摘 要

基于光纤传感器采集应变信息进行结构健康检测的方法现在已经成了国内外研究的重点。本文从结构设计中常见的悬臂梁结构变形出发，运用光纤光栅传感器进行悬臂梁应变数据采集的同时运用BP神经网络实时预测梁的结构变形状态。进行的主要研究工作如下：

1.完成了悬臂梁的设计，并通过光纤光栅传感器进行应变数据的采集。

2.以悬臂梁为研究对象，研究了一种基于工程力学的应变-变形重构算法。

3.基于BP人工神经网络，采用机器学习方法，对结构健康监测系统采集的应变数据进行训练以预测悬臂梁的形变，并与实际变形进行了对比和误差分析。

4.以Matlab图形用户界面的方式对悬臂梁变形状态进行实时显示。

关键词：结构健康监测；光纤光栅传感器；机器学习；计算机辅助结构评估；应变-变形重构

Abstract

The method of structural health detection based on strain information collected by optical fiber sensor has become the focus of research at home and abroad. In this paper, based on the common structural deformation of cantilever beam in structural design, fiber grating sensor is used to collect the strain data of cantilever beam, and BP neural network is used to predict the structural deformation state of cantilever beam in real time.The main research work carried out is as follows:

1. The design of cantilever beam is completed, and the strain data are collected by fiber grating sensor.

2. Taking cantilever beam as the research object, a strain-deformation reconstruction algorithm based on engineering mechanics is studied.

3. Based on BP artificial neural network, the strain data collected by structural health monitoring system are trained to predict the deformation of cantilever beam by machine learning method, and the deformation is compared with the actual deformation and error analysis is carried out.

4. The deformation state of cantilever beam is displayed in real time by Matlab graphical user interface.

Key Words：structural health monitoring；fiber grating sensor；machine learning；computer-aided structural assessment；strain-deformation reconstruction

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 光纤光栅传感器和光纤解调技术 4

2.1 光纤光栅传感 4

2.1.1 光纤光栅传感器 4

2.1.1 光纤光栅波分复用技术 5

2.2 光纤光栅解调技术 5

第三章 实验装置的设计与实验 7

3.1 实验装置设计 7

3.1.1 总体设计方案 7

3.1.2 悬臂梁的设计 7

3.2 光纤传感器的粘贴 9

3.3光纤光栅解调仪 10

第四章 波长位移-挠度关系 12

4.1 光纤光栅应变传感原理 12

4.2 等强度梁工作原理 13

第五章 基于神经网络的结构变形预测 15

5.1 实验过程 15

5.2 神经网络训练 15

5.2.1 BP神经网络 15

5.2.2 神经网络训练 17

5.2.3 B样条插值与二项式拟合 19

5.3 GUI的制作 20

5.4 实验结果及误差分析 22

第六章 总结与展望 25

参考文献 26

致 谢 28

1. 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，经济社会发展日新月异。常规的传感技术已经不能满足人们的需要。人们对高精度传感的需求催生出了许多新型的传感技术，光纤传感技术成了各国争相研发的关键传感技术。目前光纤光栅传感器的种类已经非常丰富，常见的有：光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅振动传感器等新型传感器^[1]。与此同时，光纤光栅传感器的应用场景也得到了长足的发展：桥梁结构检测，铁轨变形监测，机翼形变监测等。

结构健康监测(Structural health monitoring)是指对结构的变化进行检测和分析，指出结构的损伤和性能退化。SHM因其在无损监测中的优势而被广泛讨论和研究.良好的结构变形监测技术为对结构安全的快速反应提供了可能^[2]。SHM有助于降低维护成本，并避免发生不可弥补的损害。结构健康监测技术是一门新兴的技术门类，它将高精度的传感器与结构融合在一起，从而准确地反映出结构的应变及变形信息，方便直观地为结构管理人员提供变形信息。这项技术需要装置对外界形变的感知非常灵敏。在不同类型的传感器中，光纤传感器对于SHM来说特别有吸引力，因为它们是无损的，而且与传统的传感器相比具有小尺寸、重量轻的优点，并且可以多路复用来组成光纤光栅传感网络。光纤光栅传感器以其质量轻，精度高的优点非常适合于结构变形监测。

数据驱动(Data-driven)的方法特别有用。用于计算机辅助的工程结构评估,由于传感器的数据量是复杂的。利用计算机建模可以大量减少计算工作量^[3]。实时结构变形监测能够为结构健康监测系统、结构控制系统以及结构故障诊断系统的提供重要的参考信息，保障结构运行中的安全性。传统的结构变形监测方法使用非常复杂的应变-变形重构算法，不能用于复杂结构在工作过程中的变形监测。因此，需要开展基于神经网络的变形监测方法的研究。

1.2 国内外研究现状

光纤光栅传感的研究始于美国。目前中国在光纤光栅传感领域有了长足的发展。在国内，武汉理工大学、南京航空航天大学等高校在该领域都有着突出的贡献。

武汉理工光科股份有限公司与武汉科技大学机械自动化学院的秦丽等人提出了一种滑动式位移传感器。这种传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点^[4]；中南大学土木工程学院的宋力和高速铁路建造技术国家工程实验室的余志武验证了光纤光栅传感技术在混凝土梁疲劳试验中应用的可行性^[5]；中国工程物理研究院流体物理研究所邓向阳等人提出了一种连续测量爆轰波和冲击波波阵面位置的波长-时间映射型光纤光栅传感器技术^[6]；上海电力学院电子与信息工程学院胡正文等人针对变电站沉降变形监测工程中存在诸多例如的多余人力的消耗、施工环境堪忧的问题,设计了光纤光栅沉降位移传感器^[7]。最后经过论证，该传感器能实现对变电站地基和电气设备进行大范围、高灵敏度、高分辨率地沉降监测。

基于光纤光栅传感的结构检测领域的主要研究重心在亚洲。浮式生产储油卸油装置（FPSO）是海上油气工业用于生产和加工碳氢化合物的浮动船，常常需要连续服役很多年。FPSO的结构损坏可能导致停产和随后的重大财政损失；因此，海上油气行业需要一个非常可靠、有效的结构健康监测系统。新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院、海事学院与中国石油大学机电工程学院在2018年研究了光纤布拉格光栅(FBG)传感器在海洋结构健康监测中的应用问题，特别是在FPSO船的应用问题。他们设计了商业上可用于离岸应用的光纤光栅传感器的保护包装。在强阳光、暴雨和咸水条件下，测试了所选择的光纤光栅传感器封装的性能。封装后的光纤光栅传感器可以采用环氧树脂作为传感器，长期保持传感器的重复性^[8]。马来西亚大学的C.H.Tana、Y.G.Shee和马来西亚Tenaga国立大学的B.K.Yap研制了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的钢筋腐蚀无损监测系统。提出并测试了两种不同的方法：聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层光纤光栅(FBG)和裸光纤光栅(FBG)。在试样上嵌入光纤光栅传感器，对钢筋腐蚀引起的膨胀应变进行监测^[9]；谢菲尔德大学的Worden, K.和 Manson, G.使用模型驱动方法建立了结构的高保真物理模型，通过有限元分析，然后建立模型与实测数据的比较度量。并通过大量的案例研究来说明数据驱动的损伤识别方法的实用性^[3]；日益增长的荷载、老化、CFRP(碳纤维增强聚合物)等新型建筑材料的成本压力都会影响交通基础设施，特别是桥梁的适应性。来自瑞士联邦材料科学和技术实验室的Anderegg P , Brenimann R , Meier U .讨论了不同类型传感器的测量不确定度和可靠性，包括电阻应变片、光纤传感器和其它已经使用了17年的传感器系统^[10]。

图1.1 海洋结构健康监测模拟装置示意图

图1.2 基于FBG的钢筋腐蚀无损监测系统示意图

1.3 本文主要研究内容

本文的主要研究工作如下：

第一章：绪论。主要介绍了本文的研究背景及意义。

第二章：光纤光栅传感和光纤解调。主要介绍了光纤传感器的概念及工作原理和几种光纤解调技术。

第三章：实验装置的设计与实验。本章节主要介绍了光纤传感实验装置的设计与实验的情况主，包括试验用悬臂梁的设计、光纤传感器的粘贴等。

第四章：波长位移-挠度关系。这一章节主要介绍了光纤光栅应变传感器和等强度悬臂梁的工作原理，介绍了波长位移与挠度的关系。

第五章：基于神经网络的结构变形预测。介绍了神经网络的主要类型、训练过程及常见神经网络的优缺点以及B样条插值和二项式拟合。然后进行了悬臂梁变形监测系统GUI的设计以及对最终数据进行了误差分析。

第六章：总结与展望。主要是对本文所做工作的总结以及对该领域未来的展望。

第二章 光纤光栅传感器和光纤解调技术

2.1 光纤光栅传感

2.1.1 光纤光栅传感器

光纤这一概念产生于1966年由高锟和霍克哈姆的研究《光频率介质纤维表面波导》。其基本结构示意图如下图：

图2.1 光纤的基本结构示意图

其中：1.保护层 2.增强纤维 3.涂覆层 4.包层 5.纤芯

光纤光栅第一次被用于传感是在1989年由美国的Morey和他的团队进行的应变与温度传感实验中，由于其良好的使用性能，光纤光栅传感技术成为20世纪末发展相当快传感技术。在今天，光纤光栅传感技术已经广泛用于结构检测，石油化工，航空航天等领域。光纤光栅传感器在目前运用到了很多领域之中^[11]。

光纤传感系统的结构整合代表了一个新的跨学科工程分支，它涉及激光光学，光纤，光电子学，微电子学，人工智能，复合材料科学和结构工程的独特组合。光纤传感器与其电气传感器相比具有许多优点，并且是完整传感系统的主要候选者。光纤传感器可以起传感或者传光的作用。本实验所用传感器为功能型传感器，在功能型传感器中的敏感元件是光纤，它对所要测量的物理量有感知作用。

近40年来，光纤领域经历了巨大的发展和进步。光纤最初被设想为携带光和图像的媒介，用于医学内镜应用，后来在20世纪60年代中期被提出作为电信应用的信息载体。

本次使用的光纤传感器的类型为波长调制型光纤传感器。它具有以下优点:

1. 抗干扰能力强；

（2）得益于光纤光栅复用技术，使用光纤光栅传感器便于构成各种形式的光纤传感网络，方便测量；

（3）由于光纤布拉格光栅的设计原理，在栅区发生改变的物理过程都将引起光纤布拉格波长的漂移，方便多种参数的测量。

2.1.1 光纤光栅波分复用技术

在许多实际工程应用中，需要使用大量的传感器来实现参数的分布式测量以提高检测效率。特别是当传感器阵列被粘合或嵌入到材料中以监测结构的健康状况的时候。

光纤光栅传感器的复用技术包括波分复用技术、空分复用技术、时分复用技术和频分复用技术。它利用了基于光纤光栅的传感器的波长封装（wavelength-encording）特性。波分复用技术是基于源光谱的拼接技术^[11]。每个光纤光栅传感器都可以沿着一根光纤用一个独特的波长进行编码。由于我们工作在波长域中，光纤光栅传感器之间的物理间隔可以尽可能短，以提供精确的测量分布信息。

图2.2 光纤光栅的波分复用技术示意图

2.2 光纤光栅解调技术

携带测量参数信息的反射光必须被高速、精确地传输到上位机或计算机。这就需要稳定高效的光纤光栅解调系统。光纤光栅传感解调系统的作用是转换并传递反射光信号，输出中心波长的变化信息。由于解调的光波信号不同，光纤光栅传感信号的解调方案分为相位解调、频率解调、波长解调、偏振解调和强度解调等。

从理论上来说波长解调方案是最容易实现的。本实验所用解调仪采用波长解调方案，所以在这里重点介绍波长调解技术的作用过程：光源经过连接器进入光纤光栅的感应区。当这些光线照射到栅区时，某些特定波长的光被反射，而其它波长则通过，这个过程叫做光波调制^[12]。每根光纤布拉格光栅具有特定的折射率。当有作用力作用在栅区的时候，光纤布拉格光栅的折射率就会发生改变，从而反射波长也就会发生变化。这个蕴含着应变信息的反射光通过连接器进入探测器被解调输出。所以说，波长调解技术的实质便是检测放射光的位移变化。

图2.3 光纤光栅解调仪原理图

理工光科生产的光栅光纤解调仪的工作原理如图2.3所示，它支持串联多个光纤光栅进行分布式测量。超发光管SLED发出的宽带光谱经过可调谐法布里腔（FFP）线性调制后经光纤耦合器同时进入四路测量光栅阵列，各传感光栅反射回来的窄带光谱，由光电探测器转换成电信号，再由DSP数据处理系统进行处理。波长数据通过计算机网卡传送，根据测得的波长值进行标定从而得到应变、温度等被测参数。

第三章 实验装置的设计与实验

3.1 实验装置设计

3.1.1 总体设计方案

该装置由底座、立柱和悬臂梁三部分组成。作用力的施加由一组可以组成5kg以内所有重量的砝码组成。分为三个测量点：两个为变形监测所需要的点，一个为验证预测效果所需的验证点。三个测点的形变由百分表读出，百分表的精度为0.01mm。三个光纤光栅传感器的连接方式为串联，解调仪支持光纤光栅的波分复用技术。解调仪与计算机之间使用宽带连接。总体装置设计示意图如图3.1所示：

图3.1 装置总体设计示意图

3.1.2 悬臂梁的设计

悬臂梁的设计为整个实验装置设计中最为重要的环节。

悬臂梁的材料选取现实中中最为常用的普通碳素结构钢Q235。该材料的屈服极限为235Mpa。取安全系数n为1.7，则悬臂梁的许用应力为：

（3.1）

根据实际情况与底座的尺寸，选取以下参数：

，，。

该悬臂梁的设计载荷为5kg，由式3.2可得悬臂梁根部的宽度：

（3.2）

设计载荷为5kg，自由端作用力的施加方式是通过一系列的砝码和已知质量的砝码盘。这也就意味着精度可以达到砝码的最小值1g。考虑到百分表的精度，实际实验中的分辨率为10g。

在等强度悬臂梁的设计公式中理论上作用力应该施加于梁最前面的尖端处，但是由于施加作用力的方式为悬挂砝码盘，所以等强度梁的前端应有一定的长度和宽度。

量前端宽度的确定可以从梁的剪切强度条件来确定：

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