基于光纤光栅和小波包分析的智能材料与结构损伤识别研究

论文题目: 基于光纤光栅和小波包分析的智能材料与结构损伤识别研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 信思金

导师: 姜德生

关键词: 光纤光栅,传感器,解调技术,小波包分析,损伤识别

文献来源: 武汉理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 光纤光栅传感器以具有长期稳定性等独特的特性在各工程领域得到了广泛的应用,为结构健康监测信号的精确采集提供了条件。小波分析是近年来大力发展的新的信号处理工具,以其时频局部化的特性使信号可实现在频域和时域内同时进行分析和处理,从而为结构损伤识别的实现奠定了基础。本文从光纤光栅传感器制作入手,对光纤光栅信号解调技术、结构动力响应特性的分析技术、结构损伤特征量的提取方法、耦合神经网络模型的建立和结构损伤识别的实现进行了探索性研究。提出了使光纤光栅增敏的加工制作技术,并研究了光纤光栅在载氢和未载氢情况下的光致折射率的变化及其对光栅特性的影响,同时研制了埋入式和粘贴式两种新型光纤光栅应变传感器及其工程应用技术,重点研究了粘贴式光纤光栅应变传感器的静、动态特性。分析和比较了目前所采用的光纤光栅解调技术,提出采用基于边缘滤波器的光纤光栅高速解调技术作为本次研究中的解调方法,介绍了该解调技术的解调原理,探讨了该解调方法的关键技术,并用实验验证了该解调技术的可行性。推导了智能复合材料简支板在静力作用下的应力应变关系,研究了智能复合材料板在动载荷作用下的形变,导出了四边简支板的一阶固有频率和高阶固有频率的解析解;用有限元分析软件建立了四边简支板的有限元模型,模拟了四边简支板在损伤前、后的固有频率和自由振动模态。阐述了小波包分析技术的原理和方法,对小波基的选取原则进行了分析和探讨,确定了小波基函数DbN中的N以及小波包分解尺度j;从模式识别的观点对结构损伤识别进行了分析,分析了小波包信号能量特征提取的方法。利用小波包多分辨率的特点,提出了以小波包信号成分能量特征向量为结构损伤识别的损伤特征指标。对BP算法的学习训练过程进行了详细推导,在此基础上,针对多传感器数据采集和处理的特点,构建了耦合神经网络模型,提出了采用耦合神经网络的方法来实现多传感器数据采集的结构损伤识别。采用小波包变换技术对结构不同区域的传感器信号进行特征量提取,并以BP算法为基础,构造了三个耦合神经网络模型,分步实现了结构损伤的确认、定位和定量。以智能材料四边简支板结构模型实验为例,对四边简支板结构在32种损伤工况下的测试数据进行小波包变换,提取损伤特征指标作为耦合神经网络的输入样本,对一级网络进行了学习训练,并以一级神经网络的输出作为二级神经网络的输入样本,进行二级网络的训

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 光纤光栅传感器研究现状

1.3 光纤光栅解调技术研究现状

1.4 智能材料与结构的相关技术

1.4.1 智能复合材料中传感器的类型

1.4.2 光纤光栅传感器在智能材料与结构中的应用

1.4.3 智能材料与结构损伤识别的研究现状

1.4.4 结构健康监测技术的研究现状

1.5 结构损伤识别的研究内容及其方法

1.6 本文的主要研究工作

第二章新型光纤布拉格光栅应变传感器的研制

2.1 引言

2.2 光纤光栅传感的基本原理

2.3 光纤光栅的微加工制作技术

2.3.1 实验部分

2.3.2 结果分析

2.4 埋入式光纤光栅应变传感器的研制

2.4.1 埋设技术

2.4.2 埋入式光纤光栅应变传感器的制作

2.5 粘贴式光纤光栅应变传感器的制作技术及其特性

2.5.1 粘贴式光纤光栅应变传感器的制作技术

2.5.2 静态特性

2.5.2.1 研究内容

2.5.2.2 实验设计

2.5.2.3 测量与结果分析

2.5.3 动态特性

2.5.3.1 研究意义及方法

2.5.3.2 实验设计及过程

2.5.3.3 结果分析

第三章光纤光栅信号解调技术

3.1 光纤光栅传感器的信号解调方法

3.1.1 光谱仪检测法

3.1.2 匹配光栅滤波法

3.1.3 可调谐窄带光输入宽带检测器探测

3.1.4 非平衡M-Z干涉仪解调法

3.1.5 可调F-P滤波器解调光纤光栅原理

3.2 光纤光栅动态信号的解调方案设计

3.2.1 电压驱动角度调谐法布里-玻罗腔(Fabry-Perot，F-P)

3.2.2 基于边缘滤波器的光纤光栅动态信号的解调原理

3.2.3 基于边缘滤波器的光纤光栅解调器的应用

第四章智能材料板结构的动力响应特性研究

4.1 智能材料板结构静力作用下的应力应变关系

4.2 智能材料板结构振动的微分方程

4.2.1 薄板的振动方程

4.2.2 智能材料四边简支板承受振动荷载时的应变特征

4.2.3 智能材料四边简支板固有频率的近似计算

4.2.4 智能材料四边简支板高阶频率的近似计算

4.3 智能材料四边简支板的有限元分析

4.3.1 有限元分析的基本思想

4.3.2 智能材料四边简支板应变分布的有限元实体模型

4.3.3 智能材料四边简支板自由振动模态的有限元分析

第五章基于小波包分析的耦合神经网络结构损伤识别

5.1 小波包分析的理论基础

5.2 耦合神经网络建模

5.2.1 人工神经元模型

5.2.2 前馈神经网络结构

5.2.3 BP算法的基本过程

5.2.4 耦合神经网络建模

5.3 实验模型和数据采集分析

5.3.1 实验装置设计

5.3.2 实验数据的采集与分析

5.3.3 智能材料四边简支板损伤信号的能量特征指标提取

5.4 智能材料四边简支板结构损伤的耦合神经网络识别

5.4.1 智能材料四边简支板结构损伤的确认

5.4.2 智能材料四边简支板结构损伤的定位和定量

第六章结论与展望

6.1 主要研究工作及结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士期间参加的项目和获奖项目

致谢

发布时间: 2005-07-11

参考文献

[1].微纳粒子的定向性与热导率可控的热智能材料研究[D]. 董若宇.清华大学2016
[2].光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究[D]. 梁磊.武汉理工大学2005
[3].光纤光栅智能材料、结构的研究与应用[D]. 符晶华.武汉理工大学2006
[4].通过胺—烯反应构建聚硅氧烷智能材料[D]. 李树生.山东大学2017
[5].基于电阻法碳布增强环氧树脂复合材料损伤自诊断的研究[D]. 谢小林.武汉理工大学2010
[6].二茂铁基和（或）偶氮苯基化合物及其嵌段共聚物的合成及性能研究[D]. 李超.浙江大学2015
[7].掺杂二氧化钒相变机敏材料的X射线吸收精细结构研究[D]. 谭潇刚.中国科学技术大学2017
[8].多功能剪切变硬胶复合材料的研制与性能研究[D]. 王胜.中国科学技术大学2017

基于光纤光栅和小波包分析的智能材料与结构损伤识别研究

猜你喜欢