基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法，属于结构健康监测的冲击监测技术领域。包括以下步骤：步骤一：传感器布局；步骤二：冲击响应信号时间序列的关联维数计算方法；步骤三：待测冲击点对应的传感器响应信号处理及其时间序列的关联维数计算；步骤四、确定待测点所在区域，计算该区域内不同样本冲击点对应的传感器响应信号时间序列的关联维数；步骤五：样本冲击点距离传感器的长度与样本点所在区域内传感器冲击响应信号时间序列关联维数之间关系模型构建；步骤六：基于三圆取交法，计算待测冲击点的具体坐标位置。本发明专利技术具有无需大量先验知识、可移植性好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于结构健康监测的冲击监测
，尤其涉及基于分形理论体系中关联维数的板结构冲击监测方法。
技术介绍
现代大型结构如航天飞机、高层结构、新型桥梁、大跨度网架结构等在复杂服役环境中将受到设计载荷的作用以及各类突发性外在因素如外来物冲击、振动等影响，而这些振动或冲击会导致结构不同程度的损伤。这些损伤的隐蔽性强，损伤、失效方面机理复杂、损伤类型和程度难以判断，但这些损伤如果不及时发现和采取相应的措施，会造成结构损伤积累，使得其结构力学性能退化，威胁结构安全，造成灾难性后果。目前，冲击载荷定位识别问题的研究如基于冲击在板结构中激励出的Lamb波进行研究，通常采用基于压电元件的三角形定位、四边形定位和基于小波变换的时差定位，取得了较好的冲击位置识别结果，但由于Lamb波传播过程存在频散现象，直接降低了定位精度。另外，这类方法由于其数据采集与传输过程易受到电磁干扰的影响，且其压电监测阵列需要大量传输电缆线，大大加剧了系统复杂程度。对于常规低速采样的光纤光栅传感模式，在实际应用中由于解调仪采样频率较低，将会导致表征冲击响应特征的有效信息大量缺失，无法满足时差定位原理，导致定位精度大幅降低。针对目前基于光纤光栅传感器的冲击监测使用要求，需要研究无需大量先验知识，能够适用于采样频率较低的常规光纤光栅解调仪，且监测原理简洁的新方法。为此，本专利技术提出了一种基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于航空航天领域板结构的光纤冲击定位方法，该方法采用分布式光纤布拉格光栅传感器网络感知结构中不同位置的冲击响应信号，提取冲击响应信号时间序列的关联维数。利用该关联维数与冲击距离的存在特定关系，实现对冲击位置定位。该方法结合分形理论，适用于刻画对象的不规则性和自相似性特点，能够用于航空航天领域四边固支板结构冲击定位，无需大量先验知识、可移植性好、适用条件广泛，能较准确的辨识冲击位置。本专利技术采用如下技术方案：一种基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法，包括以下步骤：步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；在四边固支铝合金板结构中心位置划定一个正方形监测区域ABCD，其中点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心O作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在板结构正方形监测区域A、B、C、D四个顶角位置分别布置垂直所在正方向对角线方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，同时在正方形中心位置分别布置垂直对角线BD、AC方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG5、FBG6；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG6分别连接，以此构成分布式传感器网络，六个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击监测区域；位于正方形监测区域顶点的4个传感器和中心的2个传感器可以将监测区域划分为4个等腰直角三角形子监测区域，将FBG1、FBG2、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅰ，将FBG2、FBG3、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅱ，将FBG3、FBG4、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅲ，将FBG1、FBG4、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅳ；步骤二、光纤布拉格光栅传感器冲击响应信号时间序列的关联维数计算方法，包括:步骤2-1、相空间重构：设光纤布拉格光栅传感器冲击响应信号的时间序列为x(t1),x(t2),x(t3)…x(tn)，适当选取一个时间延迟量τ，将其构造成m维相空间，可表示成如式(1)所示的m×[n-(m-1)×τ]阶矩阵：式(1)中m为嵌入维数，τ为时间延迟因子，n-(m-1)×τ为重构的向量数；步骤2-2、计算各向量间的欧氏距离：m维相空间的所有相点记作Xu，且Xu＝{x(tu),x(tu+τ),...,x(tu+(m-1)×τ)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；在四边固支铝合金板结构中心位置划定一个正方形监测区域ABCD，其中点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心O作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在板结构正方形监测区域A、B、C、D四个顶角位置分别布置垂直所在正方向对角线方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，同时在正方形中心位置分别布置垂直对角线BD、AC方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG5、FBG6；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG6分别连接，以此构成分布式传感器网络，六个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击监测区域；位于正方形监测区域顶点的4个传感器和中心的2个传感器可以将监测区域划分为4个等腰直角三角形子监测区域，将FBG1、FBG2、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅰ，将FBG2、FBG3、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅱ，将FBG3、FBG4、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅲ，将FBG1、FBG4、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅳ；步骤二、光纤布拉格光栅传感器冲击响应信号时间序列的关联维数计算方法，包括：步骤2‑1、相空间重构：设光纤布拉格光栅传感器冲击响应信号的时间序列为x(t1),x(t2),x(t3)…x(tn)，适当选取一个时间延迟量τ，将其构造成m维相空间，可表示成如式(1)所示的m×[n‑(m‑1)×τ]阶矩阵：x(t1)x(t2)...x(tn-(m-1)×τ)x(t1+τ)x(t2+τ)...x(tn-(m-2)×τ).........x(t1+(m-2)×τ)x(t2+(m-2)×τ)x(tn-τ)x(t1+(m-1)×τ)x(t2+(m-1)×τ)x(tn)---(1)]]>式(1)中m为嵌入维数，τ为时间延迟因子，n‑(m‑1)×τ为重构的向量数；步骤2‑2、计算各向量间的欧氏距离：m维相空间的所有相点记作Xu，且Xu＝{x(tu),x(tu+τ),...,x(tu+(m‑1)×τ)}，其中u＝1,2,…,n‑(m‑1)×τ，计算任意一对相点之间的欧氏距离可得到矩阵：矩阵(2)为一个对角线元素全为0的k阶对称方阵，其中k＝n‑(m‑1)×τ步骤2‑3、计算相关函数：给定一个临界距离r，计算矩阵(2)中小于r的元素个数，并把距离小于r的元素的个数占总元素个数的比例记为C(r,m)，则有：C(r,m)=1k(k-1)Σi,j=1kθ(r-rij),i≠j---(3)]]> 其中θ为Heaviside函数：步骤2‑4、计算冲击响应信号时间序列的关联维数：选取适当的临界距离r，在无标度区内存在如下关系：L=ln C(r,m)ln r---(4)]]>式(4)所定义的L即为冲击响应信号时间序列的关联维数；步骤三、待测冲击点对应的光纤布拉格光栅传感器响应信号进行信号处理，并计算待测冲击点时间序列关联维数；采用冲击锤对板结构的冲击监测区域ABCD中的任意点作为待测点施加一定能量大小的低速冲击载荷，记录该冲击下分布式传感网络中6个光纤布拉格光栅传感器的冲击响应信号；采用小波去噪的方法对响应信号进行滤噪处理；按照步骤二所述方法计算待测冲击点对应的六个光纤布拉格光栅传感器响应信号时间序列的关联维数Li，i＝1,2,3,4,5,6为传感器编号；步骤四、待测点的区域定位，并根据区域选取样本冲击点，利用冲击锤采用相同能量大小进行冲击，并计算样本冲击点时间序列的关联维数；4‑1将步骤三得到的四个顶点处的传感器响应信号时间序列的关联维数值依次从小到大排序，由关联维数最小的2个传感器所构成的监测区域可确定为待测点所在的子监测区域，完成待测点的区域定位；4‑2分别选取待测点所在三角形区域各条边上的若干离散点作为样本点，利用冲击锤采用相同大小的能量对样本点依次进行低速冲击加载，分别记录样本点所在边界两端的光纤布拉格光栅传感器在此冲击下的响应信号，对于中心位置共有两个传感器，只记录与其粘贴方向垂直的边界线上样本冲击点的响应信号；并按照步骤二所述方法计算样本点冲击响应信号时间序列的关联维数i＝1,2,3,4,5,6为传感器编号；j＝1,2,3,…,n为第n个样本冲击点；步骤五、样本冲击点距离光纤布拉格光栅传感器的...

【技术特征摘要】
1.一种基于关联维数计算与三圆取交原理的低速冲击位置辨识法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局；在四边固支铝合金板结构中心位置划定一个正方形监测区域ABCD，其中点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心O作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在板结构正方形监测区域A、B、C、D四个顶角位置分别布置垂直所在正方向对角线方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，同时在正方形中心位置分别布置垂直对角线BD、AC方向的光纤布拉格光栅传感器，分别计作FBG5、FBG6；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG6分别连接，以此构成分布式传感器网络，六个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击监测区域；位于正方形监测区域顶点的4个传感器和中心的2个传感器可以将监测区域划分为4个等腰直角三角形子监测区域，将FBG1、FBG2、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域Ⅰ，将FBG2、FBG3、FBG5和FBG6构成的监测区域记为区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，熊稚莉，高丽敏，周煜青，郭晓华，李志慧，喻俊松，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32