论文总字数：25126字

摘 要

本课题主要研究布拉格光纤光栅测量技术在复合材料中对于冲击信号的监测与定位，主要使用光纤光栅传感解调仪来进行冲击信号的监测与定位，并且对光纤信号进行采集，预处理与分析。本文主要介绍了课题背景及意义，在航天航空领域冲击荷载对于飞行器的损伤是致命的，针对这一问题本文采用了一种测量手段进行冲击载荷的定位并进行了验证。光纤测量是一类近年来发展起来的新型测量方式，与传统的应变片等电测手段相比，光纤测量具有测量频带宽、信号抗干扰能力强的优点，在复杂工程问题的测量中具有很好的应用前景。介绍了光纤光栅传感器，以光纤布拉格光栅（FBG）为传感网络，提出了峰值特征值法和测试冲击能量法，利用光纤传感器对复合材料板、铝板进行低速冲击定位的实时监测，将方法进行对比以此来减少定位误差。制作了台铝板冲击装置，介绍了实验装置结构以及步骤。利用matlab程序对测出的数据进行提取并分析。利用仪器对光纤进行粘合。最后对本课题进行了总结和展望。

关键词：冲击定位 光纤传感器 冲击锤 复合材料板 铝板

Signal Detection and Location Based on The Fiber Measurements

Abstract

The main topic Fiber Bragg Grating measurement technology in composites for impact monitoring and positioning signal, the main use of fiber grating sensor demodulation devices to monitor the impact of the signal and positioning, and the fiber optic signal acquisition, preprocessing and analysis .This article mainly introduced the project background and significance , This article is for the impact load in the aerospace field for aircraft damage is fatal, requires the use of a measuring means for positioning the impact load. Measurement is a new type of optical fiber measurement developed in recent years, compared with the conventional means of measuring strain gauges and other electrical, optical measurements with a measurement frequency bandwidth, strong signal interference capability advantages, with a very complex engineering problems in measuring the good application prospects. Meanwhile ,the optical fiber grating sensor. Based on the optical fiber network, proposed the method of peak eigenvalue method and impact energy meyhod. Using the optical fiber grating sensor, real-time monitoring the aluminum plate and composite material plate.Comparing these two methods, in order to reduce the error.

Create a piece of aluminum plate experiment device ,and introduce the experiment device ,the the experimental steps at the same time. Using Matlab to analyze the data.

Using instruments for optical fiber bonding. Finally, this paper summarizes and prospects.

Key words：Impact location optical fiber grating sensor The impact hammer

Aluminum plate Composite material plate

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 传统应变片所遇到的问题 1

1.1.3 光纤测量技术的优点 2

1.2 光纤传感器发展现状 3

1.3 本文内容简介 3

第二章 光纤和光纤光栅传感器原理介绍 5

2.1 光纤构造及原理 5

2.2 光纤光栅传感器的简介 5

2.2.1 光纤光栅传感器的基本原理 5

2.2.2 光纤光栅传感器的应变原理 6

2.2.3 光纤光栅解调仪的简介 6

2.3 冲击定位的算法及原理 7

2.3.1 峰值特征值法定位 7

2.3.2 能量法定位 8

2.4 冲击的破坏机理 9

2.5 本章小结 10

三 实验介绍 11

3.1 实验装置的搭建 11

3.1.1 图纸简介 11

3.1.2 焊接光纤技术 16

3.1.3 实验软件的介绍 16

3.13 数据采集界面 17

3.2 具体实验步骤如下 18

3.3 matlab程序编写及简介 18

3.3.2峰值特征值主程序 18

3.3.3能量法程序 19

3.4 本章小结 22

第四章 数据分析与处理 23

4.1 定位结果 23

4.1.1 铝板结构的定位 23

4.1.2 复合材料结构的定位 27

4.2峰值特征值法与能量法对比 31

4.3误差分析 34

4.3.1误差的来源 34

4.3.2 实验的改进 34

4.4本章小结 34

第五章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 选题背景

碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、加工成型方便以及弹性优良等方面的优点，适合用于制造飞行器的制造，尤其是在无人驾驶飞行器方面。目前的市场调研显示，在近十年内，用于无人驾驶飞行器（UAV）的开销将会翻倍，从59亿美元增至113亿美元。这是因为无人驾驶飞行器可以用于尤其是超长耐力和高风险任务验收，而这些是载人飞行器很难做到的。从机身结构来看，修改设计的复合材料要求标准符合那些特点的。然而一些低速碰撞，鸟类撞击，闪电撞击，异常振动，噪声，动态响应和硬着陆等一些低速冲击会对复合材料造成损伤，这些碰撞特别是慢速碰撞会使无人飞机表层的复合材料壳层中的各项性能变差。有很多的观点和探究显示，碰撞处反面破坏度远大于于碰撞处的破坏程度，慢速碰撞特别容易产生飞无人飞机内部零件中无法看见的破坏，严重影响了飞行器飞行的安全。在很多时候，破坏强度检测需要首破坏点位置的差别，故发明一种时效、可视的冲击载荷检验系统法对于大型大型无人飞行器的安全结构十分重要。现在，为了挑战研究新材料的各项力学性能，需要定期无损检验，但这样却耗时耗力。为了解决这些难题，利用快速在线事件监视功能和全面的损伤诊断使用轻量级的内置传感器发展无人驾驶飞行器结构健康监测系统（SHM）迫在眉睫。

作为飞行器复合材料结构健康监测系统的感应工具，光纤光栅传感器的发展前景非常好。光纤光栅传感器在其轻重量、尺寸小、无电磁干扰、良好的疲劳性能等方面展现了它的优点。值得一提的是，光纤光栅（FBG）传感器被广泛使用因为其可以轻易的被多路复用来测量应变和温度。另外一些飞行测试显示(FBG)也很适用。一些研究也着力于监控影响因为影响危害也是飞行器复合材料中的重要因素之一。研究表明，小直径FBG传感器嵌入机身复合材料中可以被应用于通过动态应变的影响测量来获取位置。

在某些国家例如韩国的飞行器研究所取得了一些初步研究成果，这个研究所致力于无人飞行器复合材料的研究。作为一个对此类问题的初步研究，他们提出了一个关于检测低速冲击影响事件的基本观点。这些监测概念包括三个步骤。第一步，结构的应变监测信号可以用光纤光栅传感器来测量。第二步，这些冲击点可以用捕获的信号来定位。最后一步，冲击应变信号可以利用记录下的信号和显示的冲击点来重建。这种方法可以用一种四角塑料盘固定碳纤维（即复合材料）的测试来验证。而光纤传感器可以被拿来应用到捕获这种信号。这些冲击力可以用测试落锤冲击试验机来记录。关于设计点一系列的冲击实验已经被实施，并且捕获信号可以用于神经网络训练。另外，未知的冲击事件的定位备用用来估计记录FBG信号和神经网络程序。一些冲击力也用于重建，并且与测量出的进行比较。重建的力被计算用于光纤传感器数据和冲击函数。综上，光纤传感器以其特殊的工作特点，受到到了很多研究者的青睐，关于它的研究会越来越多，本文即通过一些简单的实验来验证其某些工作特点。

1.1.2 传统应变片所遇到的问题

电阻应变片测量技术作为现阶段一种成熟的完善的应变测量技术，它既有优点也有缺点。它的优点具有三个方面：第一，该技术对外界环境要求低，例如在高速、高压、低(高)温、化学腐蚀、强烈振动及强磁场等恶劣条件下都能正常工作;第二，测量的范围广、精确度高，频率响应特性好等等；第三，电阻应变片的价格便宜，品种试样多。但它也存在以下缺点:

图1.1 应变片电测法图示

（1）应变片存在零漂，不能长时间使用

应变片存在零漂，通常应变片的稳定性是采用应变片的零漂这一指标来衡量，即应变片的零漂决定了应变片的工作时间。其零漂是指在不受力和温度不发生变化的情况下，应变片会随着时间的变化而产生变化。这样的话就对应变片的使用寿命造成了严重损耗。

（2）无记忆性，每次进行测量前必须需要调零

应变片是没有记忆性的，它每次的测量结果都是一个相对变化值。因此在每次测量前，都需要对一起进行调零工作。另外仪器工作在较为复杂的情况下，如果遇到突然的断电问题，会导致测量过程的中断，随后通电后再进行测量将会影响测量结果。

（3）容易受到电磁的干扰，抗干扰能力差

由于应变片构成惠斯通电桥后，外界强电磁会对惠斯通电桥的电量产生干扰，影响测量结果。

（4）防水性较差

应变片进水后会产生电解反应，导致电阻阻值发生改变，电桥的输出就会出现不准。因此电阻应变测量技术不适合在水下工作，并且平时应变片的保存还需要考虑它的防水问题，尽可能将它放在干燥的环境，用防水袋保护。

（5）进行多个测点的测量比较复杂

从图1.1可看出电阻应变片电测法的构成比较复杂。当测量大尺寸模型结构时，一般需要多点测量，有时甚至还需要测量上百多个测点，这样线路的连接就会十分的复杂。此外，应变片容易破坏流场特性，若研究测量某结构在流场中的特性时，会给测量的结构带来很严重的影响。

因此从上文所述的缺点来看，电阻应变片电测技术不能长期进行监测。故采用电阻应变电测量技术来对冲击信号进行检测与定位不是一个最优的方法。

1.1.3 光纤测量技术的优点

布布拉格光纤光栅传感器英译为Fiber Bragg Grating，简称FBG，它是近期研发出来的一种可对某一结构进行应变监测的传感器。它与上文中1.1.2节的传统电阻应变电测量技术相比较，通过光传输和传感技术是布拉格光纤光栅技术最显著的特点。

与电阻应变片技术相比较，它还具有下列独特的优点:

（1）光纤光栅传感器具有记忆性，每次测量前无需调零；

（2）可以进行多点测量；

（3）抗电磁干扰能力强，防水性能好；

（4）光纤体积小，可植入结构材料内部。

布拉格光纤光栅技术的发展使传统的应变测试技术由电测法转为光测法。布拉格光纤光栅抗电磁干扰能力强，体积小等特点使得对于结构多点测量更加简单方便。目前，布拉格光纤光栅传感监测系统主要应用于以下领域：

航空航天领域中飞行器损伤的监测与定位；

土木工程中桥梁，涵洞，大坝等建筑物结构进行长期的健康监测；

航海方面对舰船以及交通车辆结构完好状态的持续监测；

深海油井油压测量以及石油平台提升装置的监测。

1.2 光纤传感器发展现状

国外的光纤传感器的产品技术性能好，具有很多优良特点，如精度高、测量范围宽，小型化、系列化、标准化，可靠性高、稳定性好，品种多、更新换代快，产品的集成化、多功能化、智能化程度高。国外对光纤传感器的研究开始于20世纪1970年后。美国对于光纤传感器的研究开始的最早，投资的最大，且技术的水平最高。1990年以后，美国军方科研机构所制作的陀螺形状的光纤，它的移动率为0.005°/h，惯性制导装置水平仪的转角速度极限的数值是4.9×10－7rad/s，现在惯性导向的高性能精密FOG（漂移率为0.002°/h）已进入民用化。国外光纤陀螺在运载、卫星、航空、导弹、航海等领域已得到了普遍应用，其中，德国制造的陀螺型光纤的研发技术和产量是世界第二，次于美国。同时，国外制造的陀螺型光纤在长寿命和高精度方面水平较高，其零偏稳定性已达约0.0004°/h，寿命达到16年。经过近20多年的发展，我国光纤陀螺技术也取得了新的突破，目前在运载、卫星、导弹等领域得到了广泛应用。美国、英国等国家在光纤水听器方面有较深入的研究，并已装备了光纤水听器及其声纳系统。德国汉堡公司研发的微软管水用光纤听测器的的压力零界值达到5×10－7Pa，可以用它来测量潜艇附近的噪音的大小，这在军事中如发现潜艇的战术上是十分重要的。我国光纤水听器及其声纳系统也取得了突破，目前正在进行海试。上世纪九十年代初，德国海军发现了其记忆结构的价值所在，并开发了很多关于记忆光纤材料的项目以及这方面的人才引进，来确保这些项目的可行性。这些智能结构包括光纤智能机翼计划、光纤智能蒙皮计划等。美国政府尤其军方的工业部门十分重视光纤光栅技术的研究与开展，早在1980年的时候，就由该部门为首组建了一个研究该项目的研究协会。这个协会主要是用来研究在高压状态下光纤电流的工作情况，伦敦大学研制的光纤陀螺仪、水听器，佐治亚理工大学对于研究此类的传感器在行业内是很有名的。此外，日本、英国、法国、意大利等国家也先后开展了光纤传感器的研究工作。

如今，光纤传感器的研究时间立在光纤传导技术日趋成熟的基础上，正在向着多功能化、小型化、集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。其中，光纤陀螺仪和水听器是最近几年各国军方研究的热点。智能材料的研究和开发也为光纤传感器的发展提供了广阔的发展空间，使得光纤传感器向多功能化、模糊识别等方向的发展正在成为可能，FBG现在已经从原始的简单判断能力发展到了自主学习的能力的功能上，最后发展到具有一定的创新创造能力。目前在国内外传感器领域中的研究热点之一就是光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干涉型。光强型传感器也有很明显的缺陷，例如其不稳定的光强，而且特别容易损耗并且在探测过程中容易发生老化等一些问题；并且，干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，因此需要将其参考点进行固定所以导致在实际应用中并不是很实用。21实际初期开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器完全能避免出现上面两种情况，原因是其传感信号为波长调制、复用能力强。在检查建筑威海、检查破坏控制变形和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在能源动力学、航空航天、电器工程和化学传感中有着很广泛的应用。

1.3 本文内容简介

本课题研究内容是在铝板和复合材料板装置上进行冲击，利用板表面粘贴好的光纤光栅传感器进行监测和采集数据，然后对采集的数据进行处理、分析，最终得到预测冲击信号的位置。本课题主要从以下方面来准备和进行课题研究：

1. 研究并介绍本课题的背景及意义，对比传统传感器和布拉格光栅光纤传感器的优缺点，以及光纤传感器的发展现状。
2. 介绍了光纤光栅的工作原理，以及光纤的工作原理。使用了能量法和峰值特征值法，将两者分析的实验数据进行比较，以此来较小实验误差。并具体讲述了这两种方法的过程。
3. 介绍了实验装置、实验步骤、后期分析等，罗列出使用到的matlab程序代码。
4. 本课题对采集的数据进行处理，分别得出铝板和复合材料板采用能量法定位出来的结果，并且使用铝板材料进行实验，对能量法和峰值特征值法两种方法得出的结果进行了对比。本文还对实验产生的误差进行了分析，得出误差原因并提出改进方法。

第二章 光纤和光纤光栅传感器原理介绍

介绍了布拉格光栅光纤传感器的特点、构造及原理。然后还介绍了冲击定位的算法和原理，这样才能更好地理解本课题的目的及原理。

2.1 光纤构造及原理

光纤属于光波的传输媒质，其特性应用广泛。光纤的主要特性包括它的光学特性、传输特性以及其结构特性。它的光学特性有数值孔径以及折射率分布等，传输特性是指其损耗及带宽特性，结构特性主要是指其几何尺寸等。

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