基于三角波定位監(jiān)督的分布式CFRP-OFBGs早期損傷檢測(cè)方法

趙軍 鄧?yán)誓? 徐奕奕

摘? 要：在分布式碳纖維復(fù)合材料-光纖光柵（CFRP-OFBGs）復(fù)合板的早期損傷監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)方法如最大檢測(cè)算法MDA（Maximum detection algorithm，MDA）檢測(cè)效果較好，但計(jì)算空間與時(shí)間復(fù)雜度都很高，不適用于工程計(jì)算.因此，提出了一種新的快速三角波監(jiān)督定位策略.該策略基于相同的反射光譜波長(zhǎng)偏移，通過(guò)檢測(cè)三角邊界來(lái)獲得近似結(jié)果.通過(guò)CFRP-OFBGs復(fù)合板壓力實(shí)驗(yàn)，比較了本算法與最大檢測(cè)算法在檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度上的不同.結(jié)果表明：在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)下，雖然精度下降約15%，但不影響識(shí)別準(zhǔn)確度.此外，相較MDA算法，三角波監(jiān)督檢測(cè)策略能在CPU執(zhí)行時(shí)間上大約快1倍，因而是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)模型，能滿(mǎn)足大型工程損傷檢測(cè)需求.

關(guān)鍵詞：OFBG;三角波定位;CFRP;時(shí)間復(fù)雜度

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332.025? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.008

0? ? 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由于其高強(qiáng)度、高剛度、耐疲勞、重量輕、無(wú)腐蝕等特點(diǎn)，在施工設(shè)計(jì)、施工方法、施工處理中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].同時(shí)CFRP復(fù)合材料的早期結(jié)構(gòu)破壞很難預(yù)測(cè)，特別是微尺度裂紋，表面不可見(jiàn)，但在反復(fù)荷載作用下，容易導(dǎo)致脆性斷裂從而帶來(lái)災(zāi)難性后果.對(duì)CFRP板進(jìn)行健康監(jiān)控和早期干預(yù)是工程應(yīng)用中的熱點(diǎn)問(wèn)題.當(dāng)前的研究提出了若干種方法，如超聲檢測(cè)、電阻變化法 （ERCM）、脈沖紅外熱成像、碳納米管接頭增強(qiáng)感應(yīng)法和圖像智能掃描輔助檢查技術(shù)等.近年來(lái)，CFRP-OFBGs結(jié)構(gòu)，即將光纖光柵傳感器（OFBG）嵌入CFRP層，與光纖系統(tǒng)高度集成，成為一種新的早期損傷下的檢測(cè)方法，應(yīng)用于越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域[3-6].

當(dāng)前研究表明，CFRP-OFBGs板能對(duì)基體開(kāi)裂、纖維與基體分離、去骨、脫層、壓痕和纖維斷裂有效預(yù)警.主要工作原理是根據(jù)OFBG在應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度和壓力等物理參數(shù)，或者其參數(shù)組合作用下產(chǎn)生的布拉格波長(zhǎng)位移來(lái)確定的.基于該原理，目前開(kāi)發(fā)出許多用于OFBG波長(zhǎng)位移監(jiān)測(cè)的解調(diào)方案，如基于光纖邊緣濾波器[7]、可調(diào)諧光纖激光源[8]和傅里葉域模鎖相技術(shù)[9]，但這些的波長(zhǎng)掃描頻率已達(dá)數(shù)千赫茲，需要高速采集和計(jì)算能力.其中，最大檢測(cè)算法[10-11]是最傳統(tǒng)的算法，對(duì)FBG頻譜失真的敏感性較高.然而，該算法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是CPU計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，較難滿(mǎn)足多動(dòng)態(tài)傳感系統(tǒng)的要求.為了加速采集過(guò)程，當(dāng)前主要的方法是減少采樣的數(shù)量，從而降低波長(zhǎng)分辨率，如質(zhì)心檢測(cè)算法（Centroid detection? ? algorithm，CDA）、多項(xiàng)式擬合算法[12]等;但低樣本光譜分辨率下又會(huì)產(chǎn)生較差的識(shí)別精度.

此外，隨著CFRP板的廣泛應(yīng)用，不同于實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量技術(shù)（如單點(diǎn)感應(yīng)、電阻或振動(dòng)線(xiàn)），基于CFRP-OFBGs復(fù)合板的損傷監(jiān)測(cè)只有在多點(diǎn)監(jiān)控時(shí)才有工程意義.光纖的波長(zhǎng)分辨率沿光纖長(zhǎng)度5 mm就可以開(kāi)始，從計(jì)算的角度來(lái)看，這類(lèi)精細(xì)的步長(zhǎng)，使得采集的數(shù)據(jù)具有連續(xù)的幾何意義，能非常好地服務(wù)于工程;但在分布式檢測(cè)中，計(jì)算數(shù)據(jù)與風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)過(guò)程更加密集，顯然為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)監(jiān)控帶來(lái)了更大的負(fù)擔(dān).傳統(tǒng)的CDA等算法往往不能滿(mǎn)足增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求.

基于上述背景，提出了一種面向分布式CFRP-OFBGs復(fù)合板的三角波定位監(jiān)督損傷檢測(cè)方法.并應(yīng)用在MDA算法中.最后，將該方法應(yīng)用于小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校瑢?duì)應(yīng)用三角波定位監(jiān)督策略與原算法在性能上進(jìn)行了比較;測(cè)試并分析了該方法在損傷定位和檢測(cè)中的有效性.

1? ? ?分布式CFRP-OFBGs內(nèi)部損傷監(jiān)控系統(tǒng)

1.1? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)置

分布式CFRP-OFBGs內(nèi)部損傷監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，所采用的OFBG傳感器呈網(wǎng)狀排列，平行于加載方向.本系統(tǒng)使用一個(gè)4陣列嵌入式光纖光柵.

此外，數(shù)據(jù)采集的形式為支持單點(diǎn)、多個(gè)數(shù)據(jù)與連續(xù)數(shù)據(jù)3種，并允許其根據(jù)需要混合進(jìn)行，如圖2所示.

結(jié)構(gòu)檢測(cè)軟件架構(gòu)如圖3所示.基于嵌入式? ?OFBG的傳感技術(shù)來(lái)獲得應(yīng)變、壓力、濕度等信息.數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)采集和信號(hào)的平均、平滑和濾波等.特征提取包括損傷信號(hào)提取和損傷分析;損傷監(jiān)測(cè)算法包括基體開(kāi)裂、纖維與基體分離、去骨、脫層、壓痕和纖維斷裂等的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，特別是表層不可察覺(jué)的分層和橫向裂紋.本方法在原有的MDA算法基礎(chǔ)上，將該類(lèi)偏移檢測(cè)定位在局部（三角）區(qū)域進(jìn)行測(cè)量.這種方法基于正常健康狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)，只針對(duì)異常或隨機(jī)突變進(jìn)行分析，即三角區(qū)域內(nèi)未受擾動(dòng)的光纖光柵光譜與受擾動(dòng)的光纖光柵光譜之間的相移來(lái)確定波長(zhǎng)的偏移，從而更快速獲取檢測(cè)結(jié)果.

1.2? ? 基于三角波定位的監(jiān)督偏差策略與算法

1.2.1? ?三角波定位算法的基本原理

1.2.2? ? 三角波邊界定位監(jiān)督偏差處理

在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)基本解方法[17]，三角模型具有頂點(diǎn)最少，邊界清晰的特點(diǎn).因此，提出了一種基于基本解的三角剖分檢測(cè)法.圖4給出了本場(chǎng)景下常見(jiàn)的損傷類(lèi)型，包括分離、錯(cuò)層和纖維斷裂等.

具體實(shí)施中，根據(jù)CFRP-OFBGs板實(shí)際尺寸，遵循結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，選取A1、A2、A3為頂點(diǎn)，進(jìn)行三角波信號(hào)損傷檢測(cè).對(duì)于三角波信號(hào)網(wǎng)格，更嚴(yán)重的網(wǎng)格變形和更大的三角形狀就意味著更嚴(yán)重的破壞.圖5為 OFBG陣列三角剖分示意圖，所示三角模型可以清楚地指示出沖擊位置和損傷程度.

2? ? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

共設(shè)計(jì)測(cè)試了3個(gè)矩形CFRP-OFBGs混凝土試件，試件長(zhǎng)度均為2 200 mm，截面尺寸為120 mm×200 mm，計(jì)算跨度為1 800 mm.圖6為OFBG嵌入的位置和數(shù)量，圖7為部分實(shí)驗(yàn)裝置圖.其中，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，彈性模量為33.0 GPa，立方體抗壓強(qiáng)度為41.38 MPa.此外，主受拉鋼筋的彈性模量為200 GPa，屈服強(qiáng)度為608.40 MPa.在本次案例的設(shè)計(jì)中，CFRP-OFBG板所使用的OFBG傳感器的中心波長(zhǎng)變化范圍大于每分鐘10 000，測(cè)量分辨率設(shè)置為10 mm，應(yīng)變的感應(yīng)系數(shù)為 1.2 [pm/]（×[10-6]）.

如圖6所示，測(cè)量結(jié)果是來(lái)自對(duì)3塊CFRP-OFBGs智能板，在左下角（T1）、中心（T2）和右下角（T3）不同位置分別進(jìn)行1次撞擊的不同結(jié)果.希望檢測(cè)的結(jié)果能發(fā)生在早期損傷之中、中期損傷之前.在測(cè)試中，撞擊順序分別為T(mén)2、T1、T3.

圖8給出了一個(gè)典型的案例，描述了極限荷載下T1、T2、T3區(qū)的應(yīng)變變化. 3次試驗(yàn)均較好地完成了檢測(cè)任務(wù)：早期階段，如圖8（b）所示，T2撞擊區(qū)附近的混凝土應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，并產(chǎn)生彎曲裂縫;然后，其中一條裂紋迅速擴(kuò)展，形成主裂紋，主裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致梁的剛度迅速退化.第二次荷載為裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，如圖8（a）所示，跨中較遠(yuǎn)處出現(xiàn)新的彎曲裂紋，這一階段梁的整體變形變化不大.最后階段，如圖8（c）所示，裂縫快速擴(kuò)展破壞，受拉鋼筋因疲勞損傷累積出現(xiàn)明顯裂變.本損傷檢測(cè)算法能獲取瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失和隨時(shí)間變化的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失的變化趨勢(shì)，所有檢測(cè)過(guò)程都未出現(xiàn)任何失效或奇怪反應(yīng).

圖9為加入三角波偏差監(jiān)督策略后與原MDA算法相比的計(jì)算精度和準(zhǔn)確度.改為三角波掃描識(shí)別后，與原MDA算法波形相比，波形的波長(zhǎng)銳減，這是一個(gè)精度損失的明顯標(biāo)志.例如，在圖9的場(chǎng)景中，借助中位數(shù)計(jì)算方法[18]，每隔36 s進(jìn)行一次平均波長(zhǎng)峰值對(duì)比.以793 ～829 s的區(qū)間為例，中位數(shù)分別為3和14，其精度損失則為兩數(shù)的比值21%.以此類(lèi)推，圖9的整個(gè)計(jì)算平均精度損失約為15%.但同時(shí)，也觀察到，不同波長(zhǎng)分辨率下的波形是近似的，說(shuō)明其檢測(cè)結(jié)果仍能鎖定損失區(qū)域.這說(shuō)明，精度的損失不影響損傷的識(shí)別準(zhǔn)確度，且有效地避免了MDA的峰值鎖定效應(yīng).

此外，計(jì)算時(shí)間也是評(píng)價(jià)三角波偏差監(jiān)督處理后算法性能的一個(gè)關(guān)鍵因素.圖10為加入三角波定位監(jiān)督策略后計(jì)算性能的比較.其中，橫軸顯示了采樣的樣本數(shù)量，縱軸為Makespan，即CPU最大完工時(shí)間.為了便于比較，所有檢測(cè)都在AMD Ryzen 9 3900X處理器上進(jìn)行.結(jié)果表明，本文策略下的計(jì)算性能優(yōu)于原始算法，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)采集頻率為50 Hz，N[>]105時(shí)，應(yīng)用三角波邊界監(jiān)督定位法比原方法加速了1倍左右. 如圖10所示，當(dāng)光譜樣本數(shù)量N=105時(shí)，執(zhí)行速度約為0.95 ms，而原來(lái)的算法需要1.9 ms.從實(shí)用的角度來(lái)看，這意味著所提出策略將允許在大約1 kHz的掃描頻率下，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量.

從圖10同時(shí)觀察到，當(dāng)分布式CFRP-OFBGs規(guī)模變大，數(shù)據(jù)掃描頻率和分辨率都同時(shí)增大，數(shù)據(jù)采樣達(dá)到更大規(guī)模時(shí)，本策略下的MDA算法最大完工時(shí)間有趨緩的趨勢(shì).這表明了本算法在應(yīng)對(duì)實(shí)際工程大規(guī)模處理時(shí)的有效性.

3? ? 結(jié)論

光纖光柵（OFBG）可以作為應(yīng)變、溫度和壓力測(cè)量的傳感器，然而在工程實(shí)踐中，需要精細(xì)的波長(zhǎng)分辨率和足夠的檢測(cè)點(diǎn)來(lái)支持.本文給出了一種基于三角波損傷監(jiān)督策略的CFRP-OFBGs早期檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).測(cè)試結(jié)果表明，該策略與經(jīng)典的最大檢測(cè)算法使用全局信息監(jiān)測(cè)相比，檢測(cè)精度下降約15%;但不影響結(jié)果準(zhǔn)確度的識(shí)別，可看作是一種可信保真模型.此外，上述三角剖分定位檢測(cè)法，由于本質(zhì)上采用了最少量的數(shù)據(jù)處理，因而運(yùn)行時(shí)間提高1倍以上;從數(shù)據(jù)處理能力上來(lái)看，非常適用于分布式場(chǎng)景下的CFRP檢測(cè)，能適應(yīng)工程領(lǐng)域的需求.

不足之處是，盡管該三角波邊界監(jiān)督策略有效降低了計(jì)算量，且峰值檢測(cè)結(jié)果有效、保真，但其仍然隸屬于傳統(tǒng)的監(jiān)督策略、較多依賴(lài)工程師實(shí)際經(jīng)驗(yàn).進(jìn)一步的工作將基于歷史數(shù)據(jù)和啟發(fā)式算法，給出三角波模型定位時(shí)的閾值估算智能算法.

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（責(zé)任編輯：羅小芬、黎? ?婭）