基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统及方法，属于工程振动分析领域。提供了一种模态分析的新手段，克服了传统基于电传感器模态分析方法的局限性。搭建基于光纤传感网络的试验模态分析系统，光纤光栅振动力锤对被测对象各测点施加振动激励，锤头中的光纤光栅振动传感器实时采集输入信号，布置在结构参考点的光纤光栅振动传感器采集参考点的响应输出信号。传感器的波长信息经过解调设备存储到计算机中，经过滤波和噪声去除等预处理后，试验模态分析软件实时处理和分析波长信号，得到被测对象的模态频率、阻尼比和振型。本发明专利技术系统结构简单，抗电磁干扰能力强，计算速度快，测量结果准确、精度高，灵活性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统及方法
本专利技术属于工程振动分析领域，具体涉及一种基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统及方法。
技术介绍
在结构的可靠性研究中，不仅要研究其静强度，还要考虑其动力学特性。共振就是驱动力的频率和受迫振动物体的固有频率相同,从而使受迫振动的物体的振幅达到最大，结构发生共振时，即使强度足够，也可能发生损坏和故障的危险。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在容易发生共振的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振动源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。模态分析是根据结构的固有特性，包括频率、阻尼和模态振型等动力学属性去描述结构的过程。通过试验获得结构振动的测试数据，对该类数据进行分析处理后确定结构的模态参数，如频率、振型、模态阻尼，即模态分析技术。传统的试验模态分析，是建立在电传感器如(电加速度、位移传感器)的基础上的，因而其分析结果受到电类传感器自身缺陷的限制。首先，电传感器的使用场合受到严格限制。电传感器易受电磁干扰，设备易产生静电堆积，在需要严格防爆的场合下，电传感器无法使用。其次，电类传感器很难实现分布式测量，以电阻应变片为例，一个电阻应变片需要两根传输线，在传感器数量较多的情况下，传输线本身的重量就很难被忽略，其检测结果的精度也很难保证。同时，由于电传感器易受电磁干扰，容易受到环境中噪声的影响，而很多噪声是很难在后期的信号处理中有效去除的，这就给模态分析结果带来很大的误差。在人为激励作用下，其测试信号的信噪比不高，由于工程结构尺寸庞大，激励器作用的激励分布到各点上微弱，发生迭加和耦合，也会造成相干函数数值偏低的结果。而电传感器自身的附加重量也会让小型结构的模态分析结果准确性受到影响。目前，基于电传感器的试验模态分析方法虽然有小型化的趋势，但其应用场合、使用范围还是受到很大限制，其检测稳定性、精度和信噪比都处于较低水平，不易实现在线检测。面对越来越复杂的工程测试需求，需要探索基于新型传感器的模态分析手段，来应对目前电传感器难以处理的检测对象和领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服已有的技术局限，提供一种基于光纤布拉格光栅的试验模态分析系统与方法，可以对结构进行准确的模态参数识别，系统结构简单，抗电磁干扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活性好。本专利技术采用的技术方案为：一种基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统，该系统包括：放大自发辐射(ASE)宽带激光光源、光纤耦合器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅振动传感器、光纤光栅冲击力锤、光信号解调模块、电信号处理模块、数据采集卡和计算机；ASE宽带激光光源连接光纤耦合器的一个输入端口，光信号解调模块连接光纤耦合器的另一个输入端口。光纤光栅应变传感器连接光纤耦合器的一个输出端口，光纤光栅振动传感器连接光纤耦合器的另一个输出端口。光信号解调模块之后依次串接电信号处理模块、数据采集卡和计算机。所述光纤耦合器为2×2的50:50光纤耦合器，电源发出的宽带光通过一个输入端口进入耦合器，通过两个输出端口传出，当输出端口有反射光返回时，将通过输入端口传出，在另一个输入端口接收；所述光纤光栅冲击力锤，其敏感部分为内部的一个光纤光栅应变传感器，传感器封装在锤头内部，能感受锤头的冲击产生的快速应变，反映力锤的输入激励信号。ASE宽带激光光源发出的宽带光由输入端口进入光纤耦合器中，通过两个输出端口以1:1的分光比分别输出给光纤光栅冲击力锤中的光纤光栅应变传感器和光纤光栅振动传感器。光纤光栅应变传感器和光纤光栅振动传感器中符合耦合模理论的特定中心波长的光会通过光纤返回光纤耦合器，通过输出端口输出，此返回光为窄带光。返回光通过光信号解调模块和电信号处理单元处理后，光波长信息将被数据采集卡实时记录和存储。反射光的波长会随着结构振动频率和幅值的变化而改变。当被测对象在光纤光栅冲击力锤的激励下发生振动时，光纤光栅应变传感器将感受锤头的振动产生的快速应变，表征输入信号，光纤光栅振动传感器将采集参考点的响应作为输出信号。被测对象振动信息最终将以波长数据的形式被完整地保存在计算机中。其中，光纤光栅冲击力锤由内部封装的光纤光栅应变传感器作为敏感部分，为了适应不同尺寸、不同类型的测试对象，冲击力锤可以更换不同材质和不同重量的锤头。本专利技术还提供一种基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析方法，该方法步骤如下：步骤1：给待测对象结构进行测点划分并编号。根据需要设置结构测点的疏密，系统识别阶次较高的，测点应设置得更密；步骤2：给对象结构选取参考点并安装传感器。将一个光纤光栅振动传感器布置参考点，光纤光栅振动传感器由亚克力块封装，使用时在亚克力块底部涂抹凡士林后粘贴，按压亚克力块使其粘贴牢固；步骤3：搭建基于光纤传感网络的运行模态分析系统。ASE宽带激光光源连接光纤耦合器的一个输入端口，光信号解调模块连接光纤耦合器的另一个输入端口。光纤光栅冲击力锤中的光纤光栅应变传感器连接光纤耦合器的一个输出端口，光纤光栅振动传感器连接光纤耦合器的另一个输出端口。光信号解调模块之后依次串接电信号处理模块、数据采集卡和计算机；步骤4：选择适合待测对象的冲击力锤锤头材质。锤头选择的标准是应能够激励出待测对象的全部频率响应；步骤5：测试系统功能及运行情况。调整系统光路直至计算机中的波长显示软件全部正常显示，保存一段测试数据并查看，检查计算机是否能正常保存数据；步骤6：实施激励并采集和保存数据。将计算机中数据采集软件设置为保存，用光纤光栅冲击力锤按照测点编号顺序逐点敲击测试对象结构测点，每个测点敲击两次，实时查看软件界面中光纤光栅应变传感器对应的激励信号和光纤光栅振动传感器对应的响应信号的波形，如波形异常，应该重新采集该点信号；步骤7：数据处理及分析。经过滤波和噪声去除等预处理，通过于计算机中的模态参数识别算法程序，识别频率、阻尼比和模态振型等模态参数。本专利技术与现有技术相比的优点在于：传统的模态分析技术以电传感器为主，由于电传感器易受电磁干扰，导致其使用场合受限，很难适应极端环境，同时电传感器附加重量较大，其检测稳定性和精度都难以满足越来越广泛的实际检测需要。本专利技术将光纤光栅传感技术应用于试验模态分析，设计了一种基于光纤光栅的单输入单输出模态分析系统和方法，能够准确检测被测对象振动状态并进行模态参数识别，实现结构振动分析。系统结构简单，抗电磁干扰能力强，计算速度快，测量结果准确、精度高，灵活性好。附图说明图1是基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统图；图中附图标记含义为：1、放大自发辐射(ASE)宽带激光光源；2、光纤耦合器；3、光纤光栅应变传感器；4、光纤光栅振动传感器；5、光纤光栅冲击力锤；6、光信号解调模块；7、电信号处理单元；8、数据采集卡；9、计算机。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本专利技术。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。基于光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统，如图1所示，放大自发辐射(ASE)宽带激光光源1、光纤耦合器2、光纤光栅应变传感器3、光纤光栅振动传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统，其特征在于，该系统包括：放大自发辐射(ASE)宽带激光光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤光栅应变传感器(3)、光纤光栅振动传感器(4)、光纤光栅冲击力锤(5)、光信号解调模块(6)、电信号处理模块(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)；ASE宽带激光光源(1)连接光纤耦合器(2)的一个输入端口，光信号解调模块(6)连接光纤耦合器(2)的另一个输入端口，光纤光栅应变传感器(3)连接光纤耦合器(2)的一个输出端口，光纤光栅振动传感器连接光纤耦合器(2)的另一个输出端口，光信号解调模块(6)之后依次串接电信号处理模块(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)；所述光纤耦合器(2)为2×2的50:50光纤耦合器，电源发出的宽带光通过一个输入端口进入耦合器，通过两个输出端口传出，当输出端口有反射光返回时，将通过输入端口传出，在另一个输入端口接收；所述光纤光栅冲击力锤(5)，其敏感部分为内部的一个光纤光栅应变传感器(3)，传感器封装在锤头内部，能感受锤头的冲击产生的快速应变，反映力锤的输入激励信号；ASE宽带激光光源(1)发出的宽带光由输入端口进入光纤耦合器(2)中，通过两个输出端口以1:1的分光比分别输出给光纤光栅冲击力锤(5)中的光纤光栅应变传感器(3)和光纤光栅振动传感器(4)，光纤光栅应变传感器(3)和光纤光栅振动传感器(4)中符合耦合模理论的特定中心波长的光会通过光纤返回光纤耦合器(2)，通过输出端口输出，此返回光为窄带光，返回光通过光信号解调模块(6)和电信号处理单元(7)处理后，光波长信息将被数据采集卡(8)实时记录和存储。反射光的波长会随着结构振动频率和幅值的变化而改变。当被测对象在光纤光栅冲击力锤的激励下发生振动时，光纤光栅应变传感器(3)将感受锤头的振动产生的快速应变，表征输入信号，光纤光栅振动传感器(4)将采集参考点的响应作为输出信号，被测对象振动信息最终将以波长数据的形式被完整地保存在计算机(9)中。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅的单输入单输出试验模态分析系统，其特征在于，该系统包括：放大自发辐射(ASE)宽带激光光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤光栅应变传感器(3)、光纤光栅振动传感器(4)、光纤光栅冲击力锤(5)、光信号解调模块(6)、电信号处理模块(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)；ASE宽带激光光源(1)连接光纤耦合器(2)的一个输入端口，光信号解调模块(6)连接光纤耦合器(2)的另一个输入端口，光纤光栅应变传感器(3)连接光纤耦合器(2)的一个输出端口，光纤光栅振动传感器连接光纤耦合器(2)的另一个输出端口，光信号解调模块(6)之后依次串接电信号处理模块(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)；所述光纤耦合器(2)为2×2的50:50光纤耦合器，电源发出的宽带光通过一个输入端口进入耦合器，通过两个输出端口传出，当输出端口有反射光返回时，将通过输入端口传出，在另一个输入端口接收；所述光纤光栅冲击力锤(5)，其敏感部分为内部的一个光纤光栅应变传感器(3)，传感器封装在锤头内部，能感受锤头的冲击产生的快速应变，反映力锤的输入激励信号；ASE宽带激光光源(1)发出的宽带光由输入端口进入光纤耦合器(2)中，通过两个输出端口以1:1的分光比分别输出给光纤光栅冲击力锤(5)中的光纤光栅应变传感器(3)和光纤光栅振动传感器(4)，光纤光栅应变传感器(3)和光纤光栅振动传感器(4)中符合耦合模理论的特定中心波长的光会通过光纤返回光纤耦合器(2)，通过输出端口输出，此返回光为窄带光，返回光通过光信号解调模块(6)和电信号处理单元(7)处理后，光波长信息将被数据采集卡(8)实时记录和存储。反射光的波长会随着结构振动频率和幅值的变化而改变。当被测对象在光纤光栅冲击力锤的激励下发生振动时，光纤光栅应变传感器(3)将感受锤头的振动产生的快速应变，表征输入信号，光纤光栅振动传感器(4)将采集参考点的响应作为输出信号，被测对象振动信息最终将以波长数据的形式被完整地保存在计算机...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏鹏，朱超杰，李成贵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11