[发明专利]基于模态叠加原理的机翼应变场重构分布式光纤计算方法

说明书

本发明涉及一种基于模态叠加原理的机翼应变场重构分布式光纤计算方法，属于结构健康监测领域。它包括以下步骤：步骤一：基于光纤光栅传感器机翼结构应变的测量，利用光纤光栅中心波长偏移量来计算出量机翼结构表面的应变；步骤二：计算出机翼结构的应变模态，通过应变模态优化机翼结构光纤光栅传感器网络布局。步骤三：推导出机翼结构传感器测量点位置对应的应变矩阵和机翼结构所有点应变矩阵之间的转换公式；步骤四：针对应变模态矩阵不适定问题，采用正则化的方法优化应变模态坐标的求解，减少应变场重构误差。该方法通过采集少量离散点的光纤光栅的响应信号，通过公式推导计算出机翼结构应变场。

技术领域

本发明属于结构健康监测的领域，具体提出了一种基于模态叠加原理的机翼结构应变场重构分布式光纤计算方法，具体涉及光纤光栅传感器应变的测量，应变模态叠加原理，光纤光栅传感器布局优化等方面。

背景技术

在结构健康监测中，应变是十分重要的一个指标。应变反应了结构的强度，结构的失效通常和应变状态有关，通过分析结构的应变，还可以监测结构的疲劳和裂纹。在结构受到动态载荷时，常常因为结构上的应变值超过了结构承受的极限而发生损坏，实时监测结构的应变可以很好地避免这类事故。但是，受经各种条件的限制，结构上能布置的传感器的数量是有限的，所以，有必要采用一定的算法，通过少量传感器测得的应变值，反演出整个结构的应变场，为结构的安全评估提供重要依据。

传统的应变测量方法是基于应变片的测量方法。而基于电阻应变片的应变监测方法，是利用粘贴在机翼上的多组应变片测量当地的应变值，即通过电信号解算成应变信息。其特点是尺寸小、重量轻、灵敏度高、测量范围大、频响特性好，但其无法构建分布式监测网络、不适于大面积测量、因需要配置铜芯线缆而会导致系统复杂、目标测量结构自重增加甚至改变结构刚度、易受噪声和电磁干扰，给信号分析带来困难。

光纤光栅传感器作为一种新型传感器，可以很精准地测量应变、温度等众多物理量。相比于传统的传感器，光纤光栅传感器具有质量轻、柔韧性好、化学性能稳定、抗电磁干扰等优点，它还集信号传感与传输于一体，可以进行空分复用和波分复用，易于构成分布式传感网络，为实现航空航天领域大尺度柔性结构应变在役监测提供了可能。

应变场重构常见的算法有插值拟合法，插值拟合法计算简单，但是精度不高，而且对于结构上应变突变部分，如果没有取到关键插值点，就无法准确进行应变场重构。

基于上述分析，本发明提出采用分布式光纤光栅传感器来测量机翼结构上上关键节点的应变信息，再通过公式推导出机翼结构应变场信息。本发明基于模态叠加原理的应变场重构，通过传感器优化布局，可以通过较少的传感器重构出结构的应变场，而且重构精度较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模态叠加原理的机翼结构应变场重构分布式光纤计算方法。该方法通过采集少量离散点的光纤光栅传感器的响应信号，通过公式推导计算出机翼结构的应变场。

为解决上述技术问题，本发明所述基于模态叠加原理的机翼结构应变场重构分布式光纤计算方法，包括下列步骤：

步骤一：基于光纤光栅传感器机翼结构应变的测量，利用光纤光栅中心波长偏移量来计算出量机翼结构表面的应变；

步骤a，机翼模型的应变由光纤光栅测得，光纤光栅传感器的中心反射波长可表示为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期；

机翼模型的应变变化引起的光纤光栅中心波长变化为：

Δλ_B为光纤光栅的中心波长偏移量；λ_B为光纤光栅的中心波长；P_e为弹光系数；ε_x为光纤光栅测得的机翼模型的应变；