动态加载下光纤光栅传感器应变与温度混叠信号解耦方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能材料与结构的健康监测，具体提出了一种动态加载下光纤光栅传 感器应变与温度混叠信号解禪方法。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅传感器鉴于其高灵敏度、不受电磁干扰W及可W重复使用等优点，近30 年来得到了迅速地发展和广泛的应用。光纤光栅传感器利用光纤光栅作为敏感单元，嵌入 目标结构中监测应变、振动等。光纤光栅具有隔离度大插入损耗低、波长与带宽可灵活调节 W及偏振无关等优良特性，但它的中屯、反射波长随温度的变化而发生漂移，光纤光栅温度 和应力交叉敏感特性使其应用在某些方面受到限制，为此人们提出了多种光纤光栅传感器 温度补偿方案。
[0003] 常见光纤光栅温度补偿方法包括；采用适当结构封装形式和利用负膨胀材料封装 两类。悉巧大学光学研究中屯、化ffe G.W采用2种不同热膨胀系数的金属进行管式封装， 对光纤光栅进行温度补偿。研究证明此封装采用金属材料，加工和连接比较方便，补偿效果 基本令人满意。但该种封装结构由于采用单点胶粘，并且在粘接前必须施加一定的预应力， 容易造成粘接不牢，长期稳定性差。此外，Iwashima T等人提出采用负膨胀材料进行封装， 解决了胶粘不牢的问题，但是该种封装方法无法测量应变，只能用于通讯领域。同时，由于 该方法所用材料价格较高，仅适合单通道探头式测量模式。
[0004] 宁辰校等人采用一种简单易行、成本低廉的温度补偿方法，即利用参考光纤光栅 对传感光栅进行补偿，使光纤光栅应变传感器向实用化迈进了一步，但是此种方法需要增 加温度补偿光纤光栅，导致监测系统负担和监测成本增大，使得其应用上存在一定局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种仅需使用一根光纤光栅传感器，就可W分别监测和解 调出应变与温度信号，并且能够采用串联测量模式的动态加载下光纤光栅传感器应变与温 度混叠信号解禪方法。
[0006] 动态加载条件下光纤光栅传感器应变与温度混叠信号解禪方法，其过程是，首先 利用分布式光纤光栅传感器监测被测结构多种载荷（如温度载荷、振动与冲击载荷）的响 应信号；其次，对光纤光栅传感器采集到的应变与温度混叠响应信号进行时频域分析，根据 频率高低不同，依次将原始响应信号分为缓变成分和快变成分；再次，分离出快慢两类光纤 光栅动态响应频率成分，分别对应着一系列的本征模态函数；最后，剔除噪声和干扰，重构 出所需要的被测监测结构对应的应变与温度时频域响应信号。具体操作步骤如下：
[0007] 一种动态加载下光纤光栅传感器应变与温度混叠信号解禪方法，其特征在于包括 W下步骤：
[000引步骤一、构建分布式光纤光栅传感器应变与温度监测系统：
[0009] 该监测系统主要分为=个部分；光纤光栅感知器件、数据采集与调制模块及光纤 光栅传感器应变与温度混叠响应数据处理模块；
[0010] 步骤二、被测结构光纤光栅传感器应变与温度混叠响应信号的实时监测与采集：
[0011] 将光纤光栅传感器粘贴于被测结构关键区域，通过光纤光栅解调仪与计算机软件 系统实时读取和记录光纤光栅传感器中屯、波长随结构所受载荷与其温度变化引起的偏移 量信息；针对环境温度变化条件下被测试件受到动态载荷作用情况，记录光纤光栅传感器 的应变与温度混叠响应信号；
[0012] 步骤=、光纤光栅传感器应变与温度混叠响应信号的特征提取与分析：
[0013] 针对光纤光栅传感器监测到的中屯、波长响应信号S，采用解析模态分解方法对信 号S进行分解；即对所述步骤二中的偏移量信息实施求取本征模态函数的操作，得到第1个 本征模态函数Cl (t)，也是频率最高的分量；然后依次提取第2,第3,…，直至第n个本征模 态函数c"(t)和最后一个单调序列，不能再进行提取；根据温度慢变的特征本质，可认为最 后一个本征模态函数c"(t)为缓变信号是由温度变换引起的；第1个本征模态函数Cl (t)至 第n-1个本征模态函数Cw(t)为快变信号是由动态载荷引起的；则可采用快变信号表征动 态载荷所引起的应变，采用慢变信号表征结构温度变化信息；
[0014] 步骤四、被测结构应变与温度监测信息重构：
[0015] 针对步骤=中由解析模态分解所得高低不同频率段信号，将表征温度信息的光纤 光栅传感器低频响应信号经反变换重构还原为结构温度时域变化信号；同时再将反映动态 载荷信息的光纤光栅传感器的较高频率响应信号经模态重构还原为结构应变时域信号。
[0016] 本发明的优点是：
[0017] 本发明为一种动态加载条件下光纤光栅传感器应变与温度混叠信号解禪方法，该 方法采用光纤光栅传感器对动态加载条件下被测结构的应变与温度响应信号进行实时监 测和采集。在应用光纤光栅传感器的结构监测系统中，本项发明原理清晰，处理方法简单可 靠，具有较高的工程实用价值。首先，该方法能够将非平稳的实际信号（如振动与冲击引起 的中屯、波长偏移量和温度变化引起的中屯、波长偏移量）自适应地转化为平稳信号，克服常 规数据处理方法仅适用于平稳过程的约束，具有良好的适应性。其次，仅需采用一个光纤光 栅传感器，实现对应变与温度混叠响应信号的实时监测与采集，无需在结构上另外配置仅 感温不受力的温度补偿光纤。再次，解析模态法没有交叉项，同时又具有比WVD更高的时频 分辨率，能够还原得到信噪比品质较好的目标监测参量变化信息。此外，本方法适用于解决 包含多种响应频率混叠信号的多物理参量集成监测与信号分离问题的应用领域。
【附图说明】
[001引 图1系统框图；
[0019] 图2模拟混叠信号图；
[0020] 图3模拟混叠信号局部放大图；
[002U 图4FFT频谱图；
[00巧 图祀MD模态分解图；
[0023] 图6由结构温度变化引起的光纤光栅传感器中屯、波长偏移量随时间变化曲线；
[0024] 图7由结构应变变化引起的光纤光栅传感器中屯、波长偏移量随时间变化曲线。 [002引具体实施
[0026] 动态加载下光纤光栅传感器应变与温度混叠信号解禪方法，具体实施方案如下：<