摘要
为了提高分布式光纤传感器监测结构动态响应的精度并提高损伤诊断的准确性,运用长短期记忆神经网络,建立布里渊增益谱‑频率数据关系模型,确定布里渊光时域分析技术中振幅传输模式扫描的固定频率。基于分布式光纤振动传感信息沿光纤密集分布特点,通过计算应变传递率梯度,提出了基于分布式动应变传递率梯度的损伤指标。不同损伤程度的悬臂梁分布式光纤振动传感实验表明,该方法能够实现结构损伤位置的诊断,且对毫米级裂纹仍有较强的敏感性。
大型土木水利和交通工程结构在长期服役中易受损,进而影响结构的安全性。基于振动的健康诊断需大量传感器,系统复杂且成本高。近年来,随着分布式光纤动态快速传感技术的发
分布式光纤动应变感知是近年来研究的热点,在结构模态分析和结构损伤诊断等方面的运用已有报道。Zheng
目前,应用分布式光纤动应变进行结构损伤诊断存在敏感性不足、初始状态指标获取困难等问题。传递函数可在未知激励条件下进行损伤识别,受环境影响小,适合在役结
笔者分析了分布式光纤振动传感的基本原理和特点,为了提高光纤动态应变传感的敏感性和精度,结合LSTM建立BGS频率关系模型,确定洛伦兹曲线初始参数,并运用分布式光纤振动传感信息沿光纤密集分布的特点,通过计算应变传递率梯度,提出基于分布式动应变传递率梯度的损伤指标,从而实现结构损伤程度和损伤位置的诊断。不同损伤程度的悬臂梁分布式光纤振动传感实验表明,笔者所提出方法有效可行、运用方便,可以对桥梁、混凝土坝等大型结构的分布式损伤进行远程实时诊断,这对准确掌握结构健康状态和及时开展维护具有重要意义。
布里渊光时域分析原理是分别将高频脉冲光和低频连续光注入到光纤两端,当频差与光纤某位置布里渊频移vB一致时,会引起受激的布里渊散射。脉冲光的部分能量将传递给连续光,使连续光强度增加。通过监测不同位置处连续光光强改变量,得到对应的布里渊增益系数,推出vB。根据目前的实验研
传统的布里渊光时域分析为获取沿光纤全长分布的应变,需要扫描整个BGS,具有耗时长、传感速度慢的缺点。预泵浦脉冲布里渊光时域分析中振幅传输模式无需扫频,为动态应变监测提供条件。
在AT‑BOTDA模式中,假设在不同的动态应变下,沿传感光纤的BGS形状保持不变,只发生左右平
为了保证应变频移之间的良好转换,在实际应用中需要根据静态状态下的初始应变分布选择固定频率,使在动态条件下中心频率向左或向右发生频移时,能够得到较好质量的测量结果。
理论上BGS 的谱线满足洛伦兹线型,洛伦兹函数的数学表达式为
(1) |
其中:Y为函数f(x)中的最小值;h为函数值中最大值与最小值的差;X为布里渊频移,即峰值对应频率;2为频谱半峰全宽;x为频率值。
目前,洛伦兹方程的参数主要依据传统法取值或BGS曲线的非线性最小二乘法(nonlinear least squares method,简称NLSM)拟合确定。考虑到NLSM拟合效果依赖初始值的选取以及机器学习具有较强非线性映射能力,笔者运用现场采集的数据和LSTM算法,对实测的BGS散点数据进行网络训练,拟合BGS曲线,再从BGS拟合曲线中提取反映结构特征的洛伦兹方程的4个参数(Y,X,h,初始值,以提高洛伦兹曲线的拟合精度。
LST
由LSTM拟合BGS曲线,获得4个参数初始值后,采用非线性最小二乘法拟合洛伦兹曲线,确定Y,h,X和。将拟合的洛伦兹曲线峰值左下方1.5 dB及2.5 dB处f(x)的值(Y+h-1.5)和(Y+h-2.5)代入
(2) |
(3) |
采集系统的固定频率x取(min(x1.5)+max(x2.5))/2,以满足各测点扫描频率的要求。min(x1.5)为各测点BGS峰值左下方1.5 dB处的频率最小值,max(x2.5) 为各测点BGS峰值左下方2.5 dB处的频率最大值。
应变传递率与对应的标量传递率和结构的物理性质有关。发生损伤后,结构几何性质改变,导致单元间的应变传递率突变。因此,可以通过应变传递率诊断结构损伤位置。为便于进行损伤定位,采用相邻点的应变传递率计算,构建基于应变传递率的损伤指标,即
(4) |
其中:和分别为结构损伤前后,第i个自由度相对于参考自由度j的应变传递率。
基于应变传递率的损伤指标在毫米级裂纹下,敏感度不高,在未损伤部位仍会产生较大损失指标量值。为此,笔者通过求取应变传递率梯度,构造基于应变传递率梯度的损伤指标,以提高结构损伤识别效果。
应变传递率是关于应变频响函数的函数,一阶梯度为
(5) |
其中:和为i单元和j单元处应变频响函数。
建立的损伤指标为
(6) |
其中:和分别为结构损伤前后第i个自由度相对于参考自由度j的应变传递率梯度。
本实验利用AT‑BOTDA分布式光纤传感技术采集不同实验工况下的悬臂梁模型的动态动应变数据。

图1 实验系统整体示意图
Fig.1 Overall schematic diagram of the test system

图2 NBX‑6050A光纳仪
Fig.2 NBX‑6050A neubre scope

图3 悬臂梁
Fig.3 Cantilever beam

图4 悬臂梁采集点位置
Fig.4 Cantilever beam measuring point location
NBX‑6050A光纳仪采集悬臂梁动态应变,性能参数选择50 m监测范围,初始测量参数设置如
参数 | 采样间隔/m | 初始频率/GHz | 终止频率/GHz | 扫频步长/MHz |
---|---|---|---|---|
数值 | 0.05 | 10.500 | 11.098 | 2 |
首先,进行初始测量,获得分布式光纤传感器的初始应变。
初始应变测量完毕,10个测点共获取10条布里渊增益谱曲线。实验重复14组,共获取63 000个布里渊增益‑频率数据对。根据得到布里渊增益‑频率数据对,分别使用传统
其次,采用均方根误差(root mean squared error,简称RMSE)定量评价3种初值提取方式拟合的洛伦兹曲线拟合性能,即
(7) |
其中:Bm为实测的布里渊增益;Bc为拟合的布里渊增益;N为布里渊增益总数。
以8号测点的BGS为例,采用3种初值选取方式拟合的洛伦兹曲线拟合结果如

图5 拟合结果
Fig.5 Fitting results
方法 | RMSE/dB | Y/dB | h/dB | X/GHz | /GHz |
---|---|---|---|---|---|
传统法 | 0.263 | 74.525 | 6.503 | 10.911 | 0.118 |
BP | 0.213 | 76.560 | 6.583 | 10.900 | 0.107 |
LSTM | 0.169 | 74.476 | 6.636 | 10.902 | 0.111 |
1~10测点的均方根误差如

图6 1~10测点的均方根误差
Fig.6 Root mean square error of 1~10 measuring point
然后,根据
参数 | 空间采样间隔/m | 固定频率/GHz | 扫频步长/MHz | 重复次数 |
---|---|---|---|---|
取值 | 0.05 | 10.836 | 2 | 4 000 |
通过在5,6号采集点之间的5号单元锯切深度为a的裂纹来模拟悬臂梁的损伤,裂纹的长度与悬臂梁的宽度一致。5号单元裂纹损伤如

图7 5号单元裂纹损伤
Fig.7 Crack damage in unit 5
工况 | 损伤程度/% | 损伤位置 |
---|---|---|
1 | 0 | - |
2 | 10 | 5,6采集点中间 |
3 | 30 | 5,6采集点中间 |
4 | 40 | 5,6采集点中间 |
最后,使用冲击力锤对4号测点进行激励,采集悬臂梁动态应变数据。以各工况的5号采集点为例,5号采集点动态应变检测结果如

图8 5号采集点动态应变检测结果
Fig.8 Dynamic strain detection results at point 5
根据
工况 | 损伤指标 | 单元 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
2 | D | 57.60 | 64.51 | 69.12 | 81.00 | 115.5 | 86.60 | 69.90 | 63.36 | 62.21 |
D | 0.005 | 0.014 | 0.018 | 0.001 | 0.901 | 0.018 | 0.067 | 0.059 | 0.045 | |
振型变化 | 0.117 | 0.119 | 0.190 | 0.181 | 0.213 | 0.246 | 0.082 | 0.074 | 0.085 | |
3 | D | 104.8 | 120.5 | 209.5 | 257.0 | 523.8 | 91.82 | 91.87 | 73.32 | 68.09 |
D | 0.053 | 0.075 | 0.068 | 0.074 | 5.260 | 0.790 | 0.400 | 0.362 | 0.280 | |
振型变化 | 0.158 | 0.160 | 0.178 | 0.177 | 0.356 | 0.133 | 0.066 | 0.068 | 0.053 | |
4 | D | 16.24 | 25.98 | 28.42 | 32.00 | 812.00 | 60.00 | 12.00 | 16.24 | 15.43 |
D | 1.400 | 1.850 | 2.060 | 3.290 | 35.00 | 0.720 | 1.790 | 1.890 | 2.040 | |
振型变化 | 0.079 | 0.127 | 0.131 | 0.163 | 0.396 | 0.091 | 0.068 | 0.057 | 0.048 |
工况2损伤指标如

图9 工况2损伤指标
Fig.9 Damage index of working condition 2
工况3损伤指标如

图10 工况3损伤指标
Fig.10 Damage index of working condition3
工况4损伤指标如

图11 工况4损伤指标
Fig.11 Damage index of working condition 4
综上可知,在损伤程度为10%的情况下,损伤指标表现出更高的识别精度。这表明对结构中微小裂纹损伤具有更为敏感和精准的探测能力。
损伤指标值与损伤程度之间的关系如

图12 ∇D值与损伤程度之间的关系
Fig.12 Relationship between ∇D value and damage degree
1) 基于分布式光纤传感器监测悬臂梁的动态响应应变,提出了利用基于应变传递率梯度的损伤指标(值)进行结构损伤识别的新方法。实验结果表明,该方法能够准确识别不同损伤工况下悬臂梁的损伤位置,为工程结构的安全运行提供了新的保障手段。
2) 利用LSTM算法拟合实测BGS曲线,并提取4个参数(Y,h,X和)的初始值。相较于传统方法,LSTM能够实现更高精度的洛伦兹曲线拟合,提高了数据处理的准确性。
3) 通过采用光纤传感器,克服了点式传感器的布设限制,实现更为灵活、密集和高分辨率的结构监测。这种技术不仅提高了监测的灵活性,而且为结构健康监测提供了更为详实的数据,利用应变传递率梯度进行损伤识别,可削弱噪声的影响,提高数据的质量和可靠性。
4) 损伤指标(值)与振型变化的对比结果表明,当裂纹深度为截面高度的10%时,无损单元与损伤单元的值差异显著,有效避免了误判,验证了值在毫米级裂纹的情况下对损伤位置的准确识别能力。
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