專利名稱：曲面振動變形檢測系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種曲面振動變形檢測系統(tǒng)與方法，主要涉及一種基于Bragg光纖光柵(Fiber Bragg Grating)傳感網(wǎng)絡(luò)的柔性曲面振動變形檢測。
背景技術(shù)：
航空器太陽能帆板結(jié)構(gòu)龐大，僅有一端固定，飛行器在太空飛行環(huán)境惡劣，極易誘發(fā)振動。據(jù)有關(guān)研究分析，帆板的振動在總體上呈現(xiàn)非線性特性，具有不同階次的模態(tài)頻率。振動如果為發(fā)散狀態(tài)，振動幅值越來越大，不斷振動的帆板將影響飛行器的空間運行姿態(tài)，減少飛行器的使用壽命。對于以上振動，如果能夠準確的測量和監(jiān)控，獲得帆板的振動情況，可以指導(dǎo)設(shè)計帆板的控制參數(shù)。因此探討帆板的振動規(guī)律，獲得帆板在空間的運動參數(shù)如固有頻率以及振動情況，從而加以控制，對深空探測具有深遠意義。
對于高性能飛行的軍用飛機，在空中經(jīng)常需要完成高難度的飛行動作。如大幅度的翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、快速升降等。如此劇烈的運動容易引起機翼的振動，而且振動振型同樣比較復(fù)雜，如何獲得機翼機身的振動情況，對于飛機的安全報警具有重要意義。長條狀高層建筑的振動變形，風(fēng)載、地震時的變形監(jiān)測、穹頂或其它大型柔性結(jié)構(gòu)，需要定期對其進行檢修，檢測其變形情況，檢查其疲勞以及振動情況，對于消除隱患，排除危險等具有提前檢測，預(yù)警作用。
對于以上柔性結(jié)構(gòu)振動的變形檢測，傳統(tǒng)的方法可以采用非接觸CCD振動測量儀，利用特殊的圖像處理技術(shù)，對振動進行分析；采用激光非接觸振動測量儀，對發(fā)射激光及接受激光進行特殊技術(shù)處理，測量被測物體的振動數(shù)據(jù)。同時也可以采用超聲等檢測方法、三坐標(biāo)測量機測量等方法。這些測量方法不能反應(yīng)振動的內(nèi)部狀況，不能對柔性曲面內(nèi)部受力狀況進行分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于非視覺傳感方法的曲面振動檢測系統(tǒng)和方法，這種系統(tǒng)將FBG分布式地植入到被測面形中，當(dāng)被測面形發(fā)生振動時，通過傳感器解調(diào)儀得到FBG傳感器中心波長的改變值，并轉(zhuǎn)化為分布的曲率信息，在此基礎(chǔ)上根據(jù)曲率信息和弧長信息重建曲面形狀，并在屏幕上顯示出來，從而實現(xiàn)曲面振動形狀檢測。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種曲面振動變形檢測系統(tǒng)，包括一個植入式FBG傳感器的被測振動曲面、一臺光纖光柵解調(diào)儀、一臺計算機和一臺顯示器，其特征在于所述的被測振動曲面一端懸空而一端固定，曲面產(chǎn)生多種振動振型；所述的振動曲面中植入FBG傳感器，F(xiàn)BG傳感器通過光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出波長變化；所述的光纖光柵解調(diào)儀與計算機連接完成數(shù)據(jù)傳輸，計算機對數(shù)據(jù)進行處理，重建振動曲面；并輸出曲面至顯示器中顯示出重建振動曲面形態(tài)。
上述的被測振動曲面為柔性薄板，其特征在于所述的被測振動曲面中植入多個FBG傳感器構(gòu)建傳感網(wǎng)路，F(xiàn)BG傳感器的數(shù)目和分布根據(jù)具體振動振型進行調(diào)整，滿足采用定理情況下振動振幅較大處，分布稠密，平坦處，分布稀疏。
一種曲面振動變形檢測方法，采用上述的曲面振動變形檢測系統(tǒng)進行檢測，其特征在于檢測操作步驟如下(1)使曲面產(chǎn)生多種振動振型，(2)采集FBG傳感器的波長變化FBG傳感器隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，F(xiàn)BG波長解調(diào)儀解調(diào)出多個傳感器的波長變化，并傳遞給圖形處理計算機，(3)計算機將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率信息，并根據(jù)曲率信息重建振動曲面，利用可視化技術(shù)在屏幕上顯示出來，(4)連續(xù)的采集數(shù)據(jù)并連續(xù)的重建曲面，實現(xiàn)曲面的振動動態(tài)檢測。
上述的步驟(3)中計算機重建振動曲面的步驟如下(1)采集FBG傳感數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(3)判斷數(shù)據(jù)是否有粗大誤差，有則重新采集數(shù)據(jù)；(4)將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率；(5)根據(jù)已有曲率，求出任意點的曲率，實現(xiàn)曲率的連續(xù)化；(6)多條曲線重建；(7)多條曲線光滑連接，完成曲面重建；上述檢測操作的步驟(4)中的將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率的計算公式如下
k=6(Δλ-p2)xp1l3]]>式中k為曲率，Δλ為檢測的波長改變，由于波長與撓曲為線性關(guān)系，p1，p2為根據(jù)多次標(biāo)定測量的，擬合波長變化與撓曲線性關(guān)系的斜率和截距，x為傳感器布置點距懸臂端的直線距離，l為整個曲面的總長度。
上述的步驟(6)中的曲線重建采用曲率幾何意義的遞推算法，其算法為rAB=kA+kB2kAkB]]>x1=rABsin(srAB)]]>y1=rAB(1-cos(srAB))]]>xBA=x1cos(θ)-y1sin(θ)]]>=rAB(-sinθ+sin(θ+srAB))]]>yBA=x1sin(θ)+y1cos(θ)]]>=rAB(cosθ-cos(θ+srAB))]]>θ=∫0sk(s)ds]]>式中rAB為微元AB兩點之間弧長的圓弧半徑，kA，kB分別為微元AB兩個端點處的曲率，x1，y1為微元AB終點B在X1AY1坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，s為AB兩點間的弧長，xBA，yBA表示在YOX坐標(biāo)系內(nèi)B點相對于A點的X、Y方向的增量坐標(biāo)，θ為A點切矢與X軸的夾角，k(s)為曲率，ds為弧長微元；此算法通過一次積分，遞推出曲線上相鄰點相對于前一點增量坐標(biāo)值，然后用直線連接兩點，代替曲線，從而實現(xiàn)曲面上曲線的重建過程。
對多條曲線光滑連接采用一種基于四邊形、點分裂、差值型的網(wǎng)格細分算法。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點(1)試驗曲面能夠產(chǎn)生多種振型。
(2)本發(fā)明由多根多個FBG以及一臺光纖光柵信號解調(diào)儀，建立一個傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，傳感器植入曲面中，F(xiàn)BG傳感器的數(shù)目和分布根據(jù)具體振動振型進行調(diào)整，滿足采樣定理；傳感器的中心波長根據(jù)曲面內(nèi)部應(yīng)力的變化而改變，光纖光柵解調(diào)儀檢測出這種波長變化。
(3)本發(fā)明由一臺圖形處理計算機和一臺顯示器建立一個曲面重建子系統(tǒng)，利用圖形處理計算機對獲得的波長變化轉(zhuǎn)化為曲率，并根據(jù)曲率和弧長信息重建曲面，并在顯示器上動態(tài)的顯示出來。
(4)采用本發(fā)明，透過視覺效果，可探討空間信息所反映的規(guī)律，監(jiān)控內(nèi)部受力狀況，為進一步的研究提供直觀準確的數(shù)據(jù)、動畫和圖形。


圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例子的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1示優(yōu)選實例中傳感網(wǎng)絡(luò)分布示意圖。
圖3是優(yōu)選實例中FBG傳感器封裝示意圖。
圖4是本發(fā)明優(yōu)選實例中的曲面重建中曲線重建的幾何關(guān)系圖。
圖5是曲面重建程序流程圖具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合

如下請參見圖1，本曲面振動變形檢測系統(tǒng)，包括一振動曲面①、一臺信號發(fā)生器④(型號SFG-2110生產(chǎn)單位臺灣固緯)、一臺直流電源③、一臺激振器⑤(型號JZK-10生產(chǎn)單位江蘇聯(lián)能電子有限公司)、植入FBG傳感器②、一臺光纖光柵解調(diào)儀⑥(型號FONT-2201A生產(chǎn)單位上海紫珊光電科技有限公司)、一臺圖形處理計算機⑦、一臺顯示器⑧。
直流電源③、激振器⑤、信號發(fā)生器④使曲面①產(chǎn)生多種振型；植入FBG傳感器②根據(jù)曲面應(yīng)力的變化而其反射波長發(fā)生改變；FBG解調(diào)儀⑥檢測出波長的變化，將波長變化傳輸給圖形處理機⑦；圖形處理機將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率，并根據(jù)曲率信息和弧長重建振動曲面，在顯示器⑧中顯示出來，實現(xiàn)振動曲面的動態(tài)檢測。
本實例的具體連接過程參見圖1曲面柔性薄板①一端懸空，一端通過螺釘和角鐵支架垂直固定在工作臺面上；24個FBG②用AB膠水粘貼在①表面上構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)；FBG②的一端4個FC/PC接頭與光纖光柵解調(diào)儀⑥接線孔連接構(gòu)成傳感解調(diào)部分；光纖光柵解調(diào)儀⑥與計算機⑦通過網(wǎng)線連接，完成數(shù)據(jù)傳輸；⑦將數(shù)據(jù)傳輸給顯示器⑧顯示出來。
本曲面振動變形檢測方法，采用上述的檢測系統(tǒng)，其操作步驟如下(1)使曲面產(chǎn)生多種振動振型。
(2)采集FBG傳感器的波長變化FBG傳感器隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，F(xiàn)BG波長解調(diào)儀解調(diào)出多個傳感器的波長變化，并傳遞給圖形處理計算機。
(3)計算機將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率信息，并根據(jù)曲率信息重建振動曲面，利用可視化技術(shù)在屏幕上顯示出來。
(4)連續(xù)的采集數(shù)據(jù)并連續(xù)的重建曲面，實現(xiàn)曲面的振動動態(tài)檢測。
本優(yōu)選實例中的基板選用環(huán)氧樹脂板，如圖2所示，尺寸為1500×400×1.5(分別為長、寬、高)，這種聚合物具有較好的強度，靜態(tài)時能夠保持較好的面形特征，在施加載荷時能產(chǎn)生較好的曲面形狀。傳感器共分4個通道布置在曲面上，傳感器的數(shù)量根據(jù)采樣頻率決定。每個通道有6個不同中心波長的FBG傳感器，利用波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)一條曲線的多點檢測，圖中1，2，3，4分別為4個通道，在寬度方向上等分布置；圖中每一個小方塊代表一個FBG傳感器，即每個通道的光纖上分布有6個不同中心波長的FBG，以非等分方式布置于面形的長度方向上。其布置方式可根據(jù)曲面的具體振動不同而進行調(diào)整，本優(yōu)選實施例中為低頻振動情況下的傳感網(wǎng)絡(luò)分布布置。
FBG傳感器的封裝如附圖3所示，將直徑0.125mm的裸單模光纖光柵用膠水粘貼在曲面表面。為了防止FBG封裝時產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象，采用光柵兩端膠水封裝，同時為了保證光纖光柵既能檢測受拉應(yīng)力又能檢測壓應(yīng)力，在中間光柵中間位置處放置少量的膠水與基板粘貼。
本例子中的光纖光柵檢測曲率計算公式為k=6(Δλ-p2)xp1l3]]>式中k為曲率，Δλ為檢測的波長改變，由于波長與的為線性關(guān)系，p1，p2為根據(jù)多次標(biāo)定測量的，擬合波長變化與撓曲線性關(guān)系的斜率和截距，x為傳感器布置點距懸臂端的直線距離，l為整個曲面的總長度。此計算公式考慮了封裝，誤差修正等多種因素，是建立在多次試驗數(shù)據(jù)的擬合公式之上。
由以上檢測的曲率信息重建曲面形狀，其重建算法如下首先將曲面離散為多條曲線，首先完成曲面上多條曲線的重建，然后通過數(shù)值計算方法實現(xiàn)曲面的重建過程。
由曲率信息重建曲線，采用曲率幾何意義的遞推算法，其算法為rAB=kA+kB2kAkB]]>x1=rABsin(srAB)]]>y1=rAB(1-cos(srAB))]]>xBA=x1cos(θ)-y1sin(θ)]]>=rAB(-sinθ+sin(θ+srAB))]]>yBA=x1sin(θ)+y1cos(θ)]]>=rAB(cosθ-cos(θ+srAB))]]>θ=∫0sk(s)ds]]>式中如附圖4所示，x1，y1為微元AB終點B在X1AY1坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，s為AB兩點間的弧長，rAB為微元AB兩點之間弧長的圓弧半徑，xBA，yBA表示在YOX坐標(biāo)系內(nèi)B點相對于A點的X、Y方向的增量坐標(biāo)，θ為A點切矢與X軸的夾角，k(s)為曲率，ds為弧長微元。此算法通過一次積分，可遞推出曲線上相鄰點相對于前一點增量坐標(biāo)值，然后用直線連接兩點，代替曲線，從而實現(xiàn)曲面上曲線的重建過程。由于是累計增量，在計算機上很容易實現(xiàn)加法運算，且算法簡潔快速。
由以上方法生成的曲線僅為曲面上部分曲線的形狀，根據(jù)以上曲線來重構(gòu)曲面可采用多種算法。本實例中為了獲得更加細致的曲面特征，采用曲面細分算法。其基本思想是從粗糙的初始多邊形網(wǎng)格出發(fā)，通過添加新的頂點并與原頂點形成新的邊和面，這樣遞歸地平滑細分，直到最終獲得光滑曲面。這種算法使三維網(wǎng)格的多分辨率分析變得簡單可行，能控制任意拓撲網(wǎng)格，在保持曲面整體光滑性的同時保留了一些局部特征網(wǎng)格。例中的細分算法是一種基于四邊形、點分裂、差值型的網(wǎng)格細分技術(shù)。
算法流程圖如圖5所示。具體流程如下
1)采集FBG傳感數(shù)據(jù)；2)數(shù)據(jù)預(yù)處理；3)判斷數(shù)據(jù)是否有粗大誤差，有則重新采集數(shù)據(jù)，跳到(1)；4)將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率；5)將已有曲率，求出任意點的曲率，實現(xiàn)曲率的連續(xù)化；6)多條曲線重建；7)多多條曲線光滑連接，采用細分算法，完成曲面重建。
權(quán)利要求
1.一種曲面振動變形檢測系統(tǒng)，包括一個植入有多個FBG傳感器②的被測振動曲面①、一臺光纖光柵解調(diào)儀⑥、一臺計算機⑦和一臺顯示器⑧，其特征在于所述的被測振動曲面①產(chǎn)生多種振動振型；光纖光柵解調(diào)儀⑥解調(diào)出FBG傳感器的中心波長變化值；并把數(shù)據(jù)傳輸給計算機⑦，計算機對數(shù)據(jù)進行處理，采用曲面重建算法，重建振動曲面，并輸出數(shù)據(jù)至顯示器⑧，顯示出重建的振動曲面形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲面振動變形檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的被測振動曲面①中植入FBG傳感器②構(gòu)成傳感網(wǎng)路，F(xiàn)BG傳感器的數(shù)目和分布根據(jù)具體振動振型進行調(diào)整，滿足采樣定理情況下振動振幅較大處，分布稠密，平坦處，分布稀疏。
3.一種曲面振動變形檢測方法，采用權(quán)利1所述的曲面振動變形檢測系統(tǒng)進行檢測，其特征在于檢測操作步驟如下(1)使曲面產(chǎn)生多種振動振型，(2)采集FBG傳感器的波長變化FBG傳感器隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，F(xiàn)BG波長解調(diào)儀解調(diào)出多個傳感器的波長變化，并傳遞給圖形處理計算機，(3)計算機將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率信息，并根據(jù)曲率信息重建振動曲面，利用可視化技術(shù)在屏幕上顯示出來，(4)連續(xù)的采集數(shù)據(jù)并連續(xù)的重建曲面，實現(xiàn)曲面的振動動態(tài)檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的曲面振動變形檢測方法，其特征在于所述的步驟(4)中計算機重建振動曲面的步驟如下(1)采集FBG傳感數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(3)判斷數(shù)據(jù)是否有粗大誤差，有則重新采集數(shù)據(jù)；(4)將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率；(5)根據(jù)已有曲率，求出任意點的曲率，實現(xiàn)曲率的連續(xù)化；(6)多條曲線重建；(7)多條曲線光滑連接，完成曲面重建；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的曲面振動變形檢測方法，其特征在于所述的步驟(4)中的將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率的計算公式如下k=6(Δλ-p2)xp1l3]]>式中k為曲率，Δλ為檢測的波長改變，由于波長與撓曲為線性關(guān)系，p1，p2為根據(jù)多次標(biāo)定測量的，擬合波長變化與撓曲線性關(guān)系的斜率和截距，x為傳感器布置點距懸臂端的直線距離，l為整個曲面的總長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的曲面振動變形檢測方法，其特征在于所述的步驟(6)中的曲線重建采用曲率幾何意義的遞推算法，其算法為rAB=kA+kB2kAkB]]>x1=rABsin(srAB)]]>y1=rAB(1-cos(srAB))]]>xBA=x1cos(θ)-y1sin(θ)]]>=rAB(-sinθ+sin(θ+srAB))]]>yBA=x1sin(θ)+y1cos(θ)]]>=rAB(cosθ-cos(θ+srAB))]]>θ=∫0sk(s)ds]]>式中x1，y1為微元AB終點B在X1AY1坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，s為AB兩點間的弧長，rAB為微元AB兩點之間弧長的圓弧半徑，xBA，yBA表示在YOX坐標(biāo)系內(nèi)B點相對于A點的X、Y方向的增量坐標(biāo)，θ為A點切矢與X軸的夾角，k(s)為曲率，ds為弧長微元；此算法通過一次積分，遞推出曲線上相鄰點相對于前一點增量坐標(biāo)值，然后用直線連接兩點，代替曲線，從而實現(xiàn)曲面上曲線的重建過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的曲面振動變形檢測方法，其特征在于所述的步驟(7)中的多條曲線光滑連接采用一種基于四邊形、點分裂、差值型的網(wǎng)格細分算法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種曲面振動變形檢測系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括一個植入FBG傳感器的被測曲面、一臺光纖光柵解調(diào)儀、一臺圖形處理計算機、一臺顯示器。這種系統(tǒng)將光纖光柵傳感器(FBG)分布式地植入到被測面形中，當(dāng)被測面形發(fā)生振動時，通過傳感器解調(diào)儀得到FBG傳感器中心波長的改變值，并轉(zhuǎn)化為分布的曲率信息，在此基礎(chǔ)上根據(jù)曲率信息和弧長信息重建曲面形狀，并在屏幕上顯示出來，從而實現(xiàn)曲面振動形狀檢測。
文檔編號G01B11/24GK101050947SQ20071003996
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者錢晉武, 樊紅朝, 章亞男, 沈林勇, 朱曉錦 申請人:上海大學(xué)