[发明专利]一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法

说明书

技术领域

本发明一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，属于光纤智能材料结构测量领域。

背景技术

当FBG传感器受到非均匀的应变或温度时，FBG的反射光谱可能会出现变形扭曲现象甚至出现多峰，这种情况下，仅仅测量Bragg波长漂移来获得应变或温度数据是不可行的。幸运的是FBG传感器在非均匀应变或温度下的反射光谱很容易被光谱分析仪测得，这样，如何根据反射光谱重构出应变或温度分布就成为一个重要的问题。

解决这个问题有多种方法。最简单的方法是基于强度谱法，但是该方法只适用于单调的应变或温度分布(一直递增或一直递减的分布)。傅里叶变换方法也是可行的，该方法的优点是重构时间较短，缺点是只适用于弱光栅且需要同时知道光纤光栅的幅度谱和相位谱。一般而言，与幅度谱测量相比较，相位谱的测量需要较为复杂的设备。因而只需要幅度谱的重构方法与需要相位谱的方法相比更具有优势。近年来，一些进化算法被用来解决如何根据反射光谱重构出应变或温度分布的问题，主要包括模拟退火算法和遗传算法。这些方法重构时仅仅需要光纤光栅的幅度谱，而不需要光纤光栅的相位谱，因而在解决该问题获得了广泛的应用。但是，模拟退火算法和遗传算法的运行时间较长，参数也需要进行优化以跳过局部最优解，因而人们提出了一些改进的算法，主要包括混沌遗传算法、自适应模拟退火算法和模拟退火进化算法。

发明内容

本发明提供一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，采用量子粒子群优化算法(QPSO)，依据非均匀应变下的FBG反射光谱，结合FBG反射光谱分析的传输矩阵法，解决FBG的非均匀应变重构问题，具有重构速度快，精度高等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，复合材料板受到一个非均匀应变，该非均匀应变施加在FBG传感器上，通过光谱仪显示非均匀应变下的FBG反射谱波形，再利用群智能算法对FBG反射谱波形进行非均匀应变重构，最后通过PC机显示结果。

所述群智能算法为粒子群优化算法PSO、或者量子粒子群算法QPSO。

所述FBG反射谱波形非均匀应变重构，使用传输矩阵法对非均匀应变分布下的反射光谱进行模拟，这些光谱作为重构时的目标光谱，适应度函数定义为目标光谱和重构光谱之间的误差，使用量子粒子群算法QPSO重构应变分布，同时和粒子群算法PSO进行对比。

一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，应用于大坝或桥梁等实际结构的非均匀应变测量。

本发明一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，技术效果如下：

1)、采用传输矩阵法模拟实际的非均匀应变下FBG反射谱，再使用量子粒子群算法重构非均匀应变分布。该重构方法能够用于实际结构的非均匀应变测量。

2)、量子粒子群算法相比于传统的进化算法，如模拟退火算法和遗传算法，具有更好的收敛精度和全局搜索能力，从而具有重构速度快，精度高等优点。

3)、使用量子粒子群算法重构FBG非均匀应变，解决了传统FBG传感器只能测量均匀应变的缺陷，是对FBG传感器应变测量领域(包括均匀应变和非均匀应变)的进一步拓展。

附图说明

图1为本发明重构流程图；

图2为原始光谱和重构光谱对比图；

图3为原始应变和重构应变对比图；

图4为本发明的PSO和QPSO算法的收敛曲线图。

具体实施方式

一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，当FBG传感器2受到均匀的应变或温度时，其中心波长随应变或温度发生线性漂移，这种情况下，仅仅需要测量Bragg波长漂移，就能得到外界的应变或温度值。但是当FBG传感器2受到非均匀的应变或温度时，FBG的反射光谱可能会出现变形扭曲现象甚至出现多峰，这种情况下，仅仅测量Bragg波长漂移来获得应变或温度数据是不可行的。然而FBG传感器在非均匀应变或温度下的反射光谱很容易被光谱分析仪测得，本发明采用传输矩阵法对非均匀应变作用下的FBG反射谱进行计算(模拟的实际光谱)，再使用量子粒子群算法QPSO重构应变分布。

一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法，复合材料板1受到一个非均匀应变，该非均匀应变施加在FBG传感器2上，通过光谱仪3显示非均匀应变下的FBG反射谱波形，再利用群智能算法对FBG反射谱波形进行非均匀应变重构，最后通过PC机5显示结果。

复合材料板1采用碳纤维板或环氧树脂板，一般不采用金属材料，因为金属材料的热膨胀系数较大，FBG对温度也比较敏感。