[发明专利]基于动态自适应粒子群算法的光纤光栅应变分布重构方法

说明书

本发明提供了一种能够更加准确的重构非均匀应变的基于动态自适应粒子群算法的光纤光栅应变分布重构方法，它包括如下步骤：第一步，构建测量应变分布的传感器装置，用于采集应变分布的原始信号；所述的传感器装置中包含有两条并排在一起的光纤光栅；其中一条光纤光栅为均匀光纤光栅；另一条光纤光栅为啁啾光纤光栅；第二步，将传感器装置安装于需要测量应变的被测物体上；第三步，将检测用光源分别射入到第一步中两条光纤光栅内，然后通过光谱仪实时获取两条光纤光栅所对应的反射光谱；第四步，利用动态自适应粒子群算法将第三步中的反射光谱进行应变分布重构，并通过计算机显示结果。

技术领域

本发明涉及一种运用于光纤光栅应变传感器上的应变分布重构方法，具体是指一种基于动态自适应粒子群算法的光纤光栅应变分布重构方法。

背景技术

光纤光栅是近几十年来迅速发展起来的微型光学元件，光纤传感技术则是光纤光栅一个新的应用研究领域，光纤光栅可以被制作成测量应力、应变和温度等参量的传感器。这种新型的传感器具有良好的稳定性、可靠性、对电磁波的不敏感性，及小尺寸、适于在高温、腐蚀性或危险性环境使用，集信息传输与传感于一体等一系列优点，在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中有着非常广泛的应用。尤其是光纤布拉格光栅(英文译文为：Fiber Bragg Grating，以下简称为：FBG)成为近几年新兴的一种光纤无源器件。FBG兼有温敏和压敏特性，布拉格波长与其温度及施加在其上的应力可呈现出良好的线性关系，基于此可通过测量前后布拉格波长的偏移，有效识别出光栅区域被测物理量的大小。FBG对波长可实现绝对编码，且可在一根光纤中写入多个光栅，形成FBG串，从而实现对结构的多点、多参数监测。目前FBG传感器与神经网络、遗传算法等反问题解法相结合，已广泛应用于应变等特性的监测，可进行被测参量高精度的绝对测量，从而方便地实现参量的分布式传感。

FBG与外界应变参量良好的线性关系使其在对应变测量中表现出色。但是，实际测量中仍存在一些难题需要解决。例如，由于FBG传感器是波长绝对编码，并不受光强扰动的影响，即认为应变沿光栅轴向均匀分布，这种情况下使用FBG进行测量的效果较佳，而这主要是由于光纤光栅长度远远小于被测对象，因而忽略了光纤光栅上的应变分布不均匀的问题。主要被用于监测桥梁、水坝、高楼、油罐群等大型建筑的应变分布。然而，如果采用光纤光栅测量微型机械梁、杆、轴等的应变分布时，由于实际测量往往不是等强度的，均匀光纤光栅轴向受到的应变分布便不同，即应变沿光栅轴向非均匀分布，便会产生啁啾现象，此时采用均匀FBG作为传感元件进行测量就存在很大的局限性，甚至产生测量错误。

实验研究表明，对于FBG传感器，当其尺寸远小于被检测物时，在FBG长度范围内应变变化很小，光谱形状几乎不变，此时检测最大反射率的波长的偏移即可确定应变的大小；而当FBG的尺寸相对检测物尺寸不可忽略时，FBG所在区域受到高次应变和非线性周期应变分布作用时，光栅反射光谱可能会被扭曲甚至出现多峰，而对变形扭曲或者多峰的反射光谱利用上述布拉格波长和应变呈线性关系的性质则不能有效识别或测量光栅传感区域的应变分布情况。实验验证若再通过检测最大反射率的波长偏移来进行应变就会造成测量错误。若采用均匀FBG作为传感元件测量非均匀应变，仅限于被测物理量单调分布或以某种确定规律分布的情况，这种非均匀性改变了光栅反射谱的强度和相位，通过分析反射光谱确定变化后的布拉格波长，然后比较变化前后的波长量——即波长漂移，根据波长漂移与外界扰动的函数关系确定扰动的分布，这种应用非常有限。

针对上述问题，现有技术中也有提出一些解决方案，比如专利申请号为：申请号201510180413.7，名称为：一种利用群算法的FBG非均匀应变重构方法的发明专利，就提出了一种采用FBG来重构非均匀应变的方法，该方法使用传输矩阵法对非均匀应变分布下的反射光谱进行模拟，但只采用FBG进行测量，对非单调分布的应变重构难以适用，使用场合受限。

综上所述，目前缺少一种能够更加准确的重构非均匀应变的基于算法的光纤光栅应变分布重构方法。

发明内容