光纤光栅在智能结构动态监测中的应用研究

摘要

光纤Bragg光栅(FBG)传感器具有传、感一体的独特优点,可以在同一根光纤上布置许多传感点,构成分布式传感系统,适合于制作结构的健康监测网络,因此,光纤Bragg光栅在智能结构健康监测领域具有非常广阔的应用前景。本文对光纤Bragg光栅应用于智能结构的动态信号进行监测。研究了动态信号的采集方法、信号特征量提取及定位算法,构建了一个具有冲击载荷自诊断功能的光纤智能结构系统。同时,对光纤Bragg光栅传感器应用车架结构健康监测进行了初步研究。
　　 文中主要研究工作内容有以下几个方面:
　　 (1)对光纤Bragg光栅的光谱进行了仿真,研究了光栅长度与折射率调制周期改变情况下,FBG的反射、透射光谱。对光纤Bragg光栅的应变传感特性进行了实验研究,得到了光纤Bragg光栅中心波长的变化量与应变成线性关系的结果,所以可以通过监测光纤Bragg光栅中心波长的变化来监测结构的应变。
　　 (2)为对光纤Bragg光栅动态信号进行监测,提出了一种基于双长周期光栅的光纤Bragg光栅的高速解调系统。双长周期光栅是由两个中心波长一致的长周期光栅构成,利用长周期光栅的带阻滤波特性,获得光纤Bragg光栅反射光经双长周期光栅调制后的出射光,通过光电探测器监测光强的改变量来反推光纤Bragg光栅中心波长的变化。解调系统采用全光纤技术,结构紧凑、精度高,具有较好的线性输出。
　　 (3)对基于光纤Bragg光栅网络的振动、冲击监测方法进行了研究。多个光纤Bragg光栅传感器复用构成分布式光纤传感网络作为光纤智能结构的神经系统,通过对光纤Bragg光栅中心波长的分析,实现了该结构的振动、冲击响应监测。对不同冲击点,传感器监测的冲击响应信号进行了分析。
　　 (4)提出一种冲击载荷定位算法,对传感器采集的冲击响应信号进行特征提取,采用小波包分析方法提取冲击响应不同频段内的信号能量特征指标。将模态频率对应的能量值作为样本,采用支持向量回归机对有限样本数据建立回归模型,实现了复合材料试件的冲击载荷定位。
　　 (5)将光纤Bragg光栅应用于汽车车架结构健康监测领域,研究在不同工况下,车架受到的动态载荷情况。通过车架振动实验、整车瞬态冲击实验和路面实验对车架振动情况进行分析。