基于FBG传感网络的复杂面形应变场检测系统研究
发布时间：2020-12-13 15:25
光纤布拉格光栅具有体积小、抗干扰能力强、灵敏度高、易组网等优点,被广泛应用于建筑、交通、电力等领域。在飞行器、弹体等大尺寸工件的高精度面形测量与装配过程中,由于受到自身重量、外界应力等因素导致的变形会使测量结果产生很大的误差。若不进行偏移量补偿,则会导致基准测量不准,进而影响装配质量。针对复杂面形应变场变化影响装配精度的问题,本文根据大尺寸复杂面形结构特点,从FBG传感器结构设计、FBG传感网络系统构建、应变-空间偏移量补偿算法设计以及上位机软件开发四个方面进行研究。（1）搭建光纤传感系统,依据大尺寸工件应变分布特性及测量需求完成了传感单元、解调模块等的选型。为了适用于复杂面形结构的应变场检测,基于耦合模理论设计了有效的FBG结构,根据复杂曲面结构特点设计FBG传感器封装方式。（2）提出了应变-空间偏移量补偿数学模型,建立复杂面形由于外界因素产生应变而导致变形时表面空间偏移量与FBG传感阵列检测到的应变之间关系,在装配过程中补偿空间偏移量,提高装配精度;最后研究了深度学习算法,优化所提出的应变-空间偏移量模型。（3）构建三维应变场检测系统,研究了FBG传感器优化配置方法,并对平面板壳结...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外光纤传感网络应用示例
第1章绪论3随着我国各方面科技能力的进步，光纤传感技术也在近十年稳步上升，相关器件的生产及配套技术的完善都取得了飞速发展。国内各高校在光纤光栅传感方面进行了深入的研究。如清华大学、武汉理工大学、中科院半导体所等单位在理论研究方面做出了重要贡献，在光纤光栅解调技术及光纤传感技术方面一直处于国内该领域的佼佼者[12]。a）b）c）图1.2国内光纤传感网络应用示例a）基于光纤传感的机翼盒监测b）FBG网络飞行器结构监测c）光纤传感机翼监控系统国内目前对复杂面形应变场的研究较少，研究方法多以视觉测量、三坐标测量方法为主。2010年，吴勇等人在无机材料工程及大型结构测量方面以光纤光栅为研究对象，对其传感解调技术做了深入研究[13]。2014年，张博明等人介绍了光纤传感在航天领域的应用，指出了亟待解决的问题并给出良好建议[14]。2014年，刘铁根等人研究了航空航天领域光纤传感技术的主要进展[15]。2015年，张合生等人将光纤光栅应用于柔性传感，提出了重构方法并且研究了太空柔性伸展机械臂的光纤光栅传感与重建方法[16]。2016年，肖海等在基于利用大长度的光纤光栅曲率传感器进行形状重建的方法上，对抛物、反正弦等形式下的理论曲线和实际曲线弧段中的曲率连续化方法进行了优化性研究，提出了三次样条曲率连续化方法[17]。2018年，张俊康等人通过对光纤传感技术的深入研究解决了变体变形机翼蒙皮形状的实时监测问题，并通过实验数据重构蒙皮三维形状[18]。2018年，曲道明等人分析了光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系以及基于曲率信息的插值曲面重构算法，建立了柔性蒙皮曲率标定实验系统，验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测的技术可行性，证明光纤传感方法在复杂面形应变测试及实时
第1章绪论5等方面均有应用。但其不仅光路复杂、测量周期长、制作工艺要求高，同电学测量法一样不能实现非接触式测量[25]。因此光弹性粘贴法常被用于实验室测量。如图1.4是光弹性粘贴方法的原理图。光源偏振片受力模型偏振片屏幕图1.4光弹性贴片法原理2）光纤测量法随着科技的发展光纤应变测量法逐渐成为光学测量法的趋势。光纤因其自身独有的特点可对结构表面或内部进行应变监测，物体产生变形时布设在物体上的光纤随之产生等量级变形，根据输出光变化测出物体应变[26]。光纤测量法解决了光弹性粘贴法无法测量物体内部应变的问题。3）光纤光栅测量法基于光纤测量法改进得到光纤光栅测量法，具有体积孝质量轻、抗电磁干扰等优点。光纤光栅的应变测量原理同传统光学测量法不同，测量原理同电阻应变片类似，常用布设方式同光纤测量法，根据物体表面或内部变形得到物体应变，物体应变变化与光纤光栅中心波长呈线性关系，从而实现应变的测量。2019年，ChunChan等人利用光学光栅传感网络测量金属丝的杨氏模量[27]。图1.5光纤光栅分布式测量光纤光栅具有良好的复用传感能力，在桥梁、大坝、航空航天等方面应用广泛，光纤光栅传感网络分布式应变测量系统框图如图1.5所示。光纤光栅应变传感器解调方法一般与光纤光栅解调仪连接使用，采用超高速的动态光纤光栅解调仪，可实现
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间柔性充气结构分布式光纤裂纹损伤监测方法[J]. 何弯弯,曾捷,夏裕彬,卢李,顾欣,张旭苹,陈浩远. 南京航空航天大学学报. 2019(03)
[2]基于卷积神经网络的结构损伤识别[J]. 李雪松,马宏伟,林逸洲. 振动与冲击. 2019(01)
[3]基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测[J]. 周玉敬,任明伟,刘刚,胡晓兰,范广宏,益小苏. 复合材料学报. 2019(10)
[4]变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究[J]. 张俊康,孙广开,李红,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2018(02)
[5]变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法[J]. 曲道明,孙广开,李红,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2018(01)
[6]基于新型FBG传感器的温度应变测试系统[J]. 刘智超,王建颖,杨进华,邹皓,李清瑶. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]卷积神经网络研究综述[J]. 周飞燕,金林鹏,董军. 计算机学报. 2017(06)
[8]基于卷积神经网络的目标检测研究综述[J]. 李旭冬,叶茂,李涛. 计算机应用研究. 2017(10)
[9]光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究[J]. 肖海,章亚男,沈林勇,钱晋武. 仪器仪表学报. 2016(05)
[10]缝隙搜救机器人镜体的形状重建和定位方法[J]. 邱亚,沈林勇,胡卫建,章亚男,李峰. 仪器仪表学报. 2015(12)
本文编号：2914762
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外光纤传感网络应用示例
第1章绪论3随着我国各方面科技能力的进步，光纤传感技术也在近十年稳步上升，相关器件的生产及配套技术的完善都取得了飞速发展。国内各高校在光纤光栅传感方面进行了深入的研究。如清华大学、武汉理工大学、中科院半导体所等单位在理论研究方面做出了重要贡献，在光纤光栅解调技术及光纤传感技术方面一直处于国内该领域的佼佼者[12]。a）b）c）图1.2国内光纤传感网络应用示例a）基于光纤传感的机翼盒监测b）FBG网络飞行器结构监测c）光纤传感机翼监控系统国内目前对复杂面形应变场的研究较少，研究方法多以视觉测量、三坐标测量方法为主。2010年，吴勇等人在无机材料工程及大型结构测量方面以光纤光栅为研究对象，对其传感解调技术做了深入研究[13]。2014年，张博明等人介绍了光纤传感在航天领域的应用，指出了亟待解决的问题并给出良好建议[14]。2014年，刘铁根等人研究了航空航天领域光纤传感技术的主要进展[15]。2015年，张合生等人将光纤光栅应用于柔性传感，提出了重构方法并且研究了太空柔性伸展机械臂的光纤光栅传感与重建方法[16]。2016年，肖海等在基于利用大长度的光纤光栅曲率传感器进行形状重建的方法上，对抛物、反正弦等形式下的理论曲线和实际曲线弧段中的曲率连续化方法进行了优化性研究，提出了三次样条曲率连续化方法[17]。2018年，张俊康等人通过对光纤传感技术的深入研究解决了变体变形机翼蒙皮形状的实时监测问题，并通过实验数据重构蒙皮三维形状[18]。2018年，曲道明等人分析了光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系以及基于曲率信息的插值曲面重构算法，建立了柔性蒙皮曲率标定实验系统，验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测的技术可行性，证明光纤传感方法在复杂面形应变测试及实时
第1章绪论5等方面均有应用。但其不仅光路复杂、测量周期长、制作工艺要求高，同电学测量法一样不能实现非接触式测量[25]。因此光弹性粘贴法常被用于实验室测量。如图1.4是光弹性粘贴方法的原理图。光源偏振片受力模型偏振片屏幕图1.4光弹性贴片法原理2）光纤测量法随着科技的发展光纤应变测量法逐渐成为光学测量法的趋势。光纤因其自身独有的特点可对结构表面或内部进行应变监测，物体产生变形时布设在物体上的光纤随之产生等量级变形，根据输出光变化测出物体应变[26]。光纤测量法解决了光弹性粘贴法无法测量物体内部应变的问题。3）光纤光栅测量法基于光纤测量法改进得到光纤光栅测量法，具有体积孝质量轻、抗电磁干扰等优点。光纤光栅的应变测量原理同传统光学测量法不同，测量原理同电阻应变片类似，常用布设方式同光纤测量法，根据物体表面或内部变形得到物体应变，物体应变变化与光纤光栅中心波长呈线性关系，从而实现应变的测量。2019年，ChunChan等人利用光学光栅传感网络测量金属丝的杨氏模量[27]。图1.5光纤光栅分布式测量光纤光栅具有良好的复用传感能力，在桥梁、大坝、航空航天等方面应用广泛，光纤光栅传感网络分布式应变测量系统框图如图1.5所示。光纤光栅应变传感器解调方法一般与光纤光栅解调仪连接使用，采用超高速的动态光纤光栅解调仪，可实现
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间柔性充气结构分布式光纤裂纹损伤监测方法[J]. 何弯弯,曾捷,夏裕彬,卢李,顾欣,张旭苹,陈浩远. 南京航空航天大学学报. 2019(03)
[2]基于卷积神经网络的结构损伤识别[J]. 李雪松,马宏伟,林逸洲. 振动与冲击. 2019(01)
[3]基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测[J]. 周玉敬,任明伟,刘刚,胡晓兰,范广宏,益小苏. 复合材料学报. 2019(10)
[4]变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究[J]. 张俊康,孙广开,李红,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2018(02)
[5]变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法[J]. 曲道明,孙广开,李红,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2018(01)
[6]基于新型FBG传感器的温度应变测试系统[J]. 刘智超,王建颖,杨进华,邹皓,李清瑶. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(06)
[7]卷积神经网络研究综述[J]. 周飞燕,金林鹏,董军. 计算机学报. 2017(06)
[8]基于卷积神经网络的目标检测研究综述[J]. 李旭冬,叶茂,李涛. 计算机应用研究. 2017(10)
[9]光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究[J]. 肖海,章亚男,沈林勇,钱晋武. 仪器仪表学报. 2016(05)
[10]缝隙搜救机器人镜体的形状重建和定位方法[J]. 邱亚,沈林勇,胡卫建,章亚男,李峰. 仪器仪表学报. 2015(12)
本文编号：2914762
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