[发明专利]基于信号频带能量的薄壁柔性臂结构光纤冲击物辨识方法

说明书

本发明公开一种基于信号频带能量的薄壁柔性臂结构光纤冲击物辨识方法，属于结构健康监测技术领域。包括以下步骤，步骤一：薄壁复合材料柔性臂结构光纤Bragg光栅传感器网络布置；步骤二：采集薄壁复合材料柔性臂结构在不同类型冲击物冲击作用下的FBG传感器响应信号；步骤三：通过小波分解技术去除FBG传感器响应信号中的基线干扰，并重构冲击响应信号；步骤四：对重构的冲击响应信号进行小波包变换，得到信号频带能量分布；步骤五：计算样本冲击点频带能量特征量比例参数，构建特征量样本库；步骤六：以测试点频带能量特征量与样本库欧式距离误差值最小为准则，确定冲击物类型。

技术领域

本发明属于结构健康监测的载荷监测技术领域，具体提出了一种基于信号频带能量的薄壁柔性臂结构光纤冲击物辨识方法。

背景技术

复合材料结构由于比强度、比刚度较大，耐疲劳性能和耐久性较好，已被广泛应用于航空航天领域。复合材料柔性臂结构以其具有质量轻、收展重复性精度高、收展原理简单等优点广泛应用于平面阵面支撑框架、柔性探测臂等航空航天器中。但是复合材料柔性臂结构在服役过程中，易受诸如鸟撞、空间碎片、跑道飞石等外界物体冲击，从而对结构造成损伤。冲击对于复合材料柔性臂结构造成的损伤通常具有突发性，特别是一些能量较小的低速冲击，虽然在物体表面未留下痕迹，但会导致复合材料结构内部出现微裂纹、分层以及纤维断裂等目视不可检损伤形式，这将导致其抗拉、抗压强度等关键力学性能指标显著下降。因此，为了节约检修成本和提高维修效率，需要对冲击物类型进行识别，根据冲击物类型采取应对措施，避免事故的产生。

然而，目前国内冲击物识别研究基本处于空白状态，并未提出真实有效的冲击物识别方法，也未在复合材料柔性臂结构上进行试验验证。基于上述分析，本发明提出一种基于信号频带能量的薄壁柔性臂结构光纤冲击物辨识方法，通过利用FBG传感器测量薄壁复合材料柔性臂结构在不同类型冲击物冲击作用下的 FBG传感器响应信号，提取频带能量特征量并构建样本库，结合相应算法实现冲击物类型的辨识。本发明适用于薄壁柔性臂结构的健康监测领域，能够有效辨识不同冲击物的类型和冲击点位置。

发明内容

发明目的：针对薄壁柔性臂结构冲击物辨识方法的空白，本发明提供一种用于复合材料柔性臂结构的冲击物辨识方法。该方法采用FBG传感器传感器网络感知结构中不同位置的冲击载荷响应信号，提取频带能量特征量并构建样本库，结合相应算法实现冲击物类型的辨识和冲击点位置。

技术方案：为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

步骤一：薄壁复合材料柔性臂结构FBG传感器网络布置

薄壁复合材料柔性臂结构由上下对称的两部分组成，在单端固支的薄壁复合材料柔性臂结构上表面中心部位选择一个监测区域，监测区域按平面展开后为一矩形区域；以结构伸展向为X方向，弧向展开后为Y方向，建立坐标系；在监测区域两端分别等间距布置平行于结构伸展方向的一列FBG传感器，每列各有 N个传感器(4N16)，靠近固支端的FBG传感器为第一列，靠近自由端的FBG 传感器为第二列。每列FBG传感器之间采用波分复用的布局形式，而不同列之间采用空分复用的布局形式，将这些FBG传感器粘贴于试件结构的上表面，以此构成分布式传感器网络。

步骤二：采集薄壁复合材料柔性臂结构在不同类型冲击物冲击作用下的FBG 传感器响应信号

在距两端FBG传感器50mm安全距离的监测区域内，均匀划分若干行平行于X方向的直线，均匀划分若干列平行于Y方向的直线，X、Y方向直线的交点共构成Q个样本冲击点。采用PCB冲击力锤在薄壁复合材料柔性臂结构表面的Q个样本冲击点处分别施加冲击载荷，通过更换不同弹性模量的冲击物锤头，实现不同冲击物冲击薄壁复合材料柔性臂结构的场景；并分别记录在不同冲击物作用于不同样本冲击点的各FBG传感器的冲击响应信号。

步骤三：通过小波分解技术去除FBG传感器响应信号中的基线干扰，并重构冲击响应信号