[发明专利]基于应变响应阈值计算的光纤传感器布局方法

权利要求书

1.一种基于应变响应阈值计算的光纤传感器布局方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：计算光纤传感器所在四边固支板相对位置

以边长为l四边固支方形板为正方形应变监测区域OABC，其中点O位于左下角，点O、A、B、C为逆时针方向排序的正方形板各顶点；建立一个二维直角坐标系，选定正方形板顶点O为坐标原点，定义X轴平行于OA方向，Y轴平行于OC方向；板面上分布着m列×n行光纤传感器，对于某个沿X轴方向粘贴的光纤传感器ij，其位置坐标为(x_i,y_j)，其中i∈(1,2,…,m)，j∈(1,2,…,n)；计算该光纤传感器粘贴位置在四边固支板中的相对位置，计算表达式为：

式中a_i和b_j分别表示传感器在四边固支板中横向和竖向的相对位置；

步骤二：依据应变阈值选择对应的传感器监测范围方程

静载作用下四边固支板加载点附近应变梯度大，将附近位置上应变与加载位置应变的比值记为应变阈值，大小为0～1之间；针对实际工程应用中，需要应变监测较精准的场合，选择较大应变阈值对应的传感器监测范围方程，应变监测精准度较低的场合，选择较小应变阈值对应的传感器监测范围方程；根据有限元仿真分析结果可知，X轴向和Y轴向的传感器监测范围曲线均呈现抛物线形式，且不同应变阈值对应不同的方程系数，方程的系数可以通过有限元仿真分析结果处理可得；因此设传感器监测范围方程公式为：

式中，S_上为传感器监测范围上限，即传感器X或Y向上计算所得监测范围较大值，S_下为传感器监测范围下限，即传感器X或Y向上计算所得监测范围较小值，x为自变量；对于光纤传感器X轴向监测范围计算，根据所选应变阈值，选择对应的方程系数p₁、p₂、p₃和q₁、q₂、q₃，将横向相对位置a_i带入x进行计算；对于光纤传感器Y轴向监测范围计算，根据所选应变阈值，选择对应的方程系数p₁'、p'₂、p'₃和q₁'、q'₂、q'₃，将竖向相对位置b_j带入x进行计算；X、Y不同方向，不同应变阈值都有对应不同的传感器监测范围方程，带入后的公式为：

式中，S_上和S_下为光纤传感器X轴向监测范围上限和下限，S'_上和S'_下为光纤传感器Y轴向监测范围上限和下限；

步骤三：计算不同光纤传感器在X方向上的监测范围，并进行判定是否合理

对于X方向上各传感器监测范围所覆盖范围，相邻三个光纤传感器分别为i-1、i和i+1，将X方向各传感器相对位置a_i-1、a_i和a_i+1带入传感器监测范围公式；得到各自对应的传感器监测范围为，S_i-1上和S_i-1下，S_i上和S_i下，S_i+1上和S_i+1下；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S_i-1上＝S_i下，S_i上＝S_i+1下 (5)

表明这三个光纤传感器X方向上监测范围刚好相交，此时这三个传感器布局间距最为合理；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S_i-1上S_i下，S_i上S_i+1下，S_i-1上S_i+1下 (6)

表明这三个光纤传感器X方向上相邻两个传感器监测存在交集，i-1和i+1两个传感器对应监测范围之间不存在交集，这种情况说明三个传感器布局相对合理，没有存在布置间距过密的情况；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S_i-1上S_i下，S_i上S_i+1下，S_i-1上≥S_i+1下 (7)

表明这三个光纤传感器X方向上监测范围两两之间存在交集，这种情况说明三个传感器布局过密；

如果对于这相邻的三个传感器满足下面三种情况一种的：

表明这三个光纤传感器X方向上监测范围，存在没有相交的部分，即监测盲区，因此这些情况说明这三个传感器的布局不合理，存在监测盲区，需要重新布局；

步骤四：计算不同光纤传感器在Y方向上的监测范围，并进行判定是否合理

对于Y方向上各传感器监测范围所覆盖范围，相邻三个光纤传感器分别为j-1、j和j+1，将Y方向各传感器相对位置b_j-1、b_j和b_j+1带入传感器监测范围公式；得到各自对应的传感器监测范围为，S'_j-1上和S'_j-1下，S'_j上和S'_j下，S'_j+1上和S'_j+1下；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S'_j-1上＝S'_j下，S'_j上＝S'_j+1下 (9)

表明这三个光纤传感器Y方向上监测范围刚好相交，此时这三个传感器布局间距最为合理；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S'_j-1上S'_j下，S'_j上S'_j+1下，S'_j-1上S'_j+1下 (10)

表明这三个光纤传感器Y方向上相邻两个传感器监测存在交集，i-1和i+1两个传感器对应监测范围之间不存在交集，这种情况说明三个传感器布局相对合理，没有存在布置间距过密的情况；

如果对于这相邻的三个传感器满足：

S'_j-1上S'_j下，S'_j上S'_j+1下，S'_j-1上≥S'_j+1下 (11)

表明这三个光纤传感器Y方向上监测范围两两之间存在交集，这种情况说明三个传感器布局过密；

如果对于这相邻的三个传感器满足下面三种情况一种的：

表明这三个光纤传感器Y方向上监测范围，存在没有相交的部分，即监测盲区，因此这些情况说明这三个传感器的布局不合理，存在监测盲区，需要重新布局；

步骤五：结合步骤三、步骤四确定所有光纤传感器的布局密度是否合理

对于布置在结构表面的所有光纤传感器，通过步骤三和步骤四可以求得所有光纤传感器两个方向上的监测范围，以及相邻传感器之间布局密度的合理性；如果所有传感器在两个方向上，均不呈现布局过密或者存在监测盲区的情况，那么说明此种传感器布局方法合理，能满足四边固支壁板结构表面应变监测需求，且所使用的传感器数量较少。