一种变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统及其工作方法

摘要

本发明公开了一种变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统及其工作方法，该系统由多个光纤光栅传感器、能量监测预警器、光纤光栅解调仪和计算机组成；该能量监测预警器是利用白化经验模态分解关键算法提取冲击混叠信号特征值，建立变厚度板冲击能量特征集合，根据传感网络信号第一阶分量确定综合厚度系数，修正能量特征集合，通过样本信号的冲击能量特征值评估冲击能量。当复合材料板受到低速冲击载荷时，能量监测预警器能够准确识别出冲击能量。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料板冲击能量监测及识别，具体涉及一种变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统及其工作方法。

背景技术

随着现代高新技术的迅猛发展，特别是国内外航空航天领域的发展，材料的使用环境越来越恶劣，对材料的要求也越来越苛刻。新材料技术是为了满足高新技术发展需求而开发的高性能新型材料。复合化是新材料的重要发展方向，也是新材料最具生命力的分支之一，复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的耐疲劳性能和减震性能、较好的破损安全性，能有效地减轻导弹和航天器的结构质量，并赋予某些特殊功能(如防热、吸波等)，是用于飞机、火箭等现代航空航天飞行器的理想材料，也是当今航天新材料研究和发展的重点。先进复合材料在各个领域的应用日趋广泛，随之而来的问题就是使用过程中的动态监测需求。变厚度复合材料层合板的强度高，但是动态载荷信号较为复杂。复合材料受到的冲击根据其能量级别分为高速冲击和低速冲击两类，所谓低速冲击载荷是指材料受到该冲击后不会在表面产生目视可见损伤的冲击载荷。材料受到低速冲击后，虽然表面难以察觉，但在材料内部却可能产生脱胶，分层等损伤。在这种情况下，由于冲击载荷不易被肉眼直接察觉，因此很难对材料是否受到冲击及冲击位置情况进行判断，从而影响材料的及时维修。

目前常用于复合材料结构损伤探测的技术是超声C扫描技术、X射线技术。这两种技术都可以给出复合材料结构损伤部位的图像，其结果比较直观。但存在这样的不足：超声C扫描的方法用时比较长，特别是大面积损伤探测需要时间更长，是离线监测的方法，扫描结果尽管能够给出损伤面积的大小和形状，但不能给出冲击能量的检测结果。X射线技术也是离线监测的方法，同样只能给出损伤面积的大小和形状，但不能给出冲击能量的检测结果。

传统的复合材料结构日常检测和维护虽然可以排除安全隐患，但会耗费大量的时间和成本，而实时监测变厚度复合材料层合板冲击信号可以对结构低速冲击损伤进行预警。目前可用于监测复合材料层合板冲击载荷的传感器有很多，其中光纤布拉格光栅传感器具有质量轻、体积小、耐腐蚀、抗干扰、可分布式、绝缘好等优点，可方便地编织到复合材料中，因此在复合材料中的应用前景非常广泛。目前，光纤布拉格光栅传感器阵列作为敏感元件监测结构应力/应变和冲击载荷，已经在一些飞机的智能蒙皮中得到应用，用于结构的意外撞击监测，模态分析和载荷谱分析等。近年来各国学者对复合材料变厚度结构进行研究，但由于复合材料变厚度层合板冲击信号混叠严重，相关的冲击监测研究较少。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统及其工作方法，可以方便的对复合材料低速冲击能量进行评估。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统由光纤光栅传感器、能量监测预警器、光纤光栅解调仪和PC机组成。其中光纤光栅传感器与调解仪连接，光纤光栅传感器粘贴在板结构表面，冲击识别系统通过监测光纤光栅传感器中心波长偏移值采集冲击响应信号，调解仪将传感器采集到的冲击信号传输到计算机中，由能量监测预警器识别冲击能量。

所述能量监测预警器，利用光纤光栅传感技术，根据复合材料结构特性提出了基于白化经验模态分解算法的冲击能量识别方法，采用厚度系数修正方法，针对变厚度试件的冲击能量信号建立了变厚度板冲击能量特征集合，以此识别冲击能量。对传感器检测到的冲击信号进行的特征提取，采用了改进的白化经验模态分解（WEMD）算法，将分量矩阵进行白化，降低了混叠，且无需进行多次采样。

一种变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统及其工作方法，包括如下步骤：

第一步，利用光纤光栅传感器中心波长偏移值采集冲击响应信号；

第二步，光纤光栅传感器将上述步骤采集的传感信号发送给光纤光栅调解仪；

第三步，调解仪将同时连接的多个传感器采集到的冲击信号传输到计算机中。

第四步，通过能量监测预警器对冲击能量进行判断，具体步骤为：

A、对所有冲击样本和待测信号进行WEMD分解；

B、计算样本信号和待测信号的冲击能量特征值，即传感网络的信号某阶分量频谱峰值，并建立冲击样本信号能量特征集合；

C、根据传感网络信号第一阶分量确定综合厚度系数，修正能量特征集合；

D、比较待测信号冲击能量特征值与能量特征集合，识别冲击能量。

本发明的有益效果是：

1、能量监测预警器采用改进后的WEMD分解算法，可以有效避免高频固有模态信号的模态混叠，提升了冲击特征值的有效性，增加了能量识别的准确性，可以较好的提取变厚度板冲击能量特征。

2、变厚度复合材料层合板低速冲击能量识别系统保证了冲击能量识别方法的有效性，并具有可靠稳定、抗干扰、分布式等优势。

提出的冲击能量识别方法可以准确评估变厚度复合材料层合板低速冲击能量，识别结果符合工程应用范围。厚度系数修正步骤（尤其在大厚度区域）显著提升了识别性能。

附图说明

图1是本发明的能量监测预警器能量识别流程图。

图2是本发明的变厚度复合材料层合板能量冲击识别系统示意图。

具体实施方式

冲击识别系统由光纤布拉格光栅传感器、能量监测预警器、光纤光栅解调仪及计算机组成。在板结构表面粘贴多个光纤光栅传感器。冲击识别系统通过监测传感器中心波长偏移值采集冲击响应信号，解调仪将同时连接的多个传感器采集到的冲击信号传输到计算机中。

所述能量监测预警器，利用光纤光栅传感技术，根据复合材料结构特性提出了基于白化经验模态分解算法的冲击能量识别方法，采用厚度系数修正方法，针对变厚度试件的冲击能量信号建立了变厚度板冲击能量特征集合，以此识别冲击能量；对传感器检测到的冲击信号进行的特征提取，较经典经验模态分解算法采用了改进的白化经验模态分解（WEMD）算法，将分量矩阵进行白化，降低了混叠，且无需进行多次采样。

一种基于本发明的变厚度复合材料板低速冲击能量监测预警器识别流程（工作方法），包括如下步骤：

第一步，在板结构的多个关键冲击位置采集某个特定冲击能量下的信号数据，每个冲击位置由各个传感器采集到的冲击响应信号向量组成了信号矩阵，作为冲击样本信号。

第二步，光纤光栅传感器将上述步骤采集的传感信号发送给光纤光栅调解仪；

第三步，调解仪将同时连接的多个传感器采集到的冲击信号传输到计算机中；

第四步，通过能量监测预警器对冲击能量进行判断：

A、对所有冲击样本和待测信号进行WEMD分解；

B、计算样本信号和待测信号的冲击能量特征值，即传感网络的信号某阶分量频谱峰值，并建立冲击样本信号能量特征集合；

C、根据传感网络信号第一阶分量确定综合厚度系数，修正能量特征集合；

D、比较待测信号冲击能量特征值与能量特征集合，识别冲击能量。

第四步的具体步骤为：

（1）对信号向量进行 WEMD 分解，再求得各分量与原始信号的互相关系数。选择互相关系数较大的分量进行频谱分析，得到频谱峰值；同理可得信号矩阵的频谱峰值集合；

（2）将第二步分解得到的分量进行频谱分析，得出峰值个数，其中界定峰值的阈值等于频谱峰值除以分量向量数目；同理可得信号矩阵的峰值个数集合；将峰值个数集合归一化后得到信号矩阵的综合厚度系数集合；

（3）利用综合厚度系数集合修正频谱峰值集合得到变厚度板频谱峰值集合；求得集合的最大值作为冲击样本信号能量特征值；建立该冲击能量的样本信号变厚度板特征集合；同理得到多个能量的变厚度板特征集合；

（4）将采集的待测能量冲击信号进行WEMD分解，并求得特征值；比较特征值与变厚度板特征集合范围数值，评估冲击能量等级；当验证点的特征值属于某级能量范围内，或者大于最大级能量范围，或者小于最小级能量范围，则判定为该能量等级：若属于两级能量特征集合之间，则根据特征值与两个变厚度板特征集合边界进行评估。