基于多段FBG传感器的悬臂梁位移重建与频率分析测试研究

一、概述FBG光纤布拉格光栅传感器凭借精度高、抗电磁干扰、可分布式测量等优势在结构健康监测领域应用广泛。其核心工作原理是通过感知应变或温度变化引发的布拉格波长偏移实现对被测结构状态的精准捕捉且单根光纤可集成多个光栅具备紧凑化、可扩展的分布式测量能力。本次FBG测试的核心目的是验证将多段FBG传感器与共轭梁法CBM及频率分析相结合的技术方案能否实现悬臂梁在静态、动态及瞬态工况下的高精度位移重建与频率特性表征。通过获取FBG阵列的分布式应变数据转化为位移分布曲线并与梁理论、有限元法FEM结果对比验证同时挖掘系统在宽频共振响应捕获、模态识别及阻尼比计算方面的能力为梁结构紧凑可扩展的结构健康监测提供技术支撑。二、测试方案一测试对象与传感器配置测试选用1050铝合金悬臂梁尺寸为324mm×30mm×3mm材料参数为弹性模量72.2GPa、密度2650kg/m³、泊松比0.34。采用单根光纤刻写10个布拉格光栅的多段FBG传感器阵列光栅分布于300mm长度范围内通过氰基丙烯酸酯胶粘剂粘贴在梁上表面光纤中心线距顶端边缘2mmFBG1靠近固定端、FBG10靠近自由端形成沿梁长度方向的分布式传感节点。(a)沿梁分布的测量点示意图 (b)悬臂梁试件照片二测试系统与采样参数FGI系列产品是一款解调速率高达400kHz的高速光纤光栅解调仪波长重复精度达5pm可以对FBG传感器中心波长进行高速解调。广泛应用于高频应变、振动高速冲击爆炸等高速动态测量环境精准解析事件中的应变、频率等参数变化。FBG阵列的中心波长间隔最小为3nm覆盖1531nm-1558nm范围避免应变引发的波长偏移相互重叠。十段式FBG传感器阵列的初始中心波长三测试工况设计静态测试中在悬臂梁自由端5mm处沿宽度方向中心线依次施加100g、200g、300g静态载荷每次加载后待梁达到静力平衡再记录数据动态测试通过移除100g静态载荷使梁进入自由振动状态同步采集振动过程中的应变信号瞬态测试通过8.8g、6mm直径的钢球在距固定端240mm处斜向冲击梁模拟冲击载荷下的瞬态响应。带有FBG传感系统的静态加载试验实验装置采用钢球冲击的瞬态实验示意图四数据处理方法利用CBM将FBG测得的应变数据转化为梁的曲率经虚拟弯矩积分得到横向位移完整流程包括波长偏移计算、应变求解、分段平均、曲率计算、位移重建等步骤。同时结合快速傅里叶变换FFT进行频率域分析提取模态频率与振幅通过短时傅里叶变换STFT实现时频特征分析量化模态阻尼比。三、测试结果一静态位移重建结果静态载荷下FBG阵列测得的应变分布呈明显线性趋势符合悬臂梁静态受力的应变变化规律。通过CBM重建的横向位移曲线满足固定端零位移、自由端最大挠度的边界条件位移方向向下呈负值且挠度随载荷成比例增长。重建位移与理论预测值的均方根误差均低于2%其中100g载荷下为0.16%、200g载荷下为1.41%、300g载荷下为0.93%验证了静态测量的高精度。(a)实测应变分布 (b)相应重构位移的对比分析表1.重构位移与理论预测的均方根误差二动态振动特性结果动态自由振动测试中重建位移呈现连贯的振荡特性自由端FBG10的位移振幅最大向固定端FBG1逐渐减小符合悬臂梁模态响应的空间分布规律。FFT分析提取的一阶共振频率为24.0Hz与理论值高度吻合且仅识别出低阶主导模态高阶模态因衰减过快未被显著捕获。动态位移重建的均方根误差为4.41%略高于静态测试主要源于手动卸载带来的初始条件微小差异。(a)测量的应变响应(b)自由振动激励下的重构位移曲线(a)FBGs1至5与(b)FBGs6至10在自由振动激励下的频率响应表2.重构位移与理论解的均方根误差三瞬态冲击响应结果瞬态冲击测试中FBG阵列成功捕获到高达14kHz的宽频共振响应识别出34种模态涵盖弯曲、扭转等多种变形模式。应变振幅呈现明显空间梯度固定端附近的FBG1应变最大向自由端逐渐减小与局部动态载荷下的弯曲应变分布规律一致。模态频率与FEM预测值的RMSE小于0.2%多数模态的频率偏差在1%以内仅3阶和27阶模态因边界刚度与FFT分辨率影响存在稍大偏差。(a)FBGs1至5与(b)FBGs6至10的瞬态响应(a)应变信号与(b)位移(a)前34个模态频率的百分比误差(b)基于CBM与基于FFT的振幅对比四时频特征与阻尼比结果STFT分析实现了0-10kHz频段的时频特征提取清晰呈现了不同频率模态的时间分布其中0-1000Hz频段存在明确的模态脊线高频段1000Hz能量微弱。通过对STFT幅值包络的指数拟合量化得到前三阶弯曲模态的阻尼比分别为0.282%、0.226%、0.203%且阻尼比在各FBG传感位置的空间分布保持一致验证了阻尼比作为结构固有属性的稳定性。悬臂梁在0至10,000赫兹和0至1,000赫兹频率范围内的短时傅里叶变换STFT结果(a)FBG1和(b)FBG10FBG传感位置处共振模式的阻尼比四、测试结论一技术方案有效性验证多段FBG传感器与CBM、频率分析相结合的技术方案成功实现了悬臂梁静态、动态、瞬态多工况下的位移重建与频率表征。静态位移重建误差低于2%动态模态频率识别精度高于99.8%瞬态测试可覆盖14kHz宽频响应充分验证了该方案在不同工况下的适应性与可靠性。二FBG传感性能优势凸显FBG阵列的分布式测量特性能够精准捕捉应变与位移的空间分布规律单根光纤集成多光栅的设计兼顾了结构紧凑性与测量密度。传感器具备高灵敏度与抗干扰能力在静态稳定工况与动态、瞬态快速变化工况下均能采集到高质量信号为后续数据处理提供了可靠基础。三数据处理方法的实用性CBM为应变-位移转化提供了精准的理论支撑结合FFT与STFT的信号处理方法不仅实现了位移重建还能深入挖掘模态频率、振幅、阻尼比等关键参数丰富了结构健康监测的分析维度解决了单一测量方法难以全面表征结构状态的问题。四工程应用价值与展望该技术具有结构紧凑、可扩展性强、测量精度高的优势适用于梁类结构的结构健康监测可推广至机械装备、土木工程等领域的结构变形与振动监测场景。未来可通过与表面声波传感器、压电传感器等技术融合进一步拓展在复杂结构、恶劣环境下的应用范围提升监测系统的综合性能。