單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)及標(biāo)定方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)及標(biāo)定方法與應(yīng)用， 屬于光纖光柵監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)翼的彎曲變形是飛機(jī)產(chǎn)生升力的重要原因之一，通過對機(jī)翼彎曲變形的調(diào)整使 飛機(jī)在不同環(huán)境與飛行姿態(tài)下達(dá)到最佳飛機(jī)氣動外形。通過光纖光柵傳感器與機(jī)翼后緣集 成，既能有助于監(jiān)測機(jī)翼柔性后緣本身的結(jié)構(gòu)健康，又有助于實(shí)現(xiàn)對其彎曲變形狀態(tài)的感 知與控制。
[0003] 復(fù)雜的飛行環(huán)境對飛機(jī)尤其是機(jī)翼的可靠性與安全性提出了要求。在氣動力，慣 性力，風(fēng)力等非均勻力的作用下，導(dǎo)致機(jī)翼既產(chǎn)生彎曲變形又產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，這些復(fù)雜變形 直接影響飛機(jī)飛行時的氣動狀態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)字圖像獲取處理技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺和非接觸式的三維形體掃描是目前研究的熱點(diǎn)。中國飛行試驗(yàn)研究 院基于數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)，采用高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼的三維變形測量。目 前，針對類似機(jī)翼結(jié)構(gòu)的單邊固支板變形在線監(jiān)測需求，還存在幾個方面的問題亟待解決。
[0004] 首先，針對類似機(jī)翼的單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變形監(jiān)測的標(biāo)定環(huán)節(jié)，借助有限元模 擬仿真所得到的數(shù)值模擬結(jié)果因所建模型與機(jī)翼結(jié)構(gòu)存在差異，且數(shù)學(xué)建模和網(wǎng)格劃分較 難，導(dǎo)致與實(shí)際變形情況相差較大。因此，需要研究一種專門針對單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變形 的方便、快捷、精確且直觀的輔助標(biāo)定方法。
[0005] 其次，針對類似機(jī)翼的單邊固支板結(jié)構(gòu)包含彎曲與扭轉(zhuǎn)變形的復(fù)合變形情況，常 規(guī)數(shù)字?jǐn)z像方法存在體積大、重量大、計(jì)算量大、需要大量配置標(biāo)記點(diǎn)、實(shí)時性差、易受氣候 影響等缺點(diǎn)。再如基于加速度的變形監(jiān)測方法，又存在抗電磁干擾能力差、需要大量信號線 纜、無法大量配置導(dǎo)致數(shù)據(jù)稀疏進(jìn)而降低監(jiān)測精度等問題。因此，需要研究一種基于非線性 映射辨識的分布式光纖變形監(jiān)測方法。
[0006] 再次，一方面為了提高機(jī)翼后緣的彎曲變形量以達(dá)到大撓度變形的要求；另一方 面，為了更加直觀準(zhǔn)確辨識結(jié)構(gòu)所處變形的不同關(guān)鍵階段，以及便于光纖傳感器的更換與 黏貼，還需要設(shè)計(jì)出一種彎曲變形狀態(tài)輔助監(jiān)測機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)上述目的。
[0007] 綜合上述分析，如何實(shí)現(xiàn)針對類似機(jī)翼的板結(jié)構(gòu)變形在線監(jiān)測技術(shù)，分別需要在 變形監(jiān)測標(biāo)定、變形狀態(tài)辨識等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，從而為提高飛行器安全性能、操控性能提供 理論與實(shí)踐依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)及標(biāo)定方法與應(yīng) 用，該方法可用于房屋梁結(jié)構(gòu)彎曲變形、單邊固支板結(jié)構(gòu)機(jī)翼模型彎曲變形監(jiān)測領(lǐng)域等。
[0009] -種單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)，其特征在于：包括固定支架、單邊固 支板、鋼索、驅(qū)動裝置；其中單邊固支板垂直固定于固定支架上；單邊固支板上依次并排布 置若干個具有不同高度的輔助定位桿；從單邊固支板的固定端向自由端方向所述輔助定位 桿高度逐次減小；上述鋼索一端固定于固支板的自由端，另一端依次穿過所有輔助定位桿 頂部的通孔，最后繞過位于固定支架端部的定滑輪與所述驅(qū)動裝置相連；該變形監(jiān)測系統(tǒng) 還包括光纖光柵傳感器感知部分，該部分具有三種布置方式：第一種布置方式：每個輔助 定位桿的根部布置有光纖光柵傳感器，在單邊固支板結(jié)構(gòu)自由端部布置帶有十字型透光片 的激光指示器，激光指示器的輸出光束與固支板結(jié)構(gòu)長度方向垂直，在單邊固支板旁邊放 置用于接收激光指示器的輸出光束的投影板，激光指示器的輸出光束垂直于投影板面；所 布置的光纖光柵傳感器串聯(lián)后與光纖光柵解調(diào)儀相連；第二種布置方式：在單邊固支板的 表面按網(wǎng)格方式布置光纖光柵傳感器，在板結(jié)構(gòu)長、寬方向各設(shè)置一組數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；所布置 的光纖光柵傳感器均與光纖光柵解調(diào)儀相連；第三種布置方式：在單邊固支板的表面靠近 固支邊處，且平行固支邊布置一列光纖光柵傳感器，該列中的每個光纖光柵傳感器軸向均 與固支邊垂直；在單邊固支板結(jié)構(gòu)自由端部布置帶有十字型透光片的激光指示器，激光指 示器的輸出光束與固支板結(jié)構(gòu)長度方向垂直，在單邊固支板旁邊放置用于接收激光指示器 的輸出光束的投影板，激光指示器的輸出光束垂直于投影板面；所布置的光纖光柵傳感器 串聯(lián)后與光纖光柵解調(diào)儀相連。
[0010] 所述單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于：針對第一 種布置方式，用于單邊固支板純彎曲情況監(jiān)測：首先，控制驅(qū)動裝置使固支板在自由端加 載，進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的彎曲變形；其次，記錄以下信息：激光指示器十字光斑的位置、最 接近自由端的輔助定位桿的根部的光纖光柵傳感器中心波長值、其余輔助定位桿上根部的 光纖光柵傳感器中心波長值；當(dāng)載荷較小的時候，靠近自由端的固支板存在彎曲變形，即靠 近自由端的輔助定位桿根部的光纖光柵傳感器存在中心波長偏移；當(dāng)載荷增大時，遠(yuǎn)離自 由端的固支板也開始出現(xiàn)彎曲變形，即遠(yuǎn)離自由端的輔助定位桿根部的光纖光柵傳感器也 開始出現(xiàn)中心波長偏移，通過其余輔助定位桿上根部的光纖光柵傳感器中心波長偏移初步 判斷彎曲程度；最終，根據(jù)十字光斑位置變化計(jì)算出每次單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變形量；再 次，擬合出最接近自由端的輔助定位桿根部的光纖光柵傳感器中心波長偏移量與單邊固支 板結(jié)構(gòu)彎曲變形量之間映射關(guān)系曲線。所述單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)的標(biāo)定 方法的應(yīng)用，其特征在于：當(dāng)需主動控制單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變形時，采用上述映射關(guān)系曲 線得知當(dāng)前單邊固支板結(jié)構(gòu)具體彎曲變形情況，并判斷是否到達(dá)預(yù)定目標(biāo)變形狀態(tài)。
[0011] 針對第一種方式，傳感器布置方法的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際效果在于：首先，光纖光柵感知器 件由于配置于輔助定位桿根部，使得其在板結(jié)構(gòu)變形過程中不易受到其他輔助材料干擾作 用，且在發(fā)生意外損傷情況下也便于直接更換。其次，在單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變形過程中， 鋼索依次對板面上從端部到根部排列的輔助定位桿產(chǎn)生載荷作用，使得布置在這些輔助定 位桿根部的光纖光柵傳感器中心波長會依次發(fā)生不同大小的偏移。由于板結(jié)構(gòu)不同彎曲變 形階段，處于不同位置的輔助定位桿根部的光纖光柵傳感器中心波長發(fā)生偏移的時刻和偏 移量存在差異，可以為板結(jié)構(gòu)彎曲變形階段的快速直接辨識提供依據(jù)。此外，通過增加配置 有光纖傳感器的輔助定位桿數(shù)量還可以細(xì)化板結(jié)構(gòu)不同變形階段的辨識精度。針對單邊固 支板結(jié)構(gòu)彎曲變形時所監(jiān)測目標(biāo)點(diǎn)既產(chǎn)生橫向位移又產(chǎn)生縱向位移，而常規(guī)位移傳感器難 以測量這種板面非線性變形的不足，提出一種簡便的基于激光指示器的變形輔助測量和標(biāo) 定方法。
[0012] 所述單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于：針對第二 種布置方式，用于單邊固支板純彎曲或彎扭復(fù)合變形情況監(jiān)測的：首先，確定單邊固支板結(jié) 構(gòu)變形姿態(tài)出現(xiàn)頻率較高的若干典型變形姿態(tài)；其次，記錄單邊固支板結(jié)構(gòu)各典型變形姿 態(tài)下各光纖光柵中心波長值和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組確定的單邊固支板結(jié)構(gòu)變形姿態(tài)；再次，將上 述數(shù)據(jù)相互匹配并建立一個數(shù)據(jù)庫。所述單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)的標(biāo)定方 法的應(yīng)用，其特征在于：在單邊固支板結(jié)構(gòu)服役過程中時，根據(jù)所得的各光纖光柵傳感器中 心波長值，結(jié)合所建立的數(shù)據(jù)庫，采用Hausdorff算法即可知當(dāng)前單邊固支板結(jié)構(gòu)彎曲變 形狀態(tài)。
[0013] 針對第二種方式，傳感器布置方法的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際效果在于：此傳感器布置方式有 助于實(shí)現(xiàn)單邊固支板結(jié)構(gòu)的復(fù)合變形感知，可以將典型單邊固支板板結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)的標(biāo)定 工作在前期完成，有助于減輕監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜程度。
[0014] 所述單邊固支板結(jié)構(gòu)變形光纖模式辨識系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于：針對第三 種布置方式，用于純彎曲變形情況監(jiān)測：首先，控制驅(qū)動裝置使固支板在自由端加載，