[发明专利]基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质

权利要求书

1.一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法，其特征在于，包括：

确定待分析结构的制作材料的材料参数；

根据所述材料参数建立有限元仿真模型，基于所述有限元仿真模型模拟裂纹扩展情况，并获取光纤布拉格光栅传感器检测的裂纹扩展至不同长度下的结构应变数据；

采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱；

提取所述反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，所述损伤敏感特征值用于表示裂纹长度，所述基准信号用于表示无扩展裂纹；

将所述损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，并基于所述裂纹长度回归模型诊断裂纹；

所述采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱，包括：

设定均匀光栅的长度为L，在计算非均匀应变作用下的光纤布拉格光栅反射谱时，将非均匀光栅均匀地分成N小段，N为正整数，同时满足λ_B为中心波长，表达式满足如下关系式：

λ_B＝2n_effΛ；

式中，Λ为光栅折射率变化周期，n_eff为有效折射率；

将所述N小段中每一段的平均周期视为该段的等效周期，每一段的折射率视为该段的等效折射率；

将每段的参数代入耦合方程进行迭代计算，计算光纤布拉格光栅反射谱的过程如下：

Λ_i＝Λ₀(1+aε_zz)；

式中，Λ₀为初始光栅周期，ε_zz为第i段的轴向平均应变，a为光栅应变系数，表达式为：

式中，n_eff0为FBG自由状态下的平均有效折射率，ν为调制深度，p₁₁和p₁₂分别为有效光学应力张量分量，基于模态耦合理论，设定每个光栅段的光学传递矩阵产生一个2×2的T矩阵T_i如下：

式中，R_i和S_i是第i段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅，T_i表达式满足以下关系：

式中，Δz为光栅段的长度，γ为中间计算参数，和κ分别是第i段的直流自耦合系数及交流自耦合系数，表达式分别为：

式中，π为常数，δn_eff为折射率变化在光栅周期上的均值，定义γ为迭代计算得到所有光栅段的T矩阵T＝T_NT_N-1T_N-2…T₂T₁后，得到：

式中，R₀、S₀是首段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅，R_L、S_L为末段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅；

计算出每个波长对应的FBG的反射率r如下：

式中，ρ为光纤布拉格光栅的反射系数，T₂₁与T₁₁是计算反射率r的中间计算结果，分别表示T矩阵中的第2行第1个数和第1行第1个数；

通过迭代计算得到整个波长区间内的光纤布拉格光栅反射谱，并计算出不同裂纹长度下对应的光纤布拉格光栅反射谱，得到整个裂纹扩展过程的反射谱。