围绕工字钢梁损伤识别问题,研制了一种新型双端固定梁结构光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器,实现了工字钢梁振动响应的有效获取。在此基础上,研究了工字钢梁损伤自动识别方法,利用其对FBG振动传感器获取的振动响应进行处理。该方法采用小波包能量比变化偏差(ERVD)作为损伤特征,进而基于极限学习机(ELM)算法实现工字钢梁损伤状态识别。传感器仿真模拟和实验测试结果表明:设计的FBG振动传感器频率响应范围为10~350 Hz,在加速度响应范围为0.2g~3.0g时,灵敏度为6.7 pm/g,具有良好的线性度和横向抗干扰能力。工字钢梁损伤识别实验结果表明:所提方法对工字钢梁的损伤状态识别准确率达到96.7%,与常规的基于back propagation(BP)神经网络的损伤识别方法相比,准确率提高了3.4个百分点。

针对铝合金结构服役过程中的疲劳裂纹监测问题,提出了一种基于光纤光栅传感阵列的疲劳裂纹实时监测方法。首先,结合扩展有限元技术获得裂纹扩展过程的应变场分布特征,进行传感器布局设计;其次,通过疲劳加载实验获取加载次数、裂纹长度对波长峰峰值的响应特征,采用三参数指数法进行疲劳扩展a-N(其中N为加载次数,a为裂纹长度)曲线拟合;在实验数据基础上,采用梯度提升回归树算法搭建疲劳损伤预测模型,并将其与线性回归、支持向量两种方法进行对比,选取可释方差、平均绝对误差、平均方差、决定系数和五折交叉验证等多种指标进行模型评估。结果表明,梯度提升回归树算法对疲劳裂纹长度的预测效果最佳。

建立一种能够快速、定量检测掺假普洱茶中香豆素、香兰素、乙基麦芽酚三种常见香精的方法。利用傅里叶变换近红外光谱技术结合偏最小二乘法对香精掺假普洱茶进行定量分析。分别建立三种掺假香精成分的定量分析模型,并对比基于不同预处理方法和未经光谱预处理的定量分析模型的预测能力。结果表明:结合不同光谱预处理方法实现的针对香豆素、香兰素和乙基麦芽酚三种香精的预测均方根误差分别为0.1461,0.1678,0.1800,预测决定系数分别为0.7989,0.7350,0.6938,三种香精的检测限为0.2 mg/g。近红外光谱技术结合偏最小二乘定量分析方法可以实现掺假普洱茶中三种香精成分的快速检测分析。

以航天器中结构的形态感知与可视化重构为研究背景,提出了一种基于准分布光纤光栅传感器网络的板状结构变形监测系统和坐标转换曲面重构算法。首先利用ABAQUS有限元分析软件对四边固支平板结构中心点加载的变形状态进行仿真分析,确定了光纤光栅传感器的位置;研究并分析了光纤光栅的应变检测原理以及基于坐标变换的三维曲面重构算法;最终搭建了一套变形检测系统并进行了相关实验。结果表明,测量点变形量的均方根误差≤0.04 mm,相对误差≤3.5%,该系统可用于航天器板状结构的变形监测。

近红外光谱检测已被应用于水泥生料成分的快速检测, 但现场环境中的湿度等因素会对光谱产生干扰, 从而降低检测精度。 为了提高检测精度, 在实验分析湿度对水泥生料近红外光谱检测影响的基础上研究了补偿方法。 在水泥厂选取了24份水泥生料样本, 其中18份作为校正集, 6份作为验证集; 水泥生料中的有效成分为SiO2, Al2O3, Fe2O3和CaCO3, 各成分含量的标准值由X射线荧光光谱分析测出。 首先, 将校正集的18份样本每份重复装样测5次光谱, 用得到的90个光谱建立模型Ⅰ; 再每份样品制作5个湿度梯度样本, 其获得过程为, 先将样本放置在电加热平台上, 用玻璃棒将样本摊平, 180 ℃下加热30 min, 再将样本放置在散热片上进行降温, 待样品恢复室温后取出进行第一次光谱扫描, 得到1个光谱, 将测量后的样本放入搅拌器, 使用装有去离子水的喷雾器对其喷雾两次, 然后搅拌30 s混合均匀, 测量混合后的样本得到下一个光谱, 重复该过程, 得到具有湿度梯度的5个光谱。 所有样本均采用烘干法进行湿度测量, 样本湿度变化区间在0.6%～2%以内。 对每个湿度梯度的样本测量1次, 用得到的这90个光谱建立模型Ⅱ。 然后, 将验证集的6份样本每份制作5个湿度梯度, 获取方式与校正集相同, 对每个湿度梯度的样本测量1次, 得到30个光谱。 所有光谱均采用多元散射校正预处理, 拟合波段选择4 000～5 000 cm-1, 建模方法采用偏最小二乘法。 比较同一份样本的5个湿度梯度, 可以看到在5 200 cm-1处光谱差异最大, 在其他位置也有肉眼可见的明显差异, 因此, 湿度变化对全波段光谱有明显的影响。 最后, 将这30个光谱输入模型Ⅰ与模型Ⅱ进行验证, 并对比模型Ⅰ与模型Ⅱ的预测均方根误差RMSEP。 模型Ⅱ中SiO2, Al2O3, Fe2O3和CaCO3的预测均方根误差RMSEP比模型Ⅰ分别减小了25%, 31.3%, 33.3%和25%。 实验结果表明, 水泥生料样本湿度对近红外光谱模型的预测结果具有一定的影响, 采用具有湿度梯度的样本进行建模可有效降低湿度对预测结果的影响。

通过建立校正集样本不同的模型Ⅰ与模型Ⅱ来研究温度对水泥生料近红外光谱模型的影响,其中模型Ⅰ中的建模样本为温度一致的样本,模型Ⅱ中的建模样本为温度变化的样本,建模方法采用偏最小二乘法。对比两组模型的预测结果可知,模型Ⅱ中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3的预测方均根误差与模型Ⅰ相比分别减小了78.3%、26.4%、42.9%、60.4%。实验结果表明:温度变化会导致预测结果产生一定的误差。在校正集中加入温度不同的样本进行建模,可以降低预测误差,使近红外光谱模型更好地应用于生产现场。

研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、 光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义。利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform, T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数 以及传输距离等参数对光束带来的影响。分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移, 光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离 轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移。

声发射技术是结构损伤检测的重要手段, 声发射源定位是损伤检测的首要环节。时差定位技术具有快速、高效、精确的特点, 以此设计了由菱形阵列光纤布拉格光栅(FBG)传感器构成的声发射定位系统。采用小波变换和传统阈值法提取特征信号, 结合互相关法获得传感器间的信号到达时差, 然后根据几何定位模型求解非线性方程组得到声源可能存在的位置, 最后根据时差的正负特性进一步确定声源的准确位置, 有效避免了伪声源的情况。在铝合金板上, 以对角线为48 cm×48 cm的监测区域进行了10组测试实验验证, 平均误差为1.29 cm。

提出一种在线型光纤法布里-珀罗折射率传感器。传感器由空芯光子晶体光纤两端熔接单模光纤而成。理论分析并实验验证了其折射率传感特性。结果表明, 干涉条纹对比度随溶液折射率的增加而减小, 与理论模拟一致。提出利用标准差解调方法对干涉谱进行分析, 标准差解调方法具有更好的线性度和准确性, 可靠性更高, 便于编程实现自动化、快速的数据分析和溶液折射率的实时检测。

设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器, 进行了结构理论分析, 并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统, 并通过增加反馈控制电路, 对F-P滤波器进行反馈控制, 实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试, 结果表明: 系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应, 系统的固有频率为380.0 Hz, 动态响应范围可达65.6 dB, 频率响应范围为10.0 ~240.0 Hz, 灵敏度为236 pm/g, 所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力, 干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。