[发明专利]植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法

说明书

本发明提供了一种植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法，将预处理后的测试信号与对应的FBG传感器的参考信号进行相关性评估，得到多个相关距离向量；将得到的相关距离向量进行逐元素相乘并按对应冲击位置的形式生成相似性矩阵，取相似性矩阵的最低值元素所在的网格位置作为预测结果；基于得到的网格位置，对预处理后的波长信号进行小波包分析，得到网格各角的信号能量；以网格位置的已知FBG传感器位置作为原点，以基于对数距离路径损耗模型得到的传输路径作为半径画圆，所有圆交叉组成的公共区域作为预测冲击位置；本发明可在低频、小数据样本下实现冲击定位，有效缩短了实验周期，具有普适性。

技术领域

本发明涉及复合材料结构冲击定位技术领域，特别涉及一种植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

碳纤维复合材料具有密度小、比强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀性强以及绝缘、热导率低等优点，可满足航天器结构变形小，承载力强，抗辐射，空间耐受性好的要求，是实现航天器轻量化、小型化和高性能不可或缺的关键材料。

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP)板状结构是航天器的典型结构，航天器工作环境的复杂性要求CFRP层合板要具有高可靠性。然而，层合板在固化过程中受到树脂基体的化学收缩、碳纤维与环氧树脂的热膨胀差异等因素的影响，会在材料内部产生复杂的残余应力，进而导致材料粘结强度的下降；另外在服役过程中，层合板易受到集中应力或振动冲击而产生损伤，造成层间脱层、纤维断裂以及内部产生裂痕等现象，这种损伤是不可见的，具有很大的安全隐患，因此对于碳纤维复合材料板状结构的低速冲击监测与定位技术的研究是具有重大意义的。

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器具有尺度小、柔性高、精度高、与主体材料相容性好的优点，是应用于结构健康监测的理想传感元件。为实现复合材料内部情况的实时监测，将FBG传感器植入到碳纤维复合材料层合板中，构建不同于传统材料的智能复合材料。该智能复合材料能实时监测层合板内部因冲击载荷或其他环境因素引起的响应信号，继而对冲击响应信号进行分析，及时感知评估结构的损伤情况。

发明人发现，目前低速冲击定位方法主要有频域识别法、时域识别法、时间差定位和人工神经网络等方法。单纯的采用频域或者时域识别结构的模态参数进而判断结构状态，容易造成时域和频域的局部化矛盾，使定位精度下降；时间差定位方法，根据应力波到达参考节点的时间差来确定顶点的位置，但该方法需要较高的采样频率，且受环境噪声的影响很大，可移植性较差；基于人工神经网络的方法通过建立冲击信号特征参量与冲击位置之间的映射模型，基于匹配算法，可实现快速定位，但该方法需提前采集大量的数据样本，耗时周期长。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法，将高密度均匀分布的FBG传感器网络植入层合板内部构建智能复合材料，实时监测材料内部的冲击响应信号；对智能材料划分正交网络，采集单次冲击正交网络中心时各个FBG传感器的响应信号作为参考数据，将任意冲击位置的各个FBG传感器的响应信号作为测试信号，基于测试信号与参考信号间相关距离的计算结果确定冲击区域，继而根据响应信号能量和加权质心算法实现冲击位置的精确定位；不仅在采样频率上远低于时间定位法，而且在数据量上远小于人工神经网络法，因此可在低频、小数据样本下实现冲击定位，有效缩短了实验周期，具有普适性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法。

一种植入式光纤光栅传感器复合材料结构的低速冲击定位方法，包括以下过程：

获取复合材料结构中阵列式布设的多个FBG传感器的波长信号作为测试信号并进行预处理；