[发明专利]基于集成式复合传感器的结构多尺度健康监测装置与方法

摘要

本发明涉及一种基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置及方法，所述装置包括计算机、具有多个可用波长的宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和集成式复合传感器模块，所述集成式复合传感器设置在复合材料柔性板上；所述方法应用集成式复合传感器同时测量结构的模态频率和传感器附近的应变分布，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异等个体操作及种群进化，寻求一种多尺度损伤分布形式。本发明具有传感参量多、传感头体积小、系统集成度高等优点，可有效解决布置在同一结构上的数据融合、测试噪声等问题，实现从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行健康监测。

主权项

基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测方法，所述方法是基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置而设计的，所述装置包括计算机、宽带光源、多尺度解调装置、复合材料柔性板和集成式复合传感器模块，所述复合材料柔性板夹持在一个机械夹持装置上；所述集成式复合传感器模块设置在复合材料柔性板上，所述集成式复合传感器模块包括石英毛细管、单模光纤、Bragg光栅和用作反射端的多模光纤，所述Bragg光栅指定中心波长后写入单模光纤，多个所述Bragg光栅左右排开，在离最右侧所述Bragg光栅的光栅中心指定距离处的一端被切断，单模光纤和多模光纤均插入石英毛细管中，单模光纤和多模光纤的端面相距为几百微米，构成非本征型F‑P腔，在石英毛细管两端，单模光纤和多模光纤和石英毛细管熔接在一起；各个Bragg光栅的中心波长及其工作范围互不重迭；所述宽带光源具有多个可用波长，且其可用波长依次与多个Bragg光栅的指定中心波长相同；所述多尺度解调装置包括C1耦合器、C2耦合器、波分复用器、光谱分析仪、解调F‑P腔、光电探测器、PZT驱动器和锁相放大器；具有多个可用波长的宽带光源发出的光通过C1耦合器后进入集成式复合传感器，每个Bragg光栅反射各自中心波长附近的一个窄带光，其余波长的光透过Bragg光栅，透过最右侧Bragg光栅的光在传感器的两光纤端面反射而产生EFPI干涉条纹，Bragg光栅的反射光和EFPI干涉条纹迭加在一起，通过C1耦合器和波分复用器分波后，进入光谱分析仪；EFPI干涉条纹通过C2耦合器到达另一由单模光纤的端面和PZT驱动器上多模光纤端面一起形成的解调F‑P腔，当解调F‑P腔的腔长与传感F‑P腔长一致时，将产生干涉信号，该干涉信号通过C2耦合器到达光电探测器，光电探测器的PD电信号和同频的PZT驱动器同步信号同时送入锁相放大器，锁相放大器和波形存贮器通过信号线相连接，所述光谱分析仪和所述波形存贮器通过信号线与PC机相连接，其特征是：基于集成式复合传感器阵列的结构多尺度健康监测装置进行结构多尺度健康监测的方法，包括如下步骤：第一步，在非预埋损伤试件的表面的关键受力部位布置集成式复合传感器并形成阵列，固定每个测量回路内各个光栅的中心波长及其工作范围，以保证在非均匀应变重构中能根据独立变化的波长成功“寻址”到每个光栅；第二步，复合材料柔性板表面放置重物以产生静态应变，在复合材料柔性板表面中心位置处施加一个冲击力以使复合材料柔性板表面产生自振；第三步，利用光谱分析仪扫描测量光和Bragg光栅的透射光，获取入射光和透射光的光谱及透射谱，将该透射谱的采样点换算成反射率，得到每个Bragg光栅的反射谱，利用反射谱对均匀应变、非均匀应变分布进行测试，并通过增加一个布设于与被测材料一样、温度场一致但不受力的构件上的光纤光栅来进行温度补偿；第四步，对PZT驱动器施加扫描信号，确定复合材料柔性板的主要振动模态，所述振动频率的解调算法为：当扫描频率fS大于结构振动频率的二倍以上时，光电探测器的PD电信号的PD输出的准正弦信号δ1为δ1＝A sin[2πfst+φ0+k1V(t)]式中，A为幅值，φ0为无振动时的初始相位常量，k1为常量，t是时间，V(t)为振动信号，与扫描同频的同步信号为δ2＝B sin[2πfst+φ1]式中φ1为初相位常量，B为幅值；锁相放大器输出信号ξout与δ1和δ2的相位差成正比，则ξout＝k2V(t)+φ1‑φ0式中，k2转换常量，φ1‑φ0为无振动时的两信号初始相位差；输出ξout与振动信号是线性关系，反映了振动的实际情况，包括振幅、振动频率及阻尼系数相关参量；第五步，对复合材料柔性板进行整体有限元建模，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异个体操作及种群进化，寻求一种复合材料柔性板整体损伤分布形式，使其对应的结构模态频率计算机仿真值最接近集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构整体损伤的位置、程度；第六步，由应变重构过程中提取的应变梯度信息确定可能的损伤区域，对这些区域进行精细化的有限元建模，获得Bragg光栅阵列附近的应变分布，依据改进的传输矩阵计算Bragg光栅的反射谱，建立关于仿真反射谱与集成式复合传感器实测反射谱的适应度函数，通过递阶遗传算法的选择、交叉和变异个体操作及种群进化，寻求一种结构局部尺度损伤分布形式，使其对应的Bragg光栅反射谱计算机仿真值最接近集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构局部损伤的位置及程度。