道，X化)是觀測(cè)信號(hào)，W化)是分離矩陣， 如3是輸出信號(hào)y化)的廣義能量函數(shù)，f(g)是非線性函數(shù)，常見(jiàn)的有f(y)=y，f(y)=y3，f(y) =化nh(y)等，由設(shè)備所處的特殊環(huán)境決定J腳為源信號(hào)的期望信號(hào)。e化)是分離矩陣的調(diào) 節(jié)因子。
[0057] 采用最小均方(LMS)算法最小化輸出信號(hào)y化)的廣義能量目標(biāo)函數(shù)
[0化引
(S)
[0059] 可得分離矩陣W化)的迭代公式
[0060]
(.紛
[0061] 式中為迭代系數(shù)。
[0062] 而非線性函數(shù)f(g)，由設(shè)備的服役環(huán)境決定，采用盲解卷結(jié)果與期望信號(hào)的相似 程度，即相似系數(shù)來(lái)檢驗(yàn)，表示如下：
[0063]
巧）
[0064] 相似度系數(shù)最大的非線性函數(shù)確定為本系統(tǒng)的f(g)。
[0065] 同時(shí)采用估計(jì)值和輸入值之間的誤差e(k)來(lái)對(duì)分離矩陣進(jìn)行補(bǔ)償，圖4中的盲解 卷濾波器補(bǔ)償系數(shù)e化)的目標(biāo)函數(shù)可表示為：
[0066]
(8)
[0067]通過(guò)常模算法(CMA)，最小化上式，可得w(k)的自適應(yīng)迭代式 [006引
巧）
[0069] 式中:k = 2，y為自適應(yīng)迭代式的步長(zhǎng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分離效果確定μ的最優(yōu)值。
[0070] 3、非裂紋源濾除
[0071] 由于每個(gè)應(yīng)力波可W用少數(shù)幾個(gè)特征參數(shù)來(lái)表示，本發(fā)明采用復(fù)雜度較低的質(zhì)屯、 加權(quán)算法求取權(quán)重，求取第i個(gè)聲發(fā)射事件中的第j項(xiàng)參數(shù)wj，設(shè)Ej是每個(gè)應(yīng)力波的第j個(gè)特 征值檢測(cè)值，得應(yīng)力波的綜合指標(biāo)
[0072]
(10)
[0073] 進(jìn)而利用30原理對(duì)非裂紋源進(jìn)而濾除。其具體流程如圖4所示。
[0074] 4、應(yīng)力波提取波峰策略
[0075] 經(jīng)非裂紋源濾除、信號(hào)分離等步驟處理過(guò)的聲發(fā)射應(yīng)力波，由于是動(dòng)態(tài)信號(hào)，為避 免手動(dòng)提取FBG波長(zhǎng)漂移量，因此在運(yùn)用應(yīng)變花求取聲發(fā)射應(yīng)力波主應(yīng)變方向時(shí)需要確定 出輸入波長(zhǎng)的值，此時(shí)需要確定提取波長(zhǎng)值的時(shí)刻，處理步驟如下：
[0076] 開(kāi)始時(shí)刻：WFBG1為例，通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)干擾波長(zhǎng)變化量Δ λ，其與波形的交點(diǎn)時(shí)刻 即作為FBG1開(kāi)始時(shí)刻，對(duì)Ξ個(gè)FBG波形進(jìn)行同樣處理，設(shè)置最早時(shí)刻作為開(kāi)始時(shí)刻；
[0077] 波長(zhǎng)漂移量確定時(shí)刻：在開(kāi)始時(shí)刻后，通過(guò)一次求導(dǎo)，第一個(gè)零點(diǎn)即為所求時(shí)刻， 記為ti，同理，對(duì)FBG2，F(xiàn)BG3做同樣處理，即可得同一次裂紋聲發(fā)射事件內(nèi)各自的波長(zhǎng)漂移 量最大時(shí)刻，即定位模型所需的波長(zhǎng)值，則τ時(shí)刻對(duì)應(yīng)的FBG1-3的各自波長(zhǎng)值，其中
[007引
（21)
[0079] 然后提取τ時(shí)刻FBGi (i = 1，2，3)的波長(zhǎng)漂移量，求取相應(yīng)的應(yīng)變值，實(shí)現(xiàn)裂紋定 位。
[0080] 結(jié)束時(shí)刻：當(dāng)Ξ個(gè)傳感器波長(zhǎng)值，都在我們?cè)O(shè)置的闊值內(nèi)的時(shí)刻設(shè)置為聲發(fā)射事 件結(jié)束時(shí)刻。如圖5所示，其中矩形點(diǎn)表示開(kāi)始標(biāo)識(shí)，圓點(diǎn)表示結(jié)束標(biāo)識(shí)。
[0081] 5、多裂紋定位
[0082] 5.1FBG直角應(yīng)變?cè)?br>[0083] 圖2所示為帶有溫度補(bǔ)償?shù)腇BG直角應(yīng)變花示意圖。傳感器粘貼處的Ξ個(gè)應(yīng)變分量 εχ,εγ，丫 xy和FBG測(cè)量應(yīng)變之間的關(guān)系
[0084]
山)
[0085] 主應(yīng)變方向由式（12)給出。
[0086]
(似
[0087] 式中α為主應(yīng)變的方向和X軸主方向的夾角，ε〇。，645。和690。分別是相應(yīng)下標(biāo)角度方 向上的測(cè)量應(yīng)變值。
[0088] 5.2FBG傳感器橫向效應(yīng)修正
[0089] 光纖化agg光柵由于具有橫向效應(yīng)，因此需要對(duì)式（12)中的ε0。，ε45。和ε90。進(jìn)行橫向 效應(yīng)補(bǔ)償，平面應(yīng)變條件下兩個(gè)相互垂直的FBG橫向效應(yīng)補(bǔ)償表達(dá)式
[0090]
(14)
[0091] 式中ει、ε2分別為FBGi方向、FBGj方向應(yīng)變的真實(shí)值，ε/ι、ε/2分別為FBGi方向、 FBG巧向的測(cè)量值巧中i = 1，j = 3或i = 2，j = 4)，K = (1 -μ地)/(l-tf)，μ。為光纖的泊松比， Η=Κβ/肚為橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子，Kb為其橫向靈敏系數(shù)，肚為軸向靈敏系數(shù)。
[0092] 而橫向效應(yīng)因子Η模型由下式給出
[0093]
牌
[0094] 式中Pe和P^e分別是指在軸向應(yīng)力和橫向應(yīng)力作用下的FBG有效彈光系數(shù)，且
P11、P12分別為單模光纖的彈光系數(shù)，μ日為光纖的泊 松比，neff是纖忍折射率。
[00巧]5.3應(yīng)變解禪模型
[0096] 由于平面應(yīng)變下，F(xiàn)BG對(duì)二維應(yīng)變（ει、ε2)存在交叉敏感，即禪合關(guān)系，采用控制理 論中的解禪原理來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的解禪，其系統(tǒng)解禪模型如圖6所示。圖中輸入信號(hào)ε/ι、ε/2分別 為FBGi、FBGj方向應(yīng)變的測(cè)量值，輸出信號(hào)ει、ε2分別為FBGi、FBGj的方向應(yīng)變真實(shí)值;Gn (S)、Gi2(S)、G21(S)和 G22 ( S )為禪合對(duì)象,結(jié)合式(3 )可知,Gll(S)二 K、Gi2(S)二-kH、G21 ( S )二- 地及622(3)=10,〇12(3)、〇21(3)為解禪因子刷6橫向效應(yīng)解禪模型由下式給出。
[0097] ε = (1-Η^)κε' (16)
[009引式中ε是經(jīng)解禪得到的應(yīng)變值，κ=(1-μ曲)/(1-Η2)，Η為橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子，ε'為測(cè) 量應(yīng)變值。
[0099] 5.4多裂紋定位
[0100] 裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)過(guò)檢測(cè)位置時(shí)，通過(guò)一組應(yīng)變花可W確定一個(gè)應(yīng)力波的主應(yīng) 變方向角，當(dāng)在不同位置放置兩個(gè)應(yīng)變花時(shí)，可W得到兩個(gè)方向角，其交點(diǎn)便可確定裂紋位 置。對(duì)于多裂紋情況，通過(guò)上述信號(hào)處理，也即把多裂紋分離成了單個(gè)裂紋的集合，再采用 FBG直角應(yīng)變定位原理實(shí)現(xiàn)多裂紋定位。
[0101] 最后說(shuō)明的是，W上優(yōu)選實(shí)施例僅用W說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W在 形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，其特征在于：該方法包括以下 步驟： Sl:搭建具有溫度補(bǔ)償功能的FBG應(yīng)變花傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)； S2:通過(guò)信源估計(jì)方法改進(jìn)分離算法，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分離，得到定位所需的單個(gè)聲 發(fā)射信號(hào)； S3:通過(guò)濾除非裂紋源算法對(duì)分離得到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)集合進(jìn)行干擾源濾除，得到 所需的裂紋聲發(fā)射信號(hào)； S4:通過(guò)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值對(duì)FBG檢測(cè)到的單個(gè)聲發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)判定聲發(fā)射事件開(kāi)始和結(jié) 束時(shí)刻的策略，進(jìn)而求取各個(gè)聲發(fā)射事件導(dǎo)致的應(yīng)變花FBG波長(zhǎng)漂移量； S5:建立FBG傳感器橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型H，引入應(yīng)變解耦模型，根據(jù)應(yīng)變花定位原理 對(duì)每個(gè)裂紋聲發(fā)射事件進(jìn)行定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，其特征 在于:在步驟S4中，通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)閾值來(lái)對(duì)FBG應(yīng)變花結(jié)構(gòu)檢測(cè)到的裂紋聲發(fā)射事件進(jìn)行判 定其開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，再通過(guò)設(shè)定其最大波長(zhǎng)漂移量時(shí)刻，進(jìn)而確定波長(zhǎng)漂移量，具體包括 以下步驟： S41:開(kāi)始時(shí)刻：通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)閾值，其與FBG檢測(cè)信號(hào)波形的交點(diǎn)即為開(kāi)始時(shí)刻，且對(duì) 三個(gè)FBG傳感信號(hào)做同樣處理； S42:最大波長(zhǎng)漂移量時(shí)刻:在開(kāi)始時(shí)刻后，對(duì)各個(gè)FBG傳感信號(hào)進(jìn)行一次求導(dǎo)，第一個(gè) 零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為對(duì)應(yīng)傳感器的峰值時(shí)刻，記為ti( i = 1，2，3為FBG傳感器序號(hào)），則聲 發(fā)射事件的峰值時(shí)刻為S43:結(jié)束時(shí)刻：當(dāng)三個(gè)傳感器波長(zhǎng)值，都在我們?cè)O(shè)置的閾值內(nèi)時(shí)的時(shí)刻設(shè)置為聲發(fā)射 事件結(jié)束時(shí)刻。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，其特征 在于：在步驟S5中，采用粘合劑將一不同中心波長(zhǎng)的FBG傳感器單端固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)位置 上，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變花結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，其特征 在于:在步驟S5中，通過(guò)構(gòu)建FBG傳感器橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子模型H來(lái)減少FBG測(cè)量應(yīng)變誤差， 由FBG傳感原理推導(dǎo)出H如下式所f式中：Pe和P7e分別是指在軸向應(yīng)力和橫向應(yīng)力作用下的FBG有效彈光系數(shù)，且 ',,Π '?,υ] _.Pii、Pi2分別為單模光纖的彈光系數(shù)，μO(píng)為光纖的泊 松比，neff是纖芯折射率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多裂紋定位方法，其特征 在于:在步驟S5中，引入解耦模型，使得FBG二維應(yīng)變之間的耦合作用被消除，以提高測(cè)量精 度，減小定位誤差。根據(jù)解耦原理，推出FBG二維應(yīng)變解耦模型，如下式所示： Ei= (I-H2)Ke7 i 式中：￡i為FBG粘貼方向的應(yīng)變值，'為FBG的測(cè)量值，i = I，2，3為傳感器序號(hào)，H為FBG 橫向效應(yīng)補(bǔ)償因子。
【文檔編號(hào)】G01N29/14GK105842345SQ201610234657
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】陳勇, 劉保林, 劉煥淋
【申請(qǐng)人】重慶郵電大學(xué)