專利名稱：一種基于雙元壓電傳感陣列和時間窗函數(shù)的無基準(zhǔn)Lamb波損傷監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法，尤其涉及一種不需要先驗測試信號作為損 傷監(jiān)測基準(zhǔn)的工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法，其采用雙元壓電傳感陣列實現(xiàn)。
二背景技術(shù)：
隨著對結(jié)構(gòu)安全性、可靠性要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測和診斷日益引起 人們的高度重視，為了防止結(jié)構(gòu)損傷所帶來的災(zāi)難或損失，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的監(jiān)測。 板類或殼類結(jié)構(gòu)是工程結(jié)構(gòu)的主要形式之一，對此類結(jié)構(gòu)的在線損傷監(jiān)測研究是結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測技術(shù)研究的熱點。主動Lamb波技術(shù)是目前研究較多的一種板類或殼結(jié)構(gòu)損傷監(jiān) 測技術(shù)。在主動Lamb波損傷監(jiān)測中，損傷引起的散射信號包含了損傷的相關(guān)信息，對 該信號進(jìn)行分析和處理，就可以得出損傷的位置、范圍、程度等參數(shù)，因此損傷散射信 y-的iF.確提取對損傷監(jiān)測和評估尤為關(guān)鍵。但由于損傷散射信號一般能量較小，且與直 接傳播信號、邊界散射及模式變換信號具有相同的時頻域特征，因此采用基于壓電陣列 的主動Lamb波監(jiān)測方法時，很難直接從傳感信號中正確分離出損傷散射信號。目前， 絕大多數(shù)的主動Lamb波損傷監(jiān)測方法均采用了基于基準(zhǔn)信號的信號分離方法采用結(jié) 構(gòu)健康狀態(tài)下的響應(yīng)信號為基準(zhǔn)信號，用當(dāng)前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準(zhǔn)信號相減，得到 損傷散射信號。但由于該方法需要健康信號作為基準(zhǔn)，在真實條件下應(yīng)用存在很大的問 題山于基準(zhǔn)信號和當(dāng)前結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的采集時間不同，存在一定的時間間隔，在真實 條件下很難保證結(jié)構(gòu)和外部條件不發(fā)生變化，而細(xì)微的變化都將會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的 變化，如環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)邊界及應(yīng)力狀況、外部振動等，且驅(qū)動器/傳感器性能也受到溫 度等因素的影響，由于損傷散射信號能量本身就較弱，采用基于基準(zhǔn)信號的方法時，損 傷散射信號很容易就淹沒在結(jié)構(gòu)和外部條件變化所引起的信號變化和噪聲中，也就很難 實現(xiàn)損傷監(jiān)測；同時，當(dāng)采集基準(zhǔn)信號之前結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在損傷時，基于基準(zhǔn)信號的方 法無法提取出由該損傷產(chǎn)生的損傷散射信號，也就無法實現(xiàn)對它的監(jiān)測。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、 技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙元壓電傳感陣列和時間 窗函數(shù)的無基準(zhǔn)Lamb波損傷監(jiān)測方法。本方法設(shè)計采用雙元壓電傳感陣列采集結(jié)構(gòu)響 應(yīng)信號，利用窗函數(shù)截取結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射的Lamb波信號，并且利用時間反轉(zhuǎn)理論中對波 源的聚焦原理，在無需任何基準(zhǔn)信號或基準(zhǔn)信息的前提下，實現(xiàn)對損傷的監(jiān)測。
2、 技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的基于雙元壓電傳感陣列的工程結(jié)構(gòu)無基準(zhǔn)主動 Lamb波損傷監(jiān)測方法包括下列歩驟歩驟一在待監(jiān)測結(jié)構(gòu)中布置雙元壓電傳感陣列，所述的雙元壓電傳感陣列包括一 組壓電單元，每個壓電單元由兩個相鄰布置的第一、第二電壓片組成；同時，將待監(jiān)測 結(jié)構(gòu)按照面積劃分為一組微小單元，如lmmXlmm大小的正方形單元，按照劃分的單 元建立圖像矩陣，使得矩陣中的每一個點代表結(jié)構(gòu)的一個微小單元，且各點在圖像中的 位置對應(yīng)微小單元的坐標(biāo)；
歩驟二將Lamb波窄帶信號加載到第一個壓電單元中的第一壓電片，第一壓電片 在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號，同時，第二電壓片作為傳感器采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號；
歩驟三重復(fù)進(jìn)行歩驟二，依次將Lamb波窄帶信號加載到其余的壓電單元上，采 集得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號力(/=l AO，其中，iV為壓電單元的個數(shù)；
歩驟四將歩驟三所述的采集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號/; (/=l AO進(jìn)行歸一化處理，以
消除各壓電單元性能差異帶來的誤差；
歩驟五將結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號從所述的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號力(/=l AO分離出來，得到 結(jié)構(gòu)損傷散射信號；所述的內(nèi)部散射信號通過矩形時間窗函數(shù)
0 S /
z廟+ (w
得到，
始時刻，
其中，t表示時間，^為每一壓電單元位置的時間窗函數(shù)的開始時刻，A)為激勵開 為每一壓電單元中作為激勵器的第一壓電片、作為傳感器的第二壓電片之
間的距離，^為Lamb波群速度，Z為激勵信號時域脈寬，G,為時間窗函數(shù)的結(jié)束時刻，
/屈,和/^分別為結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號中第一個出現(xiàn)的邊界散射信號的波源到作為激勵器的第一 壓電片、作為傳感器的第二壓電片的距離；本步驟中，結(jié)構(gòu)損傷散射信號包含在傳感結(jié) 構(gòu)響應(yīng)信號屮的內(nèi)部散射信號部分，將內(nèi)部散射信號部分從結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號中截取出來， 則結(jié)構(gòu)損傷散射信號也將被分離出來，因此可以采用時間窗函數(shù)的方法截取結(jié)構(gòu)內(nèi)部散 射信號。將歩驟二激勵出的Lamb波波速、激勵信號在時間域脈寬以及壓電片與結(jié)構(gòu)邊 界的相對位置等參數(shù)設(shè)計時間窗函數(shù)，對于壓電陣列中第/個位置的壓電片對，時間窗 函數(shù)如上式表示；
步驟六將歩驟四中所述的歸一化后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號與步驟五的時間窗函數(shù)一一相 乘，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號/',:
步驟七用圖像矩陣顯示各內(nèi)部散射信號的時間反轉(zhuǎn)加載過程，即對步驟一所述的 圖像矩陣中各點的象素值進(jìn)行賦值，對于矩陣中的任意一點S(m，W)，在時反加載后的波 動幅值為
/ = 1,2,A
其中5'為圖像矩陣，S(w，n)為圖像矩陣S中的任意一點，w、"為該點在圖像矩陣中的
位置，可以反映對應(yīng)微小單元的坐標(biāo)，A為權(quán)重系數(shù)，/',為步驟六所述的第/個結(jié)構(gòu)內(nèi) 部散射信號，&,、 ^,分別為該象素點到第/個壓電單元中第一壓電片和第二壓電片的距 離，v為Lamb波傳播群波速；根據(jù)該波動幅值即可判斷得到結(jié)構(gòu)的損傷情況。
為了消除矩形時間窗函數(shù)帶來的毛刺，可以在矩形窗的開始和結(jié)束加入過渡帶，可 用于過渡帶的函數(shù)有很多，如高斯函數(shù)，當(dāng)采用高斯函數(shù)時，步驟五中的時間窗函數(shù)改
5寫為
0 w,_"
1 《^ < ^
r"恭2 ,2,"<,2,+7;
o "2,+K
其中，r表示時間，e為自然對數(shù)的底數(shù)，c是高斯函數(shù)系數(shù)，r,為窗函數(shù)過渡帶寬度，
fw為每一壓電單元位置的時間窗函數(shù)的開始時刻，&為時間窗函數(shù)的結(jié)束時刻。
本發(fā)明的基本原理是由于雙元壓電陣列布局中作為激勵器的壓電片和作為傳感器 的壓電片之間的距離非常小，采用激勵傳感方式得到的傳感信號中直接路徑傳播信號存 在于信號的丌始階段，而損傷散射信號的傳播路徑為激勵器——損傷——傳感器，其傳 播路徑距離遠(yuǎn)大于直接傳播路徑，所以和直接傳播信號在時間上相距很遠(yuǎn)，發(fā)生混疊的 幾率很小，采用時間窗函數(shù)將直接傳播信號和邊界反射去除后，將僅剩內(nèi)部散射信號， 包括損傷散射信號。根據(jù)時間反轉(zhuǎn)理論對波源的聚焦原理，在傳感得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號 屮，除壓電片直線路徑傳播信號及邊界反射外僅損傷散射信號存在相同的波源——損 傷，而其他的散射信號、模式變換信號以及噪聲則來源不一，因此將保留的信號時反加 載時，可實現(xiàn)損傷散射信號在損傷處的聚焦，而其他信號時反加載時由于不存在統(tǒng)一波 源而隨機(jī)疊加，此時損傷處的信號能量將顯著突出，從而無需提取損傷散射信號就可實 現(xiàn)對損傷的辨識。本發(fā)明方法由于無需基準(zhǔn)信號而直接采用當(dāng)前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號， 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測和成像，結(jié)構(gòu)和外部條件發(fā)生變化而帶來的影響將不復(fù)存
在，有利于推動主動Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
3、有益效果(1)本發(fā)明方法可以實現(xiàn)對主動Lamb波激勵下的內(nèi)部散射信號與 直接傳感信號、邊界反射信號的分離；(2)本發(fā)明方法可使得主動Lamb波監(jiān)測不再需 要健康狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號，直接采用當(dāng)前采集到的信號實現(xiàn)對損傷的 監(jiān)測，不受結(jié)構(gòu)和外部條件發(fā)生變化而帶來的影響；(3)本發(fā)明的方法由于不依靠健康 狀態(tài)下測得的基準(zhǔn)信號，因此可以在任何時候?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，即使在布置激勵/傳感器 陣列之M損傷已經(jīng)存在也可以實現(xiàn)對損傷的監(jiān)測；(4)在實現(xiàn)過程中無需更改或增加設(shè) 備和參數(shù)，利用通用硬件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)；(5)本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，無需處理或計算 信號中的損傷散射信號到達(dá)時刻等損傷特征參數(shù)就可以實現(xiàn)監(jiān)測。 四

圖1為雙元壓電傳感/激勵陣列示意圖2為帶有高斯函數(shù)過渡的典型窗函數(shù)示意圖3為本發(fā)明的一個實施例的壓電陣列示意圖4為激勵信號時域波形及頻率譜；
圖5為圖3中壓電陣列采集到的響應(yīng)信號；圖中a、原始響應(yīng)信號；b、歸一化并經(jīng)窗函數(shù)截取后的內(nèi)部散射信號； 圖6損傷時間反轉(zhuǎn)成像監(jiān)測結(jié)果； il具體實施例方式
如圖3所示，其中待監(jiān)測結(jié)構(gòu)為環(huán)氧玻璃纖維復(fù)合材料板，尺寸為 1126mmx990mmx2mm，采用質(zhì)量塊加載的方式模擬損傷的發(fā)生，損傷的坐標(biāo)位置為 (-13mm, 35mm)，直徑約19mm。
本實施例包括下列歩驟 歩驟一布置雙元壓電傳感陣列，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)監(jiān)測范圍和區(qū)域采用圖1的形式布 置8對壓電元件組成傳感/激勵陣列，壓電陣列位置示意圖如圖3所示，激勵器和傳感器
坐標(biāo)如表1所示，坐標(biāo)原點位置為板中心點，各對壓電片之間的中心間距3cm，直徑 0.8cm:
^驟二通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將設(shè)定的窄帶信號加載到選定的一個壓電元 件對中的作為驅(qū)動器的壓電元件上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號，該信號為正弦調(diào)制信號，
中心頻率30KHz，如圖4所示；選定對應(yīng)壓電元件對中的另一片壓電元件作為傳感器， 經(jīng)電荷放大器放大將結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號采集到控制計算機(jī)中；
歩驟三按照上述方式依次激勵傳感完成結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的采集，所有的響應(yīng)信號如
圖5 (a)所示。
表格1壓電片坐標(biāo)(單位mm)
激勵器
編號 坐標(biāo)(x，；;)
2
3
4
6
7
8
(127， 129) (-173， 127) (-175， -111) (123， -110)
(94， 6) (-145.5， 10) (-23， 127) (-26， -113)
傳感器
號
坐標(biāo)(x， y)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(127, 159) (-173， 157) (-175， -140) (123, -140) (122， 6) (-174， 10) (-23, 157) (-26， -142)
本實施例方法所使用的硬件部分與傳統(tǒng)方法監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分相同， 一般由以下 部分組成控制計算機(jī)、壓電激勵/傳感網(wǎng)絡(luò)、多路切換開關(guān)、函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、 電荷放大器/電壓放大器和數(shù)據(jù)采集裝置；
歩驟四將歩驟三所述的采集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號力(,'=1 8)進(jìn)行歸一化處理，以
消除各壓電單元性能差異帶來的誤差；
步驟五確定時間窗函數(shù)，并采用該窗函數(shù)截取結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號得到內(nèi)部散射信號 時間窗函數(shù)如下式所示<formula>formula see original document page 8</formula>
/表示時間，O,為每一壓電單元位置的時間窗函數(shù)的開始時刻，,o為激勵開始時刻， /M,為每一壓電單元中作為激勵器的第一壓電片、作為傳感器的第二壓電片之間的距離， Cg為Lamb波群速度，￡為激勵信號時域脈寬，/2,為時間窗函數(shù)的結(jié)束時刻，/廟和/服 分別為結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號中第一個出現(xiàn)的邊界散射信號的波源到作為激勵器的第一壓電片、 作為傳感器的第二壓電片的距離；
根據(jù)激勵信號頻率、Lamb波頻散曲線以及實驗測得的波速，確定在結(jié)構(gòu)中激發(fā)的 Lamb波波包群速度，將壓電陣列坐標(biāo)、Lamb波波包群速度等參數(shù)帶入上式得到各壓電 元件對的窗函數(shù)；
歩驟六將步驟四中所述的歸一化后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號與步驟五的時間窗函數(shù)一一相 乘，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號/'"
X力
如圖5 (b)所示；
^驟七利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號實現(xiàn)損傷聚焦成像
根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及監(jiān)測范圍，建立圖像矩陣，采用下式表述的方法，為圖像矩陣中的 每個點賦值，得到損傷聚焦圖像，即損傷監(jiān)測結(jié)果圖像，
l +尺.、
/ = 1,2,A
其中S為圖像矩陣，S(m,n)為圖像矩陣S中的任意一點，m、"為該點在圖像矩陣 中的位置，可以反映對應(yīng)微小單元的坐標(biāo)，A為權(quán)重系數(shù)，/',為步驟六所述的第z'個結(jié) 構(gòu)內(nèi)部散射信號，i 。,、凡,分別為該象素點到第/個壓電單元中第一壓電片和第二壓電片 的距離，v為Lamb波傳播群波速；
由于Lamb波波包為5周期調(diào)制正弦波，直接顯示的結(jié)果為斑點狀，難以在直觀上 估計損傷的位置、范圍等參數(shù)，故可在處理時加入了平均算子，即圖像矩陣中各點的象 素值為以其中心的8X8范圍內(nèi)64個點象素值的平均值。為了更加清晰的顯示損傷的位 置和范圍，還可以加入閾值，最終的監(jiān)測成像結(jié)果如圖6所示(中心黑色圓圈代表損傷 位置和范圍)。
權(quán)利要求
1、一種基于雙元壓電傳感陣列和時間窗函數(shù)的無基準(zhǔn)Lamb波損傷監(jiān)測方法，其特征在于包括下列步驟步驟一在結(jié)構(gòu)中布置雙元壓電傳感陣列，所述的雙元壓電傳感陣列包括一組壓電單元，每個壓電單元由兩個相鄰布置的第、第二電壓片組成；同時，將待監(jiān)測結(jié)構(gòu)按照面積劃分為一組微小單元，按照劃分的單元建立圖像矩陣，使得矩陣中的每一個點代表結(jié)構(gòu)的一個微小單元，且各點在圖像中的位置對應(yīng)一個微小單元的坐標(biāo)；步驟二將Lamb波窄帶信號加載到第一個壓電單元中的第一壓電片，第一壓電片在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號，同時，第二電壓片作為傳感器采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號；步驟三重復(fù)進(jìn)行步驟二，依次將Lamb波窄帶信號加載到其余的壓電單元上，采集得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號fi(i＝1～N)，其中，N為壓電單元的個數(shù)；步驟四將步驟三所述的采集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號fi(i＝1～N)進(jìn)行歸一化處理，以消除各壓電單元性能差異帶來的誤差；步驟五將內(nèi)部散射信號從所述的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號fi(i＝1～N)分離出來，得到結(jié)構(gòu)損傷散射信號；所述的內(nèi)部散射信號通過矩形時間窗函數(shù)得到，其中，t表示時間，t1i為每一壓電單元位置的時間窗函數(shù)的開始時刻，t0為激勵開始時刻，lASi為每一壓電單元中作為激勵器的第一壓電片、作為傳感器的第二壓電片之間的距離，cg為Lamb波群速度，L為激勵信號時域脈寬，t2i為時間窗函數(shù)的結(jié)束時刻，lAbi和lSbi分別為結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號中第一個出現(xiàn)的邊界散射信號的波源到作為激勵器的第一壓電片、作為傳感器的第二壓電片的距離；步驟六將步驟四中所述的歸一化后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號與步驟五的時間窗函數(shù)一一相乘，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號f’if’i＝fwi×fi步驟七用圖像矩陣顯示各內(nèi)部散射信號的時間反轉(zhuǎn)加載過程，即對步驟一所述的圖像矩陣中各點的象素值進(jìn)行賦值，對于矩陣中的任意一點S(m，n)，在時反加載后的波動幅值為其中S為圖像矩陣，S(m，n)為圖像矩陣S中的任意一點，m、n為該點在圖像矩陣中的位置，可以反映對應(yīng)微小單元的坐標(biāo)，Ai為權(quán)重系數(shù)，f’i為步驟六所述的第i個結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號，Rai、Rsi分別為該象素點到第i個壓電單元中第一壓電片和第二壓電片的距離，v為Lamb波傳播群波速；根據(jù)該波動幅值即可判斷得到結(jié)構(gòu)的損傷情況。
2、如權(quán)利要求1所述的基于雙元壓電傳感陣列和時間窗函數(shù)的無基準(zhǔn)Lamb波損傷監(jiān)測方法，其特征在于，步驟四中，時間窗函數(shù)為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，/表示時間，e為自然對數(shù)的底數(shù)，o"是高斯函數(shù)系數(shù)，r,為窗函數(shù)過渡帶 寬度，0,為每一壓電單元位置的時間窗函數(shù)的開始時刻，^為時間窗函數(shù)的結(jié)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙元壓電傳感陣列和時間窗函數(shù)的無基準(zhǔn)Lamb波損傷監(jiān)測方法，包括下列步驟在結(jié)構(gòu)中布置雙元壓電傳感陣列；將Lamb波窄帶信號加載到壓電單元；將采集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號進(jìn)行歸一化處理；分離得到結(jié)構(gòu)損傷散射信號；得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部散射信號；判斷得到結(jié)構(gòu)的損傷情況。本方法可以實現(xiàn)對主動Lamb波激勵下的內(nèi)部散射信號與直接傳感信號、邊界反射信號的分離；不需要健康狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號，可在任何時候?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測；無需更改或增加設(shè)備和參數(shù)，利用通用硬件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)；實現(xiàn)方法簡單，無需處理或計算信號中的損傷散射信號到達(dá)時刻等損傷特征參數(shù)就可以實現(xiàn)監(jiān)測。
文檔編號G01N29/04GK101451977SQ20081024294
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者張逍越, 強(qiáng) 王, 蘇永振, 建 蔡, 袁慎芳, 雷 邱 申請人:南京航空航天大學(xué)