冲击定位可为结构冲击损伤提供准确的位置信息。基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器存在解调频率低、需要训练样本等缺点,提出了一种利用光纤Sagnac传感技术实现结构冲击定位的方法。基于此方法的传感系统主要由宽带光源、光纤Sagnac干涉仪、光探测器以及数据采集与处理单元构成。当粘贴在结构表面的传感探头受到冲击应力波作用时,Sagnac干涉仪相位受到调制,从而导致输出的光强发生变化,通过光探测器将光信号转换为电压信号输出。首先,对传感系统采样的时域信号进行小波降噪和去直流干扰处理,再利用Db4小波包进行能量特征提取与信号重构,并获取应力波到达2端的传感器的时间,最后利用时差法进行冲击定位。为了验证该冲击载荷定位系统的有效性,对长度为100 cm的钢管结构进行了35次低速冲击实验。结果表明,该方法可以有效地识别冲击位置,最大定位误差和最大均方根误差分别为0.65 cm和0.36 cm。研究结果可为结构冲击定位提供另外一种可靠的方法。

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求, 提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型, 并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。 无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤, 在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯, 外界环境介质当作包层, 构成光波导结构。 这与普通多模光纤相比, 不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀, 不会降低光纤的机械性能, 也不会破坏芯模传输条件, 可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。 当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时, 其波导结构和包层有效折射率均会发生改变, 从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变, 最终导致不同波长对应传输光功率的变化。 上述效应反映在反射光谱上, 即干涉波谷对应的谐振波长、 波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化, 通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。 借助光束传播法(BPM), 数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律, 并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头, 将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接, 采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜, 用以提升反射光谱强度。 在此基础上, 搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统, 并开展了相关实验研究。 研究结果表明, 当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时, 随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2, SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移, 其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1, 相关系数为0.93; 反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势, 其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。 当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时, 随着液体折射率依次增大, SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象, 且均逐渐向长波方向偏移, dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1, 相关系数为0.96; 反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势, 其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。 对比分析可知, 不论是从反射峰谐振波长偏移的角度, 还是从反射峰值强度的角度, 自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。 对于相同折射率液体环境, 非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比, 呈现显著变窄趋势。 相对于SMS透射型传感结构, 当传感区域长度相同时, SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。 这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点, 具有结构简单、 易于制作、 抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点, 能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。

载荷识别在结构健康监测中的地位十分重要,为了在结构健康监测的同时利用最优化算法对系统进行有效控制,提出了一种基于光纤光栅(FBG)传感器和卡尔曼滤波器的载荷识别算法。该算法建立在卡尔曼滤波器的基础上,以FBG传感器测得的应变值作为观测信号,通过卡尔曼滤波器产生的增益矩阵、新息序列和协方差矩阵,利用最小二乘算法实时估计载荷的大小。此算法只需采集前一时刻的估计值和当前时刻的观测值即可估计出当前时刻的载荷,无需存储和读取大量数据。同时,基于卡尔曼滤波器在进行结构健康监测的同时能够应用最优化算法对系统进行控制。为了对识别算法进行验证,采用梁系统作为仿真和试验对象,通过FBG传感器测得的应变值识别载荷。结果表明,所提动态载荷识别算法能够很好地抑制噪声,具有良好的稳定性和实时性。

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题, 通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络, 分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识, 采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明：在碳纤维复合材料板上240 mm×240 mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别, 实现了所有冲击实验点的区域辨识, 坐标定位的平均误差为20.7 mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度, 提出了一种新型EFPI传感结构, 并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先, 介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法; 接着, 建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型, 并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真, 对它在不同受压力下进行理论模拟, 获得了腔长变化与压力之间的关系; 最后, 对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明, 镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083 pm/℃, 具有温度自补偿特性; 它对横向负载的检测灵敏度可达40.83 m/g, 相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合, 为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。

灵敏度是衡量传感器的重要指标之一, 基于双折射光纤环镜(PM-FLM)应变传感器灵敏度理论模型, 通过数值模拟与实验的方法, 在不增加系统复杂性的前提下, 通过自身性能优化PM-FLM轴向应变灵敏度; 同时研究了双折射光纤(PMF)长度对PM-FLM轴向应变灵敏度的影响。 研究结果表明: 对于相同PM-FLM, 可以选择长波长监测点优化轴向应变灵敏度; 对于双折射率相同的PM-FLM, 可以选择双折射应变系数较大的PMF优化轴向应变灵敏度。 对于双折射应变系数相同的PM-FLM, 可以选择双折射率较小的PMF优化轴向应变灵敏度。 PM-FLM传感器应变灵敏度与PMF长度无关。

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求, 提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。 给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理, 得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型, 构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。 通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器, 解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。 研究表明, 这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响, 还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。 随着金属管腐蚀程度加深, 其管壁逐渐变薄, 光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移, 且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。 这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。

针对板结构低速冲击定位需求，通过构建分布式光纤布拉格光栅（FBG）传感网络，并以光纤光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的关联维数作为冲击特征量，研究了关联维数与冲击点和传感器之间距离的分布规律。基于此分布规律，对冲击载荷位置进行了区域辨识，采用三圆取交的冲击定位算法实现了对冲击载荷位置的坐标定位。对机翼盒段结构划分区域，根据算法特点优化传感器排布，搭建冲击载荷监测实验系统，并进行低速冲击载荷实验。实验结果表明，在30 cm×30 cm的机翼盒段板结构上随机选取10个测试点进行低速冲击定位识别，实现了所有冲击实验点区域辨识，其正确率高达100%，坐标定位的平均误差为3.5 cm。该方法利用了6个光纤布拉格光栅传感器能够有效地实现对冲击载荷位置辨识，对实现分形维数与冲击监测技术相结合具有一定意义。

针对多主体协作健康监测系统中光纤传感网络链路故障，提出了一种基于光开关和图论的光纤传感网络自修复方法。研究采用图论相关理论表述含光开关光纤传感器网络链路的连通情况，据此研究了光纤传感网络出现链路故障时光开关的切换策略，实现对失效光纤布拉格光栅（FBG）传感器信号的自修复。以航空铝板结构试验件为实验对象，针对光纤传感网络典型链路故障，对基于光开关和多主体协作的光纤传感网络自修复效果进行了对比实验。实验结果表明：在光开关和主体协作下，识别精度较没有修复时识别精度提高10.02 mm，仅比网络结构完好时识别精度降低3.61 mm，有效提高了载荷识别精度以及光纤传感网络的可靠性。