光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及其傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性研究.pdf

1、基于光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)因其突出的優(yōu)點(diǎn)在土木工程和航空航天領(lǐng)域受到了大家的青睞。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，F(xiàn)BG傳感器網(wǎng)絡(luò)通常埋置于結(jié)構(gòu)中，一旦發(fā)生故障很難進(jìn)行更換，從而影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能。為了解決上述問題，本文研究內(nèi)容圍繞結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及提高系統(tǒng)中光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)依次展開，探索提高光纖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的損傷識別精度、容錯能力及其傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠

2、性方法。
　　 首先，采用耦合模理論、傳輸矩陣法、色心模型、有限包層半徑布拉格光柵理論，研究了FBG傳感器在使用中因疲勞應(yīng)變、高/低溫、紫外線漂白和化學(xué)腐蝕等作用性能發(fā)生退化的原理，并借助光波導(dǎo)數(shù)值分析軟件OptiFDTD對FBG傳感器性能發(fā)生退化時(shí)的信號特征進(jìn)行了分析，為及時(shí)準(zhǔn)確判別與評估FBG傳感器的健康狀況提供依據(jù)。接著以FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測飛機(jī)機(jī)翼盒段試驗(yàn)件上的靜態(tài)載荷和碳纖維復(fù)合材料板試驗(yàn)件上的動態(tài)載荷為研究對象，對基

3、于支持向量機(jī)算法的結(jié)構(gòu)損傷定位方法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了支持向量機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，分別采用網(wǎng)格搜索算法、遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法對支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對三種方法的性能進(jìn)行了分析對比。在以上損傷定位研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)故障情況下如何避免系統(tǒng)性能嚴(yán)重退化，提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。在FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，研究了通過動態(tài)修改支持向量機(jī)模型和支持向量機(jī)參數(shù)來提高損傷定位精度。結(jié)果表明：以8個(gè)FBG傳感器組

4、成的網(wǎng)絡(luò)為例的靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中1個(gè)或2個(gè)FBG傳感器信號失效時(shí)，其識別精度同傳感器網(wǎng)絡(luò)完好時(shí)的識別精度保持一致。因此，采用模型重構(gòu)算法可以顯著提高傳感器故障時(shí)系統(tǒng)的監(jiān)測精度，提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。
　　 其次，研究了通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的排布位置提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。以機(jī)翼形狀鋁合金板試驗(yàn)件為研究對象，以不同F(xiàn)BG傳感器數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為依據(jù)，研究采用逐步累積

5、法和支持向量回歸機(jī)優(yōu)化FBG傳感器的布置位置和數(shù)量。首先在監(jiān)測對象上設(shè)置足夠多的傳感器預(yù)布置點(diǎn)，并對被測對象進(jìn)行加載，獲得每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(即傳感器預(yù)布置點(diǎn))與所有加載點(diǎn)之間的相關(guān)性，然后從所有監(jiān)測點(diǎn)挑選一個(gè)點(diǎn)作為第一個(gè)傳感器布置點(diǎn)，接著從剩余預(yù)布置點(diǎn)中挑選和第一個(gè)相關(guān)性最小的點(diǎn)作為第二個(gè)傳感器布置點(diǎn)，依次類推，從剩余預(yù)布置點(diǎn)中挑選和已選點(diǎn)相關(guān)性均比較小的點(diǎn)作為下一個(gè)傳感器布置點(diǎn)。每增加一個(gè)點(diǎn)需要計(jì)算一次采用已選傳感器組合進(jìn)行監(jiān)測時(shí)的系統(tǒng)的性

6、能，以此作為評價(jià)所選傳感器組合的標(biāo)準(zhǔn)，直至已選傳感器的位置和數(shù)量滿足要求。結(jié)果表明：對應(yīng)于初始布置模式下傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置方案，優(yōu)化后的傳感器布置方案可以在保證系統(tǒng)監(jiān)測精度的情況下采用更少的傳感器，采用相同數(shù)量的傳感器可以獲得更高的監(jiān)測精度。
　　 接著，研究了通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。在傳統(tǒng)FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入光導(dǎo)開關(guān)，并采用圖論相關(guān)理論建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ停?dāng)網(wǎng)絡(luò)中

7、某個(gè)傳感器或傳輸光纖發(fā)生故障時(shí)，通過分析網(wǎng)絡(luò)模型的鄰接矩陣確定光開關(guān)切換順序，從而為網(wǎng)絡(luò)中依然存活的傳感節(jié)點(diǎn)重新尋找新的傳輸路徑，使故障對網(wǎng)絡(luò)中其余傳感器的影響減到最小。同時(shí)，根據(jù)可靠性相關(guān)理論，在模型重構(gòu)算法的基礎(chǔ)上，分析對比了傳統(tǒng)的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和引入光導(dǎo)開關(guān)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，分析結(jié)果表明：引入光開關(guān)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性明顯高于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，單個(gè)傳感器的失效概率不同，兩種網(wǎng)絡(luò)可靠性差別也不同；當(dāng)單個(gè)元

8、器件的失效概率在0.001和0.01之間變動時(shí)，若系統(tǒng)允許距離誤差在40mm以內(nèi)的預(yù)測點(diǎn)占總測試數(shù)據(jù)的比例達(dá)到95％，則引入光開關(guān)后的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的失效率降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失效率的50％；若系統(tǒng)允許距離誤差在40mm以內(nèi)的預(yù)測點(diǎn)占總測試數(shù)據(jù)的比例達(dá)到90％，則引入光開關(guān)后的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的失效率至少可以降低為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失效率的12.5％。
　　 最后，研究了采用多主體技術(shù)提高FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。針對

9、FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多主體框架結(jié)構(gòu)、主體的結(jié)構(gòu)形式和功能、主體之間的通信方式和數(shù)據(jù)融合方式，并結(jié)合FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測飛機(jī)機(jī)翼盒段試驗(yàn)件上的靜態(tài)載荷為研究對象，對雙主體協(xié)作進(jìn)行了重點(diǎn)研究。首先根據(jù)研究的傳感器優(yōu)化排布方法，確定了每個(gè)主體內(nèi)部的傳感器數(shù)量和排布位置。接著分別研究兩個(gè)主體均正常和一個(gè)主體故障情況下多主體融合結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)主體均完好時(shí)，直接采用加權(quán)平均法對兩個(gè)主體的識別結(jié)果進(jìn)行融合；當(dāng)某個(gè)主體發(fā)生故障時(shí)，故障