光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制

振动、测试与诊断

JournalofVibration,Measurement&DiagnosisVol.28No.4　

Dec.2008　

光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制

朱晓锦　陆美玉　赵晓瑜　张合生

(上海大学机电工程与自动化学院　上海,200072)

󰀁

摘要　以模拟太空帆板结构为试验模型,针对振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行柔性光纤机敏结构振动形态感知及其形状记忆合金(SMA)致动控制研究。技术方法上基于分布植入式FBG传感网络的信息感知特性与结构形态曲面拟合算法,实现结构分布多点曲率检测与形态重构,并为基于SMA致动的结构振动主动控制提供判决依据;基于结构表面分布配置的SMA驱动网络,采用分组交替驱动方式实现结构低阶模态大幅振动主动控制;设计试验模型结构与构建完整试验测控平台,并综合阐述了试验方案与试验过程。试验结果验证了结构振动形态感知的有效性,以及结构振动SMA致动控制的可行性和高效性,为航天柔性结构低阶模态振动主动监控提供了较好的技术探索思路。

关键词　布拉格光纤光栅　形状记忆合金　结构形态感知　振动主动控制　试验模型与平台中图分类号　TP391　TB535　V414

结构乃至航天器本体健康状况的重大作用性,因此,

引　言

大型柔性结构在航天器上的构成与应用越来越多,由此带来的结构振动监测与控制要求也愈加严格。传统技术方法难以达到日益提升的结构控制要求,由此导致智能材料结构研究的积极探索和不断深入,其中智能传感与智能驱动技术构成该领域研究的核心内容之一[1-3]。就融入结构基体的机敏传感材料而言,由于光纤光栅具有结构尺寸小、测量精度高、抗电磁干扰等特性,尤其具有良好植入亲和性和易于实现多路复用等技术优势,近年来面向智能结构状态监控与健康评估研究获得了重点关注[4-5]。就机敏驱动材料而言,形状记忆合金(SMA)具有大应力应变和高阻尼特性,尤其具有形状记忆和超弹性效应,因此作为致动材料广泛应用于智能结构研究中,并针对大应变低阶模态状况取得了良好的振动抑制效果[6-7]。当前,这两种机敏材料一般均独立应用于智能结构研究的不同方向,如光纤光栅侧重于结构健康监测,而基于SMA实现结构振动主动控制,实验中多是在人为观测下对SMA通电,获得结构低阶模态自由响应历程加快衰减,并未有效实现自主感知结构振动形态基础上的高效控制。

考虑到航天柔性结构如太阳能帆板振动状况的复杂性和随机性,尤其是低频大幅振动状态对帆板

󰀁

若能实现柔性帆板曲面振动信息的实时感知和振动形态重建[8],进而依据一定的控制策略驱动融合或嵌入于结构基体的机敏致动材料,则将进一步提高柔性智能结构的振动主动控制效果。就研究思路而言,可基于非视觉传感方法将光纤光栅传感阵列分布式植入到柔板面形中,通过获取振动柔板的分布传感信息,实现结构低阶模态振动形态的实时感知和重构;同时将SMA机敏致动材料以分组方式复合到柔性帆板结构,通过获知结构实时振动形态并基于设定的控制策略,合理驱动SMA致动组元实现交替驱动,可提高结构低阶模态大幅振动主动抑制的针对性和效率性。本文基于上述科研背景和研究思路,以模拟太空帆板结构为试验模型,着重进行光纤光栅机敏柔性结构低阶模态振动形态感知及其SMA致动控制研究,具体涉及研究思路阐释、技术方法分析、试验对象设计、试验平台构建、试验过程描述与试验结果分析等方面,获得了良好的技术方法探索与实际试验效果。

1　结构振动形态感知与重构

1.1　光纤光栅检测原理

　　振动形态实时感知的前提,是在结构面形上分

国家自然科学基金重大研究计划资助项目(编号:90405013,90716027);上海市教委“曙光计划”资助项目(编号:

04SG41);上海市重点学科建设资助项目(编号:T0103);上海市电站自动化技术重点实验室资助项目。收稿日期:2007-09-24;修改稿收到日期:2007-10-31。328

振　动、测　试　与　诊　断第28卷　

布离散植入光栅传感点并合理构成传感网络。具体选用直径为0.125mm的Bragg光纤光栅,其为单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成,由此成栅后光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应,具体结构如图1所示,其中󰀁为光栅栅距或光栅周期。

其中:P=0.5n2[p12-v(p11+p12)],为有效光弹系数,其值约为0.122。

由式(4)可知,针对直径为0.125mm的Bragg光纤光栅,通过检测轴向应变!,可得知󰀂b的漂移b。 󰀂

1.2　基于曲率信息的结构振动形态重构

鉴于FBG光栅中心波长变化量可以反映帆板结构上对应测点的应变信息,则可将所测应变信息直接转化为对应测点的形变曲率信息,过程如下。

图1　Bragg光纤光栅

如图2(b)所示,假设光栅长度为L,有效折射率为n,光栅的周期为∀,其中心波长为󰀂,板的厚度为h,板的中性面如图2(a)中的虚线所示。若某时刻传感器所测得波长变化为 󰀂,并用r表示此刻所测点的曲率半径,则FBG光栅参数之间存在如下关系

󰀂=2n∀

(5)

当光纤光栅所处环境物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,并使反射光的波长发生变化;通过测量变化前后反射光波长变化,就可获得待测物理量(如应变)的变化情况。光栅基本光学特性是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,

它满足如下光学方程

󰀂b=2neff󰀁

(1)

其中:󰀂b为Bragg波长,即后向反射波长;neff为光纤

有效折射率。

由于光纤光栅的被测物理量发生变化时,会引起neff和󰀁的相应改变,从而导致󰀂b的漂移;反之通过检测󰀂b的漂移,可得知被测物理量的信息。因此,一般集中在温度和应力的准分布式测量上,温度和应力变化所引起的󰀂b漂移量可表示为

b=2 neff󰀁+2neff 󰀁 󰀂

图2　板面形变与FBG光栅示意图

　　若∀变化了 ∀,由式(5)可得󰀂的变化,继而得出

此点长度的总变化

L= ∀L/∀= 󰀂L/(2n∀)

(6)

　　则可根据中性面计算出所测量点处的板面的长

度变化

L=Lh/(2r)

　　由式(6)、式(7)可得此点的曲率为

#= 󰀂/(nh∀)(8)　　由于试验中能够获得的曲率信息总是有限的,因此,采用基于离散测点曲率值线性插值方法,以获知尽可能多的有效连续曲率信息。

如图3所示,沿起点的切线方向作x轴, sn表示点(xn,yn),(xn+1,yn+1)间的圆弧长度,p(n)表示第n个插值点(xn,yn),O(n)表示圆弧p(n)O(n)所对应圆心,rn表示对应的曲率半径,∃n为直线

考虑到圆弧半径是个p(n)O(n)与垂直方向的夹角。

标量,为了计算的方便,引入了振幅半径的概念。假定圆弧逆时针变化时半径为正,反之为负。已知曲线离散点的曲率,起始点方向和每一圆弧微段曲率,即

可推出任意曲率采样点的坐标值,递推方法如下。(7)

(2)

　　该式表明,反射波长偏移与光纤芯有效折射率以及光栅常数变化有关。当光纤光栅受到轴向应力作用或温度变化影响时,neff和󰀁都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致折射率变化,形变使光栅常数变化。温度导致的光热效应使有效折射率改变,而热膨胀系数致使光栅常数改变。同时温度和应力的变化所引起󰀂b的漂移可表示为

2

nb=2neff󰀁1-[p12-v(p11+p12)]!+ 󰀂

2

2neff󰀁

a+dn T

ndt

(3)

其中:!为轴向应变;v为泊松比;pij为光压系数;a为热涨系数; T为温度的变化量;n为光纤模式有效折射率。

在温度恒定的条件下,可以导出Bragg波长变化 󰀂b与外加轴向应变!满足下式

󰀂b/󰀂b=(1-P)!(4)　第4期

朱晓锦等:光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制　329

由图3可知

∃1= s1/r1

则

O(1)x=0,　O(1)y=r1

p(1)x=r1sin∃1,　p(1)y=r1cos∃1

　　同理可得

∃2=∃1+ s2/r2

O(2)x=O(1)x+(r1-r2)sin∃1O(2)y=O(1)y-(r1-r2)cos∃1p(2)x=O(2)x+r2sin∃2

2p(2)y=O(2)y-r2cos∃

制时的驱动力,也可以用来控制结构刚度。

(9)

(2)超弹性效应。在一定温度以上恒温拉伸奥氏体SMA,在热与力的共同作用下,SMA除产生变

形外,还产生马氏体相变,马氏体相变也会引起SMA变形,其单轴拉伸应力应变曲线如图4所示。图中,O点至a点为奥氏体弹性变形;a点到b点的变形由应力诱发的奥氏体向马氏体的相变而引起,b点时奥氏体向马氏体的相变已经全部完成;b点到c点的变形是马氏体弹性变形,c点的应变可以达到8%;c点到d点为马氏体SMA因卸载引起的弹性回复;d点到e点是由于卸载造成的马氏体向奥氏体相变引起的变形,e点处马氏体已全部相变为奥氏体;e点到O点为奥氏体SMA弹性回复,O点应变为零。在合适温度和应力下,SMA的超弹性效应耗散了较多的能量,由此合理利用该特性可实现结构振动耗能控制,从而达到有效抑制结构振动响应的目的。

(16)(17)

　　用p(n)x,p(n)y分别表示p(n)的纵、横坐标,

(10)(11)(12)(13)(14)

　　由式(9～14)可以递推出第i个点的坐标和所对应的圆心

∃n+1=∃n+sn+1/rn+1

O(n+1)x=O(n)x+(rn-rn+1)sin∃n

nO(n+1)y=O(n)y-(rn-rn+1)cos∃

(15)

p(n+1)x=O(n+1)x+rn+1sin∃n+1p(n+1)y=O(n+1)y-rn+1cos∃n+1

图4　SMA的超弹性效应示意图

2.2　SMA致动控制思路

针对智能柔性帆板结构低阶模态振动主动控制,选择形状记忆合金SMA作为控制致动器;在试

图3　一次递推拟合示意图

验模型结构正反表面分别布置多组SMA材料,以串

并联形式连接并配置于帆板结构表面。控制策略产生是基于结构振动形态感知信息,通过感知振动结构形变方向,合理分组交替驱动布置于结构正反两面的多组SMA驱动单元,不仅可以有效抑制结构低阶模态振动响应,而且也一定程度克服了SMA响应较慢的特性缺陷。具体实现方式为基于融入结构基体的光纤光栅传感网络检测帆板结构形变曲率信息,根据结构形态拟合算法计算检测点坐标信息,以测点历史坐标信息判断该点运动方向。若为正向运动并已达最大,上位机测控系统产生控制策略,通过串口发送到下位机控制单元,控制单元依据控制信息驱动结构背面某组SMA致动单元动作;反之若为负向运动并已达最小,则布置在正面某组SMA致动单元动作;如此建立多组交替致动机制,使每组

通过试验SMA材料具有较为充裕的时间实现冷却。

数据分析与矫正,可设定每次通电的最佳时间。SMA材料的不同温度状态导致了其形状记忆效应和超弹性效应的综合发挥,从而基于SMA特性构成　　由此,曲面上所有曲率采样点的坐标值都可以计算出来,从而为曲面的重建和可视化显示提供了

基础数据。

2　结构振动SMA主动控制思路

2.1　形状记忆合金SMA特性

　　(1)形状记忆效应。SMA形状记忆效应是指SMA具有记忆特性并回复至它在奥氏体状态下形状的能力。一般在马氏体状态(室温状态)拉伸SMA并留下较大的塑性变形,则将SMA加热至一定温度后,马氏体就会转变为奥氏体,SMA将回复至母相形状且回复过程非常快。如果在SMA回复过程中,对SMA施加约束,那么SMA将会产生很大的回复应力(可达700MPa)。此种回复应力可用作结构控330

振　动、测　试　与　诊　断第28卷　

抵消器和耗能器,自主实现结构低阶模态大幅振动响应的SMA致动控制。

3　试验对象设计与试验环境开发

3.1　模型结构对象分析

　　试验模型对象针对航天器太阳能帆板,选用环氧树脂板进行模拟。主要参数为:弹性模量为65

3

GPa,泊松比为0.3,密度为7500kg/m,尺寸为1500×400×1.5(分别为长、宽、厚)。固定安装为悬臂梁方式,并在板面上分布植入FBG传感网络。同时基于低阶模态测控需求,重点考虑前3阶振动模态,并以此作为传感网络与驱动网络配位布置的依据。基于ANSYS分析软件对模型结构进行模态和力学特性分析,并获得结构前3阶振动模态特性,如图5所示。

其中:!为母态下弹簧丝所承受最大应GPa,n=100。

变;r为弹簧的丝径;D为弹簧的中径;Gof为弹簧丝的奥氏体弹性模量;Gmf为弹簧丝的马氏体弹性模量;n为弹簧的圈数。则形状记忆合金弹簧的相关力学计算公式如下

L=!%D2n/r(18)

F=Gr l/(8Dn)

4

3

(19)

图6　光纤光栅传感器优化布局示意图(单位:mm)

　　式(18)为密绕形状记忆合金材料弹簧的最大拉

伸量的计算公式,式(19)为弹簧弹力的计算公式,其中 l为弹簧相对于母态的变形量。

根据以上参数可以计算出弹簧的最大拉伸量为520mm,一般为确保SMA材料弹簧的形状记忆效应有效保持,!以不超过0.02为最优,因此,弹簧安全拉伸范围在140mm左右为宜,加上其本身长度共260mm,所制作的镍-钛系SMA弹簧如图7所示。为实现高效的SMA致动控制效果,SMA致动配位布局如图8所示,板的正反两面共布16根并分为8组致动组元。由于每根形状记忆合金弹簧两段还各有30mm左右的连接件长度,由此可以确保形状记忆合金弹簧的实际变化长度始终保持在140mm的最优工作范围内。

图5　模型结构前3阶振动模态分析图

为尽量提高离散光纤光栅传感网络对结构全局形态的测量精度,传感网络布局应该尽量测量前3阶模态所导致结构产生较大应变处的位置。另外,鉴于所采用的曲面拟合算法是逐点递推实现,靠近结构固定端根部的第1个测点的检测误差,对整个板面的拟合重建精确性具有最大化影响,因此,布局方案上每个通道的第1个传感点应尽量布置在模型结构的固定端根部,由此可以更加准确地测量板面各点的曲率变化。综合上述结构特性分析与算法要求,对试验结构模型的光栅传感网络优化布局方案如图6所示,共设计4个光纤光栅传感通道,每个通道设置6个光栅测点。

为增强SMA材料的驱动能力,具体设计上采用了SMA弹簧形式,相关技术参数如下:!≤0.07,r=0.85mm,D=4.5mm,Gof=700GPa,Gmf=2000图7　形状记忆合金弹簧外形图

图8　形状记忆合金弹簧配位分布图(单位:mm)

3.2　光栅传感网络和SMA致动网络构造

作为试验对象的环氧树脂基板具有较好的强度　第4期

朱晓锦等:光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制　331

和柔性,静态时能够保持较好的面形特征,施加激励时能产生较为理想的曲面变化形状。光栅传感测点粘贴方式如图9所示,在基板上刻出0.2mm宽的凹

槽,将直径为0.125mm的裸单模光纤光栅用胶水粘贴凹槽内。为了防止光纤光栅封装时产生双峰现象,采用光栅两端胶水封装。同时为了保证光纤光栅既能检测受拉应力又能检测压应力,在中间光栅处放置少量的胶水与基板粘贴。

试验台面的传递,同时试验台架安装有悬臂固支杆、激振器定位结构,以及导线接线排等。激振器作为外扰激励源对结构模型对象进行激励,使之处于低阶模态大幅振动状态,具体型号为江苏联能JZK-10;光栅信号解调仪器选择上海紫珊公司FONT-2201A型光纤光栅网络解调仪,采样频率最高为50Hz,并有4个测量通道;整体试验平台构成如图12所示。

图9　光纤光栅传感器粘贴方式图

图12　整体试验平台结构图

依据光纤光栅传感网络和SMA网络的优化布局方案,构建试验模型对象离散传感BFG网络如图10所示,SMA弹簧致动网络如图11所示。

SMA驱动模块主要包括基于C51系列单片机的测控单元、串口通讯单元、继电器驱动单元以及电路保护单元。控制策略通过串口接受,然后利用程序对控制策略进行解析,根据解析结果实现模块中继电器状态控制,从而实现控制信号的输出。低压大功率电源作为能量供给模块,并以驱动控制模块的继电器为开关,通过开关的状态决定SMA弹簧是否动作,从而产生控制动作。测控结构示意图如图13所示。

图10　光纤光栅传感网络示意图

图13　测控结构示意图

图11　SMA致动网络示意图

󰀁太空帆板;󰀂离散光纤光栅传感网络; 光栅信号分析仪;!计算机;∀显示设备;#驱动控制电路;∃大功率低压电源;%SMA弹簧组

3.3　试验平台的构建与开发

柔性机敏帆板结构振动主动监控试验平台的构建,硬件系统主要由固定支撑架构、试验模型对象、高性能计算机、光纤光栅网络信号分析仪、SMA驱动模块、驱动控制电路、示波器、激振器、功率放大器以及相关测控单元等组成。试验台架结构包括支撑钢板结构,具体尺寸为600×600×25(长×宽×高,单位:mm),并在铺垫橡胶垫的基础上安装于支撑试验台面上,以尽量减小模型对象振动响应向基础4　试验结果与分析

4.1　测控方式与过程

　　通过分布光纤光栅传感网络采集获取结构的形变信息,基于结构形变曲率信息和拟合算法,利用VisualC++环境,结合OpenGL技术,开发了光纤332

振　动、测　试　与　诊　断第28卷　

机敏帆板结构振动形态感知与可视化系统软件平台。基于OpenGL技术实时动态渲染在计算机屏幕上,实现曲面的三维振动形态重建及其可视化显示,如图14所示。

(1)按照时间顺序取一系列连续的控制点坐标(点的个数为3的倍数);

(2)将这些坐标按顺序等分为a,b,c组;(3)分别求出3组坐标数据之和:First,Center,Last;

(4)如果Center>First且Center>Last,则结构正向运动并且已经到了最大点;反之,若Center图14　软件平台的三维可视化显示效果图

基于振动形态感知和SMA致动的帆板结构振动主动控制,着重于结构低阶模态大幅振动状态进行,如图16、图17所示为实际模型结构一阶振动模态下的试验控制效果图。其中,图16为模型结构自由响应在自由衰减与主动控制两种状态下的时间历程曲线,对比可见施加控制后帆板振动响应衰减时间明显变短。图17为模型结构在激振器的持续激励下,基于SMA致动的结构受迫响应主动抑制的试验效果图,由图可见在施加主动控制状态下,结构受迫振动响应获得较为有效的抑制与降低,而停止控制后结构响应很快回复到原来的振动水平。试验过程中也发现,随着结构振动激励频率的提高,形态重建的失真度将加大,其原因在于结构表面应变变化更加剧烈,如此导致了曲率变化非线性加大。另外,虽然SMA致动采用了分组交替方式,但材料冷却的滞后特性仍对控制精度产生了一定的影响,同时反复的加热致动过程也导致材料形状记忆与超弹性特性的不断退化。

并行于结构形态重构与可视化显示过程,在获得离散布拉格光纤光栅网络检测所得帆板形变信息的基础上,依据拟合算法推出被测点空间位置坐标。针对被测点保存连续采样时间的多个坐标数据,利用该历史坐标数据,判定此点的运动方向。根据此点的运动方向,生成控制策略。SMA致动控制策略流程如图15所示。

图15　SMA致动控制策略流程

帆板低阶模态大幅振动时,板面上各点的坐标基本以正弦形式变化。因此,根据已经保存的某点历史坐标数据,即可精确判断出帆板的运动状况(即判断结构响应的波峰波谷)。考虑到实际试验过程中,光栅传感器的非线性以及帆板结构振动响应耦合性,导致所获取的坐标变化曲线是带有局部抖动的复杂数据,给运动状态的判断带来了一定的难度。由于控制点的坐标变化判断结构运动状态是控制策略正确产生的关键,试验过程中经反复摸索,成功实现了结构运动方向的准确判定,其过程如下:图16　自由衰减时间历程与受控衰减时间历程　第4期

朱晓锦等:光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制　333

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5　结　论

本文以模拟太空柔性帆板结构为试验模型,分析与研究基于非视觉结构形态感知技术的结构低阶模态振动主动控制方法。在研究思路阐释与理论方法分析的基础上,设计试验模型结构对象与构建完整的试验测控平台。试验过程与试验结果充分验证了研究思路与技术目标,即针对智能太空柔性帆板的低阶模态大幅振动状态,基于形态感知的结构振动SMA致动控制具有可行性和有效性,整体试验平台与试验方法同样获得良好验证。试验过程同时表明,基于光纤光栅传感网络的柔性结构形态感知与重构,不仅效果生动逼真,而且比较精确地反映了结构振动形态,从而为结构振动高效主动控制提供了准确的判决依据。但SMA致动材料性能存在不稳定性,材料正逆相变特性与响应速度也存在较大的差别,因此,机敏驱动材料的良好致动特性,仍是制约智能结构振动主动控制向实用化发展的一个关键环节。

参　　考　　文　　献

[1]　YuFan,KahriziM.Applicabilityofanoptimized

第一作者简介:朱晓锦　男,1965年12月生,工学博士、教授、博士生导师。现主要研究方向为先进测控与信息处理、智能结构主动监控等。曾发表“一种自寻优前馈预控参数整定的复合控制系统实现”(《仪器仪表学报》2002年第23卷第1期)等论文。

E-mail:mgzhuxj@staff.shu.edu.cn

No.4　　　　　　　AbstractofVol.28No.4inEnglish

409

AcousticStreamingandPressureAnalysisof

Non-ContactUltrasonicMotor

ZouNan　WeiShoushui　JiangChunxiang

(SchoolofControllingScienceandEngineering,ShandongUniversity　Jinan,250061,China)

Abstract　Inordertoanalyzetheacousticstreamingdrivingmechanismandacousticpressuredistributionofanon-contactultrasonicmotor,basedonboundarylayertheory,thephenomenonofacousticstreamingwasdiscussed.Therelationshipbetweenthevelocitywiththeboundarylayerandliquidthicknesswasobtainedandtheacousticstreamingfunctioninboundarylayerwasanalyzed.Thefiniteelementanalysisoftheacousticfieldoftheliquidinsidethestatorandthemodesofthestatorwasmadeinthispaper.Thestatorvibratingcharacteristicsandtheacousticpressuredistributionwerealsogainedbyharmonicresponseanalysis.Theanalysisshowsthattravelingwaveexistsintheliquidwhenthestatorvibrates.Theresultofthispapercangiveguidanceinthestructuredesignoftheultrasonicmotor.Keywords　non-contact　boundarylayer　finiteelement　acousticpressure　acousticstreaming

FeatureExtractionMethodBasedonKernel-Based

FisherDiscriminantAnalysis

HuJinhai　XieShousheng　LuoGuangqi　LiYinghong　YangFan

(TheEngineeringInstitute,AirforceEngineeringUniversity　Xi′an,710038,China)

Abstract　AfeatureextractionapproachbasedonkernelFisherdiscriminantanalysis(KFDA)wasproposed.Inthisapproach,theintegraloperatorkernelfunctionswereusedtorealizethenonlinearmapfromtherawfeaturespacetohighdimensionalfeaturespace.ByperformingFisherdiscriminantanalysis(FDA)onthehighdimensionalfeaturesets,thenonlinearfeaturesofrawfeaturespacewereobtained.Experimentalfaultdataofrollbearingswereusedtotesttheperformanceofthismethod.Practicalresultsshowthatthemethodismoresuitablefornonlinearfeatureextractionfromfaultsignals,theextractedfeaturesbasedonKPCAexhibitbetterabilityinfaultrecognitionandtheyarerobustforvariousclassifiers.

Keywords　faultdiagnosis　featureextraction　kernel-basedFisherdiscriminantanalysis　pattern

classification

VibrationShapePerceptionandSMAActuatingControlof

FiberOpticSmartStructure

ZhuXiaojin　LuMeiyu　ZhaoXiaoyu　ZhangHesheng

(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity　Shanghai,200072,China)

Abstract　Accordingtotheneedsofstructurevibrationmonitoringandactivecontroltechnique,aresearchonfiberopticsmartstructurevibrationshapeperceptionandSMAactuatingcontrolwas410

JournalofVibration,Measurement&DiagnosisVol.28

conductedbyusingspacesailboardstructureasanexperimentalmodel.BasedoninformationperceptioncharacteristicsofimplantabledistributedFBGsensornetworkandalgorithmofstructureshapesurfacefitting,themodelstructuredistributedcurvaturesdetectionandstructureshapereconstructionwererealized,whichprovidedajudgmentbasisforstructurevibrationactivecontrolbySMAdriving.WithSMAnetworkallocatedonstructure'ssurface,activevibrationcontrolofthelargeamplitudeofthefirstseveralnormalmodesofthestructurewasrealizedbythegroupalternatedriving.Anexperimentalmodelandaplatformformeasurementandcontrolweredesignedandsetup,andtheexperimentalschemeandprocesswereelaborated.ExperimentresultsindicatethatthestructurevibrationshapeperceptioniseffectiveandtheSMAactuatingcontrolisfeasibleandeffective,whichprovidetechnicalexplorationthoughtsfortheactivevibrationmonitoringandcontrolofthenormallowmodesofspaceflexiblestructures.

Keywords　opticalfiberbragggrating(FBG)　shapememoryalloy(SMA)　structurevibrationshape

perception　activevibrationcontrol　experimentmodelandplatform

DevelopmentoftheVirtualPartSizeDetector

GuoMingqing　QinShuren　WangJian

(TestCenter,CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity　Chongqing,400030,China)

Abstract　Inviewoftheinadequacyoftheexistingpartsizedetectingmethods,thisarticlecombinedthemodernvirtualinstrumenttechnologyandthetraditionalpartsizedetectingtechnologytoexploreavirtualpartsizedetector.Thedetectordevelopedinthisworkcanrealizenotonlytheonlineanalysisbutalsotheoff-lineprocessingbyvariousfunctionmodules.

Keywords　sizedetection　statisticprocesscontrol　virtualinstrumenttechnology　sensor

GearboxFaultDiagnosisBasedonSVM

WuDehui

1,2

(1KeyLaboratoryofNumericalControlofJiangxiProvince,JiujiangUniversity　Jiujiang,332005,China)

(2DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity　Beijing,100084,China)

Abstract　Agearboxfaultdiagnosismethodbasedonmulti-classsupportvectormachine(MSVM)wasproposedinthispaper.Firstly,basedonthefaultmechanismandvibrationcharacteristicsofthegearbox,anexperimentsystemoffaultdiagnosiswasdesigned.Then,thevibrationsignalsofthegearboxwereacquired,andthecharacteristicparametersofthesignalsbothinthetimeandfrequencydomainswereextracted,whichcontainedtheoperatinginformation.Combinedthebasicthoughtofvotingmethodanddecisiontree,aspecialdecision-structureofMSVMwasdesignedandappliedtogearboxfaultdiagnosis.Experimentalresultsdemonstratethatthedecision-structureproposedinthepapersolvesthesmallsamplelearningproblemsquitewellandovercomestheshortcomingsofover-fitting,longtimetrainingandtheweaknessingeneralizationofANNinfaultdiagnosis.TheMSVMbaseddecision-structureisaneffectivemethodforgearboxfaultdiagnosis.

Keywords　fault　diagnosis　decision　gearbox　multi-classsupportvectormachine(MSVM)　artificial

neuralnetwork(ANN)