張法業(yè), 姜明順, 隋青美, 李東升, 曹玉強(qiáng), 路士增
(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南,250061)
基于光纖光柵和支持向量機(jī)的聲發(fā)射定位系統(tǒng)*
張法業(yè), 姜明順, 隋青美, 李東升, 曹玉強(qiáng), 路士增
(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南,250061)
利用光纖光柵傳感器和邊緣濾波原理構(gòu)建傳感系統(tǒng),結(jié)合小波分解與重構(gòu)和支持向量機(jī)算法,對(duì)鋁合金板聲發(fā)射定位進(jìn)行了研究。根據(jù)劃分區(qū)域進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),探索聲發(fā)射源所在區(qū)域與信號(hào)特征之間的關(guān)系。在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解的基礎(chǔ)上,使用近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),并對(duì)重構(gòu)后的各信號(hào)計(jì)算其振蕩能量作為信號(hào)特征,進(jìn)行聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別。以重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量作為輸入、聲發(fā)射區(qū)域位置類別作為輸出構(gòu)建支持向量機(jī)多分類模型,實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射區(qū)域定位識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在400 mm×400 mm×2 mm的鋁合金板上對(duì)36個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行了多次聲發(fā)射區(qū)域定位識(shí)別,在180次模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了176次聲發(fā)射區(qū)域準(zhǔn)確定位,正確率達(dá)到97.78%,聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別精度為30 mm×30 mm。該研究結(jié)果為機(jī)械結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射區(qū)域定位檢測(cè)提供了有效方法。
光纖光柵; 聲發(fā)射區(qū)域定位; 支持向量多分類機(jī); 小波分解與重構(gòu); 信號(hào)特征提取
大型機(jī)械結(jié)構(gòu)通常工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件工作負(fù)荷繁重,結(jié)構(gòu)疲勞損傷是其最危險(xiǎn)的一種損傷形式,它會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能大幅降低而無法識(shí)別[1-2]。在結(jié)構(gòu)疲勞損傷產(chǎn)生過程中,金屬變形、摩擦、微小裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展等會(huì)局部快速釋放能量產(chǎn)生聲發(fā)射,因此聲發(fā)射源位置的確定是實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械健康監(jiān)測(cè)的首要環(huán)節(jié),對(duì)大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。在聲發(fā)射定位系統(tǒng)中,聲發(fā)射傳感器是實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)和定位的關(guān)鍵部件之一。光纖光柵聲發(fā)射傳感器以其良好的絕緣性、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便和易于構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì),解決了傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器易受電磁干擾、不能在高壓和腐蝕等惡劣環(huán)境中應(yīng)用的問題,在聲發(fā)射檢測(cè)和定位系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。李寧等[3]利用光柵聲發(fā)射檢測(cè)方法檢測(cè)軸承外圈缺陷引起的聲發(fā)射信號(hào),所得信號(hào)譜底噪聲小、譜線清晰,優(yōu)于壓電式聲發(fā)射傳感器測(cè)得的信號(hào)。Pratik等[4]利用6只光纖光柵聲發(fā)射傳感組成的傳感陣列并結(jié)合參考數(shù)據(jù)庫算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料機(jī)翼聲發(fā)射定位。Kim等[5]使用單只光纖光柵聲發(fā)射傳感器在加筋復(fù)合材料板上進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)和低速?zèng)_擊源定位。
近年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲發(fā)射源定位算法做了大量研究。Yang等[6]利用多重信號(hào)分類算法和小波分析定位沖擊產(chǎn)生的聲發(fā)射源,平均誤差為9.47 mm。Xu等[7]使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸饨Y(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)S0模式的固有模態(tài)函數(shù)獲得波速,實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源定位,最大誤差為31.14 mm,平均誤差為19.73 mm。Li等[8]使用交叉時(shí)間頻譜法定位天然氣管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射源,在67.7 m長(zhǎng)的管道上實(shí)現(xiàn)了泄漏點(diǎn)定位,定位最大誤差為2.6 m,平均誤差為1.0 m。以上定位算法均需使用聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間或傳播速度。在實(shí)際應(yīng)用中,在噪聲和頻散效應(yīng)的影響下,信號(hào)到達(dá)時(shí)間和傳播速度難以精確獲取。因此,有學(xué)者利用智能算法進(jìn)行聲發(fā)射定位。Cheng等[9]使用BP小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)機(jī)上定位摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射源,誤差不超過70 mm。但是,由于在實(shí)際工程應(yīng)用中難以提取大量樣本用于算法訓(xùn)練,這些算法多用于實(shí)驗(yàn)室中。
聲發(fā)射定位需要一種小樣本的定位方法。筆者利用鋼球沖擊鋁合金板模擬聲發(fā)射源,采用具有體積小、本征抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的光纖布拉格光柵和邊緣濾波原理構(gòu)建傳感系統(tǒng),利用小波分解與重構(gòu)[10-11]提取聲發(fā)射信號(hào)特征,建立支持向量多分類機(jī)模型,實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射區(qū)域定位。
1.1 基于小波分解與重構(gòu)算法的信號(hào)特征提取
在鋁合金板聲發(fā)射定位實(shí)驗(yàn)中,鋁合金板上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是由材料中局部快速釋放能量產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波在板上傳播引起的[12-13]。由于不同頻率成分的彈性波傳播速度不同,使得彈性波傳播給板上不同位置的動(dòng)能不是同時(shí)完成的,能量的傳遞需要一定的時(shí)間才能完成。因此,鋁合金板上不同位置的傳感器所接收的振動(dòng)信號(hào)能量會(huì)存在差異。振蕩能量可用來表征振動(dòng)信號(hào)能量差異,其定義如下。
(1)
經(jīng)采樣得到的時(shí)間序列為F=(f(T),f(2T),…,f(nT)),則信號(hào)的振蕩能量表示為
(2)
小波分析可對(duì)信號(hào)的低頻和高頻部分進(jìn)行分解,根據(jù)被分析信號(hào)的特征自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶,使之與信號(hào)頻譜相匹配,從而提高時(shí)頻分辨率,有效反映信號(hào)的時(shí)頻特征。筆者選擇具有正交性、信號(hào)局部特征性描述能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的Db4小波作為聲發(fā)射信號(hào)特征提取的小波函數(shù),利用近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)對(duì)小波分解后的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),計(jì)算各個(gè)重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量作為模型的特征參數(shù)。
1.2C-SVC多分類算法
支持向量分類算法(C-supportvectorclassification, 簡(jiǎn)稱C-SVC)通過建立一個(gè)分類超平面作為決策曲面,使n維空間中正類和負(fù)類之間的隔離被最大化,從而實(shí)現(xiàn)空間上點(diǎn)的分類[14-15]。其兩分類算法表述如下。
設(shè)定訓(xùn)練集T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xl,yl)}∈(X,Y)l,其中,xi∈X=Rn,yi∈{1,-1},i=1,2,…l,則可以選取核函數(shù)K(xi,yi)和懲罰參數(shù)β構(gòu)造最優(yōu)化問題,即
(3)
其中:s.t.為約束條件。
(4)
其中:σ為核寬;‖·‖代表歐式范數(shù)。
求解式(4)得到最優(yōu)解為
(5)
(6)
得到?jīng)Q策函數(shù)為
(7)
上述算法解決了兩分類問題。當(dāng)處理多分類問題時(shí),需要通過組合多個(gè)兩分類器實(shí)現(xiàn)多分類器,即將某個(gè)類別的數(shù)據(jù)樣本歸為一類,其他剩余的數(shù)據(jù)樣本歸為另一類,這樣k個(gè)類別的數(shù)據(jù)樣本就構(gòu)造出了k個(gè)兩分類器。當(dāng)進(jìn)行多分類判別時(shí),將未知樣本分類為具有最大分類函數(shù)值的那類。
1.3 聲發(fā)射區(qū)域定位算法
基于支持向量多分類機(jī)的聲發(fā)射定位算法流程可總結(jié)為:a. 在鋁合金板上劃分p個(gè)待識(shí)別正方形區(qū)域,使用鋼球沖擊劃分的區(qū)域產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào),利用搭建的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集該信號(hào)作為原始數(shù)據(jù)樣本;b. 采用Db4小波對(duì)原始數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行小波分解,并使用近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu),計(jì)算重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量作為聲發(fā)射信號(hào)特征;c. 以重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量組成C-SVC多分類機(jī)模型數(shù)據(jù)樣本,并劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本和測(cè)試數(shù)據(jù)樣本;d. 使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本,選擇模型輸入為光纖布拉格光柵(fiberBragggrating,簡(jiǎn)稱FBG)傳感器檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)特征,模型輸出為待識(shí)別區(qū)域,建立由p個(gè)C-SVC兩分類器組成的C-SVC多分類機(jī)模型;e. 使用測(cè)試數(shù)據(jù)樣本對(duì)構(gòu)建C-SVC多分類機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射區(qū)域定位。
2.1FBG應(yīng)變?cè)?/p>
FBG傳感基本原理為
λB=2neffΛ
(8)
其中:λB為布拉格光柵反射波長(zhǎng);neff為光柵的有效折射率;Λ為光柵周期。
在不考慮溫度影響的情況下,聲發(fā)射產(chǎn)生的應(yīng)力波作用于FBG后,應(yīng)力波會(huì)對(duì)其有效折射率neff和光柵周期Λ進(jìn)行調(diào)制,使反射波長(zhǎng)λB發(fā)生變化。
聲發(fā)射產(chǎn)生的應(yīng)力波作用于FBG時(shí),光柵軸向受到非均勻應(yīng)變場(chǎng)作用,式(8)可改寫為
(9)
其中:p11和p12為有效彈光系數(shù);υ為光纖的泊松系數(shù);neff0和Λ0分別為初始狀態(tài)下的有效折射率和周期;εAE為應(yīng)力波產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)。
式(9)表明,當(dāng)鋁合金板受到鋼球沖擊產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)時(shí),粘貼在鋁合金板上的FBG波長(zhǎng)將產(chǎn)生變化。
2.2 聲發(fā)射定位系統(tǒng)搭建
聲發(fā)射定位系統(tǒng)主要由未經(jīng)平坦的放大自發(fā)輻射(amplifiedspontaneousemission,簡(jiǎn)稱ASE)光源、分路器、環(huán)行器、光電轉(zhuǎn)換及放大電路、數(shù)據(jù)處理單元、4只FBG傳感器和示波器組成。系統(tǒng)框圖和實(shí)物圖如圖1(a)和圖2所示。為實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的快速解調(diào),利用ASE光源線性段作為邊緣濾波器,結(jié)合邊沿濾波解調(diào)原理構(gòu)建光纖光柵解調(diào)系統(tǒng),其工作示意圖如圖1(b)所示。當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)作用于FBG引起其反射峰出現(xiàn)漂移Δλ時(shí),由于ASE光源斜邊濾波的調(diào)制,反射峰的強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)變化。這種變化通過光電轉(zhuǎn)換及放大電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)變化,最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元濾波處理后在示波器上顯示信號(hào)波形。
圖1 聲發(fā)射定位系統(tǒng)框圖Fig.1 The diagram of AE location system
圖2 聲發(fā)射定位系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 The pictorial diagram of AE location system
系統(tǒng)使用的ASE光源光譜如圖3所示。FBG1~FBG4的波長(zhǎng)均選擇在斜率最大的1 533nm~1 536nm單調(diào)區(qū)間內(nèi),光柵中心波長(zhǎng)選為1 534nm,粘貼時(shí)施加預(yù)緊力拉伸至534.55,1 534.586,1 534.565和1 534.577nm。
圖3 ASE光源光譜圖Fig.3 The ASE Laser Spectrum
選用400mm×400mm×2mm的鋁合金板,四邊固支在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。在鋁合金板上劃分36個(gè)30mm×30mm的正方形作為待識(shí)別聲發(fā)射區(qū)域,并將每一個(gè)正方形區(qū)域作為一類的類別,標(biāo)記為S={1,2,…,36},這樣就將聲發(fā)射區(qū)域定位問題轉(zhuǎn)化為C-SVC多分類問題,可以構(gòu)建C-SVC多分類機(jī)予以解決。聲發(fā)射區(qū)域劃分如圖4所示。
圖4 鋁合金板聲發(fā)射區(qū)域示意圖Fig.4 Layout of plate AE region on aluminum alloy
在鋁合金板4個(gè)對(duì)角粘貼4只FBG傳感器,中心波長(zhǎng)及粘貼位置如表1所示。采用質(zhì)量為26g的鋼球作為聲發(fā)射模擬裝置,以自由落體的方式進(jìn)行垂直沖擊,沖擊高度為260mm,對(duì)應(yīng)的沖擊能量為0.065J,沖擊速度為2.24m/s。
表1 FBG傳感器中心波長(zhǎng)及粘貼位置
Tab.1 The wavelength of FBG Sensors and attaching position
傳感器標(biāo)記中心波長(zhǎng)/nm粘貼位置/(mm,mm)FBG11534.552(30,30)FBG21534.586(370,30)FBG31534.565(370,370)FBG41534.577(30,370)
3.1 聲發(fā)射信號(hào)特征提取
在鋁合金板內(nèi)標(biāo)記為1,8,15,22,29和36的劃定區(qū)域上使用鋼球進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),以FBG1傳感器監(jiān)測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)為例研究聲發(fā)射區(qū)域與信號(hào)特征
之間的關(guān)系。圖5為對(duì)FBG1傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域1產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解,選擇Db4小波作為聲發(fā)射信號(hào)處理小波函數(shù)。具體處理過程主要是選擇近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)對(duì)分解后的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),并計(jì)算各個(gè)重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量。
采用同樣方法對(duì)FBG1傳感器監(jiān)測(cè)的上述6個(gè)位置的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理。將不同區(qū)域產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的振蕩能量特性做歸一化處理后,以聲發(fā)射區(qū)域?yàn)闄M坐標(biāo),以歸一化后的振蕩能量為縱坐標(biāo),繪制振蕩能量與聲發(fā)射區(qū)域柱形圖,如圖6所示??梢钥闯?,F(xiàn)BG1傳感器監(jiān)測(cè)到的不同區(qū)域的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)小波重構(gòu)后,各重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量存在差異。表現(xiàn)為使用近似系數(shù)重構(gòu)后信號(hào)的振蕩能量隨聲發(fā)射沖擊位置的遠(yuǎn)離而減小,使用細(xì)節(jié)系數(shù)重構(gòu)后信號(hào)的振蕩能量先減小后略微增大,說明FBG傳感器所監(jiān)測(cè)鋁合金板聲發(fā)射信號(hào)重構(gòu)后振蕩能量與聲發(fā)射區(qū)域有關(guān)。因此,提取聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)小波重構(gòu)后信號(hào)的振蕩能量作為信號(hào)特征可以用來進(jìn)行聲發(fā)射區(qū)域定位。
3.2 聲發(fā)射區(qū)域定位識(shí)別
3.2.1 C-SVC多分類機(jī)模型建立
采用鋼球依次沖擊圖4所示鋁合金板上劃定的36個(gè)聲發(fā)射區(qū)域各10次,共產(chǎn)生10組聲發(fā)射區(qū)域模型數(shù)據(jù)做訓(xùn)練樣本,建立C-SVC多分類機(jī)模型。其中,選取FBG傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)小波重構(gòu)后振蕩能量作為多分類機(jī)輸入,聲發(fā)射區(qū)域作為C-SVC多分類機(jī)輸出。影響C-SVC多分類機(jī)性能的主要因素為懲罰參數(shù)和核寬。為保證其性能,采用K-CV
圖5 FBG1監(jiān)測(cè)的區(qū)域1聲發(fā)射信號(hào)波形圖Fig.5 AE waveforms of FBG1 at area 1
圖6 不同位置聲發(fā)射信號(hào)振蕩能量分布圖Fig.6 The vibration energy distribution of AE signal at different locations
(K-fold cross validation)方法選取懲罰參數(shù)c為103.9683,核寬g為0.143 6。將獲取的懲罰參數(shù)c、核寬g和10組實(shí)驗(yàn)樣本代入C-SVC多分類機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練樣本的聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別結(jié)果如圖7所示??梢钥闯觯珻-SVC分類機(jī)對(duì)10組訓(xùn)練樣本均實(shí)現(xiàn)了正確的聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別。
圖7 訓(xùn)練樣本的聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別結(jié)果Fig.7 Identification results of AE region based on training samples
3.2.2 C-SVC多分類機(jī)模型驗(yàn)證
圖8 預(yù)測(cè)樣本的聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別結(jié)果Fig.8 Identification results of AE region based on prediction samples
建立C-SVC多分類機(jī)后,再次使用鋼球?qū)D4所示鋁合金板上劃定的36個(gè)聲發(fā)射區(qū)域進(jìn)行沖擊各5次,產(chǎn)生5組聲發(fā)射區(qū)域模型數(shù)據(jù)作測(cè)試樣本,對(duì)建立的C-SVC多分類機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證。將測(cè)試樣本代入C-SVC多分類機(jī)模型進(jìn)行聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別,如圖8所示。圖8表明:對(duì)待測(cè)試的36個(gè)聲發(fā)射區(qū)域各5次模擬實(shí)驗(yàn)(共計(jì)180次)中,基于C-SVC多分類機(jī)聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)了176次聲發(fā)射區(qū)域的準(zhǔn)確定位,正確率為97.78%。分析區(qū)域定位錯(cuò)誤的4次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)基于C-SVC多分類機(jī)的聲發(fā)射區(qū)域識(shí)別算法將其定位在實(shí)際聲發(fā)射區(qū)域的相鄰區(qū)域內(nèi)(如第103次實(shí)驗(yàn)將實(shí)際聲發(fā)射區(qū)域21錯(cuò)誤地定位于聲發(fā)射區(qū)域27),屬于工程應(yīng)用可接受范圍。實(shí)驗(yàn)表明,基于S-SVC多分類機(jī)的聲發(fā)射區(qū)域定位系統(tǒng)具有可行性,區(qū)域識(shí)別精度為30 mm×30 mm。
利用小波分解與重構(gòu)和支持向量機(jī)算法,結(jié)合光纖光柵傳感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了鋁合金板聲發(fā)射區(qū)域定位識(shí)別。利用小波分解與重構(gòu)對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理,計(jì)算各重構(gòu)信號(hào)的振蕩能量。以振蕩能量為模型輸入,以聲發(fā)射區(qū)域?yàn)槟P洼敵?,搭建了基于支持向量機(jī)的光纖光柵聲發(fā)射區(qū)域定位系統(tǒng),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:該系統(tǒng)對(duì)36個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行了多次聲發(fā)射區(qū)域定位識(shí)別,在180次模擬聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了176次聲發(fā)射區(qū)域準(zhǔn)確定位,正確率達(dá)到97.78%,聲發(fā)射區(qū)域的識(shí)別精度為30 mm×30 mm。因此,利用小波分解與重構(gòu)和支持向量機(jī)算法,結(jié)合光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋁合金板聲發(fā)射區(qū)域定位具有可行性。
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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.01.030
*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472260);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014FM025);山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2014YQ009,2016JC012)
2016-06-24;
2016-07-06
TN254;TH39
張法業(yè),男,1984年12月生,碩士、工程師。主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)、光電子技術(shù)和信號(hào)處理。曾發(fā)表《基于可調(diào)諧DFB激光器的FBG加速度檢測(cè)系統(tǒng)》(《光電子·激光》2015年第26卷第11期)等論文。
E-mail: zhangfaye@sdu.edu.cn
隋青美,女,1963年1月生,教授。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)理論及應(yīng)用和光纖傳感技術(shù)。
E-mail: sdusuiqingmei@163.com