一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置及方法，包括柔性梁、機械夾持裝置、檢測裝置、激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、光纖光柵解調(diào)儀及計算機；帶有多條裂縫的柔性梁通過機械夾持裝置一端固定，柔性梁上粘貼有多個通道FBG光纖傳感器組，均勻分布在梁的長度方向上，信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過功率放大器放大進入激振器，激振器激起柔性梁的低階模態(tài)振動，振動將引起梁的各傳感器測點的曲率變化，傳感器將曲率的變化以波長的變化形式輸入光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)后的信號進入計算機，用于柔性梁模態(tài)分析、模態(tài)曲率曲線的繪制、損傷指標的計算以及小波神經(jīng)網(wǎng)絡辨識模型的建立，最終達到對柔性梁裂縫深度和位置精確識別的目的。
【專利說明】一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大型柔性結(jié)構(gòu)的損傷識別領(lǐng)域，特別涉及一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間柔性結(jié)構(gòu)在服役期間由于受到?jīng)_擊、地震、風荷載、腐蝕等的作用，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生了各種各樣的損傷。對于大型結(jié)構(gòu)而言，損傷無時無刻不威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。因此，及時發(fā)現(xiàn)損傷并對其進行修復顯得尤為重要。早期的損傷識別技術(shù)利用超聲波、X光、電磁波等手段進行損傷檢測，由于需要預先知道損傷的大概位置，且要求損傷部位容易接近，因此在實際工程應用中受到了限制。現(xiàn)代損傷識別技術(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應的不同，可以分為基于結(jié)構(gòu)動力響應的損傷識別方法和基于結(jié)構(gòu)靜力響應的損傷識別方法。而基于動力學特性的結(jié)構(gòu)損傷識別方法以其實用快速簡單而成為目前國際學術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點。基于振動理論的結(jié)構(gòu)動力響應損傷檢測方法利用實測的振動模態(tài)數(shù)據(jù)(頻率、振型等)經(jīng)過一定的變換得到不同的損傷指標，然后用損傷指標進行損傷的判斷。實際工程中模態(tài)數(shù)據(jù)很容易通過振動測試獲得，因此這些方法受到了廣泛的關(guān)注。在眾多損傷指標中，大多數(shù)都需知道未損結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，如頻率變化比、柔度法等；有的甚至需要知道未損結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，如模態(tài)應變能。振型曲率只需利用結(jié)構(gòu)在當前狀態(tài)下的模態(tài)信息，這為實際工程應用提供了便利。但由于損傷本身的復雜性和不確定性，不同部位、不同程度的損傷、利用不同的振型數(shù)據(jù)均會對損傷識別效果產(chǎn)生影響。利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行損傷檢測與識別首先要對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應信號進行采集和處理。目前，小波分析和小波包分析在信號分解過程中具有無冗余，無疏漏的特點，是進行信號分析與處理的有效方法。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡具有的模式識別能力是進行結(jié)構(gòu)損傷特征辨識的重要方法，將小波分析方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合是進行損傷檢測與識別的技術(shù)已經(jīng)在眾多研究成果中得到了驗證。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，多為結(jié)構(gòu)單裂縫損傷的識別，結(jié)構(gòu)多裂縫損傷識別技術(shù)則相對不成熟?；谀B(tài)曲率的損傷識別方法具備檢測多處損傷的能力，檢測結(jié)果符合實際檢測需要。但是，基于模態(tài)曲率的識別方法，在實際工程應用時，測量的精度對結(jié)果的影響顯著，且往往要求測點位置空間比較接近，測點數(shù)目較多，否則，基于測點模態(tài)曲率插值的估計曲線將會引入較大誤差。另外，工程運用中難以得到高階振型，在傳統(tǒng)的低幅值振動測試中，模態(tài)曲率變化量量級過小，難以起到有效的判別作用。這些缺點使得該方法無法運用于大型復雜工程。目前，技術(shù)人員深入研究基于振型曲率進行損傷識別的方法，利用ANSYS軟件對柔性梁2D框架結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，得到其各階模態(tài)振型數(shù)據(jù)，以模態(tài)曲率為損傷指標對各種損傷工況進行識別，為該方法的工程應用提供了有益參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置及方法。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置，包括柔性梁、機械夾持裝置、檢測裝置、激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、光纖光柵解調(diào)儀及計算機；
[0007]所述柔性梁在長度方向的一端通過機械夾持裝置固定，另一端自由，所述檢測裝置包括多個通道FBG光纖傳感器組，所述柔性梁的正面及背面設(shè)置相同個數(shù)的通道FBG光纖傳感器組，每個通道FBG光纖傳感器組由多個FBG光纖傳感器構(gòu)成，且多個FBG光纖傳感器串聯(lián)后通過FC/PC接頭與光纖光柵解調(diào)儀連接，所述激振器的連接桿固定在柔性梁上，用于激勵柔性梁的振動；
[0008]所述信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為柔性梁各低階固有頻率的正弦信號，經(jīng)功率放大器將信號放大，驅(qū)動激振器激勵柔性板振動，所述FBG光纖傳感器檢測柔性梁振動變化通過FC/PC接頭傳入光纖光柵解調(diào)儀，所述光纖光柵解調(diào)儀對信息進行解調(diào)，然后輸出到計算機。
[0009]所述激振器的連接桿固定在柔性梁上，具體設(shè)置在位于柔性梁在長度方向的中間位置，且位于柔性梁寬度方向中線下方IOmm的位置。
[0010]所述在柔性梁的正面及背面設(shè)置相同個數(shù)的通道FBG光纖傳感器組，具體為:通道FBG光纖傳感器組采用波分復用技術(shù)或空分復用技術(shù)沿著柔性梁長度方向錯開設(shè)置在柔性梁的正面及背面。
[0011]所述每個通道FBG光纖傳感器組內(nèi)的多個FBG光纖傳感器的中心波長均不相同。
[0012]所述檢測裝置安裝在距離柔性梁寬度方向的中線上方10mm。
[0013]柔性梁在長度方向分布多個垂直于柔性梁的裂縫。
[0014]所述裝置進行損傷識別方法，包括如下步驟:
[0015]第一步開啟電源，功率放大器、信號發(fā)生器和光纖光柵解調(diào)儀通電，對計算機進行初始化后，將信號發(fā)生器設(shè)置為掃頻方式，頻率范圍從0.2Hz到50Hz，采用信號發(fā)生器產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)功率放大器傳至激振器，采集記錄模態(tài)自由振動響應結(jié)果，將FBG光纖傳感器轉(zhuǎn)換后的光學信號經(jīng)由光纖光柵解調(diào)儀轉(zhuǎn)換為對應的波長信號，傳輸?shù)接嬎銠C，運行相應程序進行處理，辨識得到梁的振動信息；對振動的時域信號進行快速傅立葉變換獲得柔性梁結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率；
[0016]第二步再次對計算機進行初始化操作，調(diào)整信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號，頻率設(shè)置為通過辨識獲得的一階模態(tài)頻率，通過激振器進行激勵；FBG光纖傳感器隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出多個FBG光纖傳感器的波長變化，并傳遞給計算機，計算機將隨時間變化的波長信號轉(zhuǎn)換為柔性梁曲率值隨時間變化的信號，實現(xiàn)柔性梁曲率的動態(tài)檢測；
[0017]第三步改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率，重復步驟二，完成柔性梁前N階模態(tài)頻率的激勵，所述N大于等于I階且小于等于5階，記錄在每一階模態(tài)激勵下，柔性梁各測點的曲率值隨時間變化信號；
[0018]第四步逐步改變?nèi)嵝粤旱膿p傷情況，即改變裂縫的深度，每改變一次損傷情況就重復第一步至第三步；將未損傷情況及每種損傷情況記錄為一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)將包含該損傷情況對應的各低階模態(tài)的模態(tài)曲率曲線和損傷指標，所述損傷指標包括:各階模態(tài)頻率激勵下有損傷梁采集到的模態(tài)曲率信號曲線和無損傷情況的模態(tài)曲率曲線的差值曲線的各極大值點的橫坐標值和縱坐標值，將各損傷指標送入小波神經(jīng)網(wǎng)絡進行學習，以確定小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型的各項參數(shù)，學習到的神經(jīng)網(wǎng)絡模型用于識別出各裂縫的深度和位置坐標，完成懸臂柔性梁的多裂縫損傷識別。
[0019]所述第四步中損傷指標具體通過如下得到:
[0020]根據(jù)計算機存儲的曲率信號，以曲率為廣義坐標建立柔性梁的振動方程，求得柔性梁各測點的模態(tài)曲率值，將每階振型對應的各測點模態(tài)曲率進行B樣條曲線插值，得到柔性梁的各低階模態(tài)曲率曲線；
[0021]將損傷后的模態(tài)曲率曲線和未損傷的模態(tài)曲率曲線求差值，得到柔性梁各低階模態(tài)曲率差值曲線，然后對其求平均得到各低階模態(tài)曲率差值平均值曲線，最終獲得該損傷情況下的模態(tài)曲率平均差值曲線，通過求解該模態(tài)曲率曲線得到柔性梁的損傷位置指標和損傷深度指標；
[0022]將獲得的不同損傷情況下的柔性梁損傷位置指標和損傷深度指標輸入小波神經(jīng)網(wǎng)絡進行學習，求得神經(jīng)網(wǎng)絡模型的各項參數(shù)；最終獲得多裂縫損傷識別的有效神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用于多裂縫的損傷位置和程度識別。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024](I)本發(fā)明針對橋梁等土木結(jié)構(gòu)、航空航天結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)建立了懸臂柔性梁的多裂縫損傷識別裝置。相比現(xiàn)有研究中單裂縫的識別更有實用性。該裝置的夾持部分具有安裝方便、固定牢固的優(yōu)點。夾持部分與柔性梁形成的整體提高了裝置的抗干擾能力，測試簡單易行，保證了測試結(jié)果準確性。
[0025](2)本裝置充分考慮了模態(tài)信息、損傷程度、測點數(shù)、多損傷、測量噪聲這幾個因素對識別精度的影響。合理布置了 FBG傳感器的分布位置，采用雙面交錯布置傳感器，共20個測點，既保證了測點數(shù)目充足，又避免了由于傳感器分布過于密集給安裝和檢測帶來不便，提高了測量精度。
[0026](3)通過對柔性梁的有限元仿真模擬，根據(jù)梁在長度方向上應力的分布，確定柔性梁易發(fā)生損傷的位置。由柔性梁的易損傷位置點為起點進行B樣條曲線插值，能夠有針對性的對曲線某一部分進行插值。另外，B樣條曲線插值相較其他插值方法具有更高的精度，提高模態(tài)曲率曲線整體的差值精度。這也在一定程度上克服了采用模態(tài)曲率作為識別指標時識別精度較低的缺點。
[0027](4)本裝置所研究的對象是懸臂柔性梁，相較其他剛性材料具有小剛度、大撓度、大變形的特點，在足夠大的振動激勵下可以產(chǎn)生較大的振動響應和曲率變化。這避開了一般材料的模態(tài)曲率曲線在損傷前后變化不明顯的缺點，確保了基于模態(tài)曲率進行損傷識別的可行性。
[0028](5)本發(fā)明采用的多裂縫損傷識別方法，考慮了柔性梁損傷情況改變后不可恢復的特性，對損傷情況進行了合理的分組和排序，增加了輸入神經(jīng)網(wǎng)絡的樣本數(shù)目以及樣本的豐富性，有利于建立精確的神經(jīng)網(wǎng)絡辨識模型。
[0029](6)本發(fā)明建立的多裂縫損傷識別裝置所采用的一整套信號采集、處理系統(tǒng)，包括:5測點四通道FBG分布光纖光柵傳感器模塊，實現(xiàn)了柔性梁20個測點的振動測量；信號發(fā)生器模塊、電源模塊、功率放大器模塊實現(xiàn)了用于模態(tài)分析的柔性梁激勵信號的輸入；光纖光柵解調(diào)儀模塊，實現(xiàn)光學信號到數(shù)值信號的轉(zhuǎn)換；計算機的處理軟件模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示。以上模塊共同構(gòu)成了單輸入一多輸出的損傷識別系統(tǒng)。
[0030](7)本發(fā)明采用了針對懸臂柔性梁進行多裂縫損傷識別方法。在識別裝置保證模態(tài)曲率測量準確性的基礎(chǔ)上，本發(fā)明計算的各階模態(tài)曲率差值的平均值指標對裂縫深度更加敏感，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，進一步提高了識別結(jié)果的準確性，最后，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡建立損傷辨識的精確模型，將多裂縫識別問題由特殊轉(zhuǎn)為一般。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是圖1中柔性梁正面分布式FBG光纖光柵傳感器的布置位置示意圖；
[0033]圖3是圖1中柔性梁背面分布式FBG光纖光柵傳感器的布置位置示意圖；
[0034]圖4是圖1中柔性梁表面分布式FBG光纖光柵傳感器的布置位置俯視；
[0035]圖5是圖1中柔性梁正面三條裂縫分布位置示意圖；
[0036]圖6是模態(tài)曲率平均差值曲線示意圖；
[0037]圖7是懸臂柔性梁多裂縫損傷識別方法的流程圖。
[0038]圖中示出:
[0039]I—機械夾持裝置，2—FC/PC接頭，3—FBG光纖傳感器，4一柔性梁，5—附加質(zhì)量塊，6一激振器,7一光纖光柵解調(diào)儀，8一計算機，9一功率放大器，10一電源，11 一/[目號發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0041]實施例
[0042]如圖1-圖6所示，一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置，包括柔性梁4、機械夾持裝置1、檢測裝置、激振器6、信號發(fā)生器11、功率放大器9、光纖光柵解調(diào)儀7及計算機8 ；
[0043]所述柔性梁4在長度方向的一端通過機械夾持裝置I固定，另一端自由，本實施例柔性梁在長度方向上均布三條垂直于梁的裂縫，分別距離梁左端Cl1 = 250mm,d2 = 500mm和d3 = 800mm,裂縫寬度b = 1mm,柔性梁4三條裂縫的尺寸如圖6所示。
[0044]所述檢測裝置包括多個通道FBG (Fiber Bragg Grating的縮寫，即光纖布拉格光柵)光纖傳感器組，所述柔性梁的正面及背面設(shè)置相同個數(shù)的通道FBG光纖傳感器組，每個通道FBG光纖傳感器組由多個FBG光纖傳感器3構(gòu)成，本實施例由5個FBG光纖傳感器3構(gòu)成，且多個FBG光纖傳感器串聯(lián)后通過FC/PC接頭2與光纖光柵解調(diào)儀7連接，所述激振器6的連接桿固定在柔性梁上，用于激勵柔性梁的振動；激振位置位于梁長度方向的中間位置和梁寬度方向中線下方IOmm的位置。
[0045]本實施例中，柔性梁4的兩面各設(shè)置兩個通道的FBG光纖傳感器組，每個通道FBG光纖傳感器組由5個FBG光纖傳感器3構(gòu)成，具有5種不同中心波長的光柵，且通過FC/PC接頭2與光纖光柵解調(diào)儀7連接，通道FBG光纖傳感器組采用波分復用技術(shù)或空分復用技術(shù)沿著柔性梁長度方向錯開設(shè)置在柔性梁的正面及背面，通道FBG光纖傳感器組在柔性梁4的寬度方向上距梁中線上方IOmm處，用于檢測柔性梁4在長度方向上共20個測點的曲率值；
[0046]信號發(fā)生器11產(chǎn)生頻率為柔性梁4各低階固有頻率的正弦信號，經(jīng)由電源10供電的功率放大器9將信號放大，驅(qū)動激振器6，激勵柔性梁4振動，F(xiàn)BG光纖傳感器3檢測到個測點的振動，轉(zhuǎn)換成波長的變化，通過FC/PC接頭2傳入光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7將輸入的波長信息進行解調(diào)，輸出到計算機8，通過相應的軟件進行處理、顯示、存儲，用于損傷指標的計算。
[0047]本裝置還包括附加質(zhì)量塊5，安裝在柔性梁的自由端，附加質(zhì)量塊的有益作用在于降低柔性梁的各階固有頻率，這降低了對激振器激勵頻率范圍的要求，也降低了信號采集速度的要求。同時質(zhì)量塊的加入加大了柔性梁激振時的能量，確保梁有足夠大的變形，有利于曲率的測量
[0048]在本實施例中，柔性梁4的材料可選用環(huán)氧樹脂材料薄板，不計柔性梁一端用于夾持的長度80mm，其幾何尺寸可選1050mmX200mmX2mm，即圖2至圖4所示，長度為L =1050mm,寬度為 B = 200mm,厚度為 t = 2_。
[0049]所述的懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置所采用的FBG光纖光柵傳感器，采用了以SMA(Shape Memory Alloy的縮寫，即形狀記憶合金)薄片為基材的封裝方法(允許使用銅薄片等材料作為基材)，將FBG光纖光柵封裝于SMA基材之中，構(gòu)成傳感陣列，再將傳感陣列與柔性梁表面牢固連接。具體方式是:將裸單模光纖光柵用膠水粘貼在SMA薄片上，為了防止光纖光柵封裝時產(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測量拉應力又能測量壓應力，在中間光柵處放置少量的膠水與基材粘貼，粘貼方式如圖5所示。
[0050]具體到本實例中，柔性梁上的FBG光纖光柵傳感器分布如圖2和圖3所示，可采用尺寸=I1 = 95mm, I2 = 90mm, I3 = 90mm, I4 = 125mm, d0 = 10mm。采用的 SMA 形狀記憶合金片尺寸可取30mmX10mmX0.1mm,內(nèi)部光纖選用直徑為0.125mm的單模光纖光柵。
[0051]本實例中信號發(fā)生器11可選用南京盛普儀器科技有限公司SP-F05型DDS數(shù)字合成函數(shù)/任意波信號發(fā)生器，信號發(fā)生器根據(jù)柔性梁的模態(tài)頻率信息產(chǎn)生所需要的方波振動激勵信號，輸入由電源10供電的，驅(qū)使激振器6工作，激勵柔性梁4振動。其中，電源10可選用天津市東文高壓電源廠生產(chǎn)的DW-D201-100-AC型供電電源；功率放大器9選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)公司生產(chǎn)的YE5871型功放，激振器6選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)公司生產(chǎn)的JZK-5KG型激振器；圖4所示的FC/PC接頭選用美國TH0RLABS公司生產(chǎn)的30080D1-FC/PC
單模接頭，080微米，陶瓷套圈，0900微米護套;光纖光柵解調(diào)儀選用；用于接收波長變化信號的光纖光柵解調(diào)儀型號為美國MICRON OPTICS公司生產(chǎn)的SM130-500，該解調(diào)儀具有四通道高達500Hz的掃描頻率，檢測波長范圍為1510?1590nm，并具備相應的配套電腦軟件；選用的計算機10CPU型號為Pentium G6202.6GHz,內(nèi)存4G ；
[0052]其中，光纖光柵解調(diào)儀7采集多個FBG光纖光柵傳感器3的信號，在溫度恒定的條件下，Bragg波長變化Λ λ b與外加軸向應變ε滿足下式:
[0053]Δ XJXh = (1-P) ε
[0054]式中:P = 0.5η2[ρ12- υ (ρη+ρ12)],為有效光彈系數(shù),值約為0.122,由上式可求得針對直徑為0.125mm的Bragg光纖光柵的最大波長變化范圍Λ λ _，本實例采用的光纖光柵在最大檢測極限應變下，單個傳感器的工作范圍Λ Amax= IOnm0根據(jù)波長解調(diào)儀器設(shè)備的最大量程，可解得波分復用技術(shù)中傳感器的數(shù)目為:Ar / AAmax _ 80 _ Q
[0055]JS <_ _ O
AAbmax 10
[0056]在這種情況下每一個光纖光柵均達到最大應變，但檢測儀器檢測的波長值仍不產(chǎn)生混疊。本實例采用每通道5片F(xiàn)BG傳感器的布置方式。
[0057]—種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別方法，如圖7所示，包括如下步驟:
[0058]第一步開啟電源10，功率放大器9、信號發(fā)生器11和光纖光柵解調(diào)儀7通電，對計算機8進行初始化后，將信號發(fā)生器11設(shè)置為掃頻方式，頻率范圍從0.2Hz到50Hz，采用信號發(fā)生器11產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)功率放大器9傳至激振器6，采集記錄模態(tài)自由振動響應結(jié)果，將FBG光纖光柵傳感器3轉(zhuǎn)換后的光學信號經(jīng)由光纖光柵解調(diào)儀7轉(zhuǎn)換為對應的波長信號，傳輸?shù)接嬎銠C8，運行相應程序進行處理，辨識得到梁的振動信息；對振動的時域信號進行快速傅立葉變換獲得柔性梁結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率；
[0059]第二步再次對計算機8進行初始化操作，調(diào)整信號發(fā)生器11產(chǎn)生正弦信號，頻率設(shè)置為通過辨識獲得的一階模態(tài)頻率，通過激振器6進行激勵；FBG光纖光柵傳感器3隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出多個FBG光纖傳感器的波長變化，并傳遞給計算機8，計算機8將隨時間變化的波長信號轉(zhuǎn)換為柔性梁曲率值隨時間變化的信號，即將波長變化轉(zhuǎn)化為曲率信息，實現(xiàn)柔性梁曲率的動態(tài)檢測；
[0060]第三步改變信號 發(fā)生器11輸出信號的頻率，重復步驟二，完成柔性梁前N階模態(tài)頻率的激勵，所述N大于等于I階且小于等于5階，本實施例中N取3，即完成前3階模態(tài)頻率的激勵，記錄在每一階模態(tài)激勵下，柔性梁各測點的曲率值隨時間變化信號，考慮到梁在改變損傷情況以后的不可恢復性，將梁的損傷情況做適當?shù)呐判蚍纸M，具體如表1所示:
[0061]表1
【權(quán)利要求】
1.一種懸臂柔性梁多裂縫損傷識別裝置，其特征在于，包括柔性梁、機械夾持裝置、檢測裝置、激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、光纖光柵解調(diào)儀及計算機； 所述柔性梁在長度方向的一端通過機械夾持裝置固定，另一端自由，所述檢測裝置包括多個通道FBG光纖傳感器組，所述柔性梁的正面及背面設(shè)置相同個數(shù)的通道FBG光纖傳感器組，每個通道FBG光纖傳感器組由多個FBG光纖傳感器構(gòu)成，且多個FBG光纖傳感器串聯(lián)后通過FC/PC接頭與光纖光柵解調(diào)儀連接，所述激振器的連接桿固定在柔性梁上； 所述信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為柔性梁各低階固有頻率的正弦信號，經(jīng)功率放大器將信號放大，驅(qū)動激振器激勵柔性板振動，所述FBG光纖傳感器檢測柔性梁振動變化通過FC/PC接頭傳入光纖光柵解調(diào)儀，所述光纖光柵解調(diào)儀對信息進行解調(diào)，然后輸出到計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激振器的連接桿固定在柔性梁上，具體設(shè)置在位于柔性梁在長度方向的中間位置，且位于柔性梁寬度方向中線下方IOmm的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述在柔性梁的正面及背面設(shè)置相同個數(shù)的通道FBG光纖傳感器組，具體為:通道FBG光纖傳感器組采用波分復用技術(shù)或空分復用技術(shù)沿著柔性梁長度方向錯開設(shè)置在柔性梁的正面及背面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述每個通道FBG光纖傳感器組內(nèi)的多個FBG光纖傳感器的中心波長均不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的裝置，其特征在于，所述檢測裝置安裝在距離柔性梁寬度方向的中線上方10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的裝置，其特征在于，柔性梁在長度方向分布多個垂直于柔性梁的裂縫。
7.應用權(quán)利要求1-6任一項所述裝置進行損傷識別方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步開啟電源，功率放大器、信號發(fā)生器和光纖光柵解調(diào)儀通電，對計算機進行初始化后，將信號發(fā)生器設(shè)置為掃頻方式，頻率范圍從0.2Hz到50Hz，采用信號發(fā)生器產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)功率放大器傳至激振器，采集記錄模態(tài)自由振動響應結(jié)果，將FBG光纖傳感器轉(zhuǎn)換后的光學信號經(jīng)由光纖光柵解調(diào)儀轉(zhuǎn)換為對應的波長信號，傳輸?shù)接嬎銠C，運行相應程序進行處理，辨識得到梁的振動信息；對振動的時域信號進行快速傅立葉變換獲得柔性梁結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率； 第二步再次對計算機進行初始化操作，調(diào)整信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號，頻率設(shè)置為通過辨識獲得的一階模態(tài)頻率，通過激振器進行激勵；FBG光纖傳感器隨著曲面的振動其反射中心波長隨著改變，光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出多個FBG光纖傳感器的波長變化，并傳遞給計算機，計算機將隨時間變化的波長信號轉(zhuǎn)換為柔性梁曲率值隨時間變化的信號，實現(xiàn)柔性梁曲率的動態(tài)檢測； 第三步改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率，重復步驟二，完成柔性梁前N階模態(tài)頻率的激勵，所述N大于等于I階且小于等于5階，記錄在每一階模態(tài)激勵下，柔性梁各測點的曲率值隨時間變化信號； 第四步逐步改變?nèi)嵝粤旱膿p傷情況，即改變裂縫的深度，每改變一次損傷情況就重復第一步至第三步；將未損傷情況及每種損傷情況記錄為一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)將包含該損傷情況對應的各低階模態(tài)的模態(tài)曲率曲線和損傷指標，所述損傷指標包括:各階模態(tài)頻率激勵下有損傷梁采集到的模態(tài)曲率信號曲線和無損傷情況的模態(tài)曲率曲線的差值曲線的各極大值點的橫坐標值和縱坐標值，將各損傷指標送入小波神經(jīng)網(wǎng)絡進行學習，以確定小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型的各項參數(shù)，學習到的神經(jīng)網(wǎng)絡模型用于識別出各裂縫的深度和位置坐標，完成懸臂柔性梁的多裂縫損傷識別。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的識別方法，其特征在于，所述第四步中損傷指標具體通過如下得到: 根據(jù)計算機存儲的曲率信號，以曲率為廣義坐標建立柔性梁的振動方程，求得柔性梁各測點的模態(tài)曲率值，將每階振型對應的各測點模態(tài)曲率進行B樣條曲線插值，得到柔性梁的各低階模態(tài)曲率曲線； 將損傷后的模態(tài)曲率曲線和未損傷的模態(tài)曲率曲線求差值，得到柔性梁各低階模態(tài)曲率差值曲線，然后對其求平均得到各低階模態(tài)曲率差值平均值曲線，最終獲得該損傷情況下的模態(tài)曲率平均差值曲線，通過求解該模態(tài)曲率曲線得到柔性梁的損傷位置指標和損傷深度指標； 將獲得的不同損傷情況下的柔性梁損傷位置指標和損傷深度指標輸入小波神經(jīng)網(wǎng)絡進行學習，求得神經(jīng)網(wǎng)絡模型的各項參數(shù)；最終獲得多裂縫損傷識別的有效神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用于多裂縫的損 傷位置和程度識別。
【文檔編號】G01N29/04GK104007175SQ201410196847
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】邱志成, 吳傳健 申請人:華南理工大學