本發(fā)明涉及一種壓電陣列l(wèi)amb波損傷監(jiān)測中的信號一致性補(bǔ)償方法，具體涉及l(fā)amb波損傷監(jiān)測中壓電陣列機(jī)電耦合系數(shù)歸一化補(bǔ)償矩陣的求解，從而對lamb波損傷監(jiān)測信號一致性補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

背景技術(shù)：

隨著lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用不斷增多，人們開始研究lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)的補(bǔ)償方法。為了獲得更加有效的損傷信號，得到更加精確的損傷監(jiān)測結(jié)果，必須對lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

現(xiàn)有的lamb波損傷監(jiān)測系統(tǒng)一般包括傳感器陣列、信號發(fā)生裝置、功率放大器、信號放大器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。在監(jiān)測時首先向結(jié)構(gòu)中激勵一定的波形，通過傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以及損傷產(chǎn)生的散射波。信號采集到計算機(jī)中，通過對比結(jié)構(gòu)損傷前后響應(yīng)信號的差異，獲取結(jié)構(gòu)損傷散射信號，再由計算機(jī)計算得出損傷的位置和范圍。由于壓電陶瓷片加工過程和安裝工藝存在差異，采用壓電傳感陣列檢測損傷，各傳感器最終表現(xiàn)出來的性能會有所差異。這些直接反映在信號能量上的不一致，而信號能量將直接反映結(jié)構(gòu)損傷的程度、范圍等信息。因此，傳感器性能差異將會直接影響損傷的定位誤差和損傷評估。此外，結(jié)構(gòu)損傷引起的lamb波散射信號能量一般都非常小，與激勵器在結(jié)構(gòu)中激勵的lamb波傳播信號能量往往相差一個數(shù)量級以上，這給正確地分析聲波傳播過程以及提取損傷散射信號的特征參數(shù)帶來了困難。尤其是在復(fù)合材料板類結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中，由于lamb波信號傳播復(fù)雜，結(jié)構(gòu)對信號吸收較快，損傷散射信號的提取變得更加困難?？紤]以上幾點，消除傳感器性能差異對lamb波響應(yīng)信號的影響是十分必要的。目前，現(xiàn)有的有關(guān)lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)研究中還缺乏針對多傳感器性能一致性補(bǔ)償方面的成果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種壓電陣列l(wèi)amb波損傷監(jiān)測中的信號一致性補(bǔ)償方法，利用壓電陣列中等距離傳播通道直達(dá)波傳遞函數(shù)相同的特點，提出窄帶激勵下的壓電傳感器機(jī)電耦合系數(shù)歸一化補(bǔ)償，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的一致性補(bǔ)償。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種壓電陣列l(wèi)amb波損傷監(jiān)測中的信號一致性補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

步驟1，在待檢測的均勻結(jié)構(gòu)件上布置pzt傳感器，組成壓電激勵/傳感陣列；

步驟2，在壓電激勵/傳感陣列中，選擇不同的傳感器分別作為激勵元件和傳感元件，組建激勵-傳感監(jiān)測通道，采集結(jié)構(gòu)件健康狀態(tài)下所有監(jiān)測通道的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號；

步驟3，將激勵元件和傳感元件之間間距相同的監(jiān)測通道視為等效通道，并歸類到同一個等效通道組合中，令各等效通道組合下的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號組合為u^p，各等效通道組合下的lamb波傳播傳遞函數(shù)為g^p，提取各等效通道組合中的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號直達(dá)波幅值|u^p|，p為激勵元件與傳感元件之間間距；

步驟4，根據(jù)各等效通道組合中的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號直達(dá)波幅值|u^p|以及不同的p值，聯(lián)列方程組|u^p|＝|i(ω)|·|g^p|·|k^p|，i(ω)為激勵信號，ki、分別為激勵元件以及到其距離為p的傳感元件的機(jī)電耦合系數(shù)，i＝1,2,…,n，j≠i,j＝1,2,…,n，n為傳感器的總個數(shù)；令任意一個傳感器的機(jī)電耦合系數(shù)為1，對同一方程組內(nèi)所有方程作相比運算，消除各方程中的相同項|i(ω)|·|g^p|，進(jìn)而求解上述方程組得到壓電激勵/傳感陣列中其他傳感器之間的相互比值，即歸一化補(bǔ)償系數(shù)矩陣；

步驟5，利用歸一化補(bǔ)償系數(shù)矩陣，對所有監(jiān)測通道的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)信號的幅值補(bǔ)償。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟2的具體過程為：

步驟21，在壓電激勵/傳感陣列中，選擇傳感器pi作為激勵元件，在結(jié)構(gòu)件健康狀態(tài)下，將lamb波超聲激勵信號加載到傳感器pi上，i＝1,2,…,n，n為傳感器的總個數(shù)，在結(jié)構(gòu)件中激發(fā)激勵信號；

步驟22，依次選取傳感器pj作為傳感元件，j≠i,j＝1,2,…,n，采集激勵下的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號，得到激勵元件為pi、傳感元件為pj的監(jiān)測通道下的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號uij。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述lamb波超聲激勵信號為窄帶信號。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號uij的表達(dá)式為：

uij＝i(ω)·kikjgij，

其中，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，j≠i，n為傳感器的總個數(shù)，ki和kj分別為激勵元件和傳感元件的機(jī)電耦合系數(shù)，gij為lamb波傳播傳遞函數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟5的具體過程為：歸一化補(bǔ)償系數(shù)矩陣對應(yīng)每個傳感器的補(bǔ)償系數(shù)，利用各個監(jiān)測通道的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號幅值除以其對應(yīng)的激勵元件和傳感元件的補(bǔ)償系數(shù)，實現(xiàn)信號的幅值補(bǔ)償。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明一定程度上消除了傳感器性能偏差、安裝工藝偏差等引起的壓電傳感器機(jī)電耦合系數(shù)差異對lamb波激勵和傳感的影響，提高了lamb波損傷監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

2、本發(fā)明方法在實現(xiàn)過程中無需更改或增加設(shè)備和參數(shù)，利用現(xiàn)有硬件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)。

3、本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，只需提取lamb波損傷監(jiān)測系統(tǒng)中的一組等效通道的lamb波響應(yīng)信號，解出歸一化補(bǔ)償系數(shù)，再對信號進(jìn)行運算，無需對系統(tǒng)進(jìn)行其他操作。

4、本發(fā)明針對特定系統(tǒng)求解得出的補(bǔ)償系數(shù)矩陣，運用于自身，針對性強(qiáng)，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中實驗試件及壓電線陣圖。

圖2是本發(fā)明中窄帶激勵信號的波形時域圖。

圖3是本發(fā)明中選擇等效通道的方法示意圖。

圖4是本發(fā)明選取的等效通道直達(dá)波幅值方程組求解得到的各壓電片補(bǔ)償系數(shù)。

圖5(a)是本發(fā)明選取的等效通道在圖2所示窄帶信號激勵下的lamb波結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號波形圖。

圖5(b)是對圖5(a)中所示信號進(jìn)行一致性補(bǔ)償后的波形圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

一種lamb波損傷監(jiān)測中的信號一致性補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

(1)在待檢測的均勻結(jié)構(gòu)件上布置pzt傳感器，組成壓電激勵/傳感陣列，以及激勵-傳感通道；

在本實施例中，采用一塊t6061鋁板作為實驗結(jié)構(gòu)，其尺寸為600mm*600mm*2mm。在結(jié)構(gòu)上安裝了13片壓電傳感器，如圖1所示，以垂直中心線為對稱軸、間隔30mm線性排列，線陣距離邊界100mm。13片壓電傳感器構(gòu)成的線陣組成了多個激勵-傳感通道。

(2)采集工程機(jī)構(gòu)健康狀態(tài)下所有激勵-傳感監(jiān)測通道的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號uij＝i(ω)·kikjgij，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，j≠i，n為傳感器的總個數(shù)，ki和kj分別為激勵器和傳感器的機(jī)電耦合系數(shù)，gij為lamb波傳播傳遞函數(shù)；

步驟(2)的詳細(xì)步驟為：

(21)在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將lamb波超聲激勵信號加載到作為激勵元件的pi上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號；

上述lamb波超聲激勵信號為窄帶信號，如圖2所示。

(22)依次選取壓電元件pj作為傳感元件，經(jīng)電荷放大器將激勵下的lamb波結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號傳感、放大并采集進(jìn)入控制計算機(jī)中，得到激勵元件為pi、傳感元件為pj的監(jiān)測通道下的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號uij；

(23)重復(fù)步驟(21)、(22)，直至采集獲得所有激勵/傳感通道下的lamb波響應(yīng)信號uij。

(3)找出所有激勵-傳感監(jiān)測通道中的等效通道組合，其直達(dá)波傳播距離基本相同，此時這些等效通道的lamb波傳遞函數(shù)相同，其幅值也相同。提取各等效通道組合中的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號直達(dá)波幅值；

由于結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均勻，表面平滑，故等距離激勵-傳感即為等效通道，具有相同的傳遞函數(shù)。如圖3所示為本例中選取的間隔陣元數(shù)為3(即p＝90mm)的一組等效通道組合，其響應(yīng)信號如圖5(a)所示。提取出所有等效通道組合的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號直達(dá)波幅值。

(4)根據(jù)各等效通道組合中的結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號直達(dá)波幅值|u^p|以及不同的p值，聯(lián)列出方程組|u^p|＝|i(ω)|·|g^p|·|k^p|，令任意壓電片補(bǔ)償系數(shù)為1，對同一方程組內(nèi)所有方程作相比運算，消除各方程中的相同項|i(ω)|·|g^p|，進(jìn)而求解得到壓電陣列的相對補(bǔ)償系數(shù)矩陣kc；

本例中壓電陣列是以垂直中心線為對稱軸的線性排列，線陣距離邊界100mm，兩個壓電片的間隔為30mm，共n＝13片，選取第7片壓電片的歸一化壓電補(bǔ)償系數(shù)為1。采用圖3所示不同p值下的等效通道組合，求解結(jié)構(gòu)lamb波響應(yīng)信號的傳播方程，|u²|＝|i(ω)|·|g²|·|k²|、|u³|＝|i(ω)|·|g³|·|k³|、|u⁴|＝|i(ω)|·|g⁴|·|k⁴|……，得到壓電陣列的相對補(bǔ)償系數(shù)矩陣kc，1-13號壓電片的歸一化補(bǔ)償系數(shù)如圖4所示。

(5)采用步驟(4)中得到的補(bǔ)償系數(shù)矩陣kc，對所有l(wèi)amb波結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號uij進(jìn)行補(bǔ)償，將其幅值除以相對應(yīng)的壓電激勵器和傳感器補(bǔ)償系數(shù)kci和kcj，實現(xiàn)信號的幅值補(bǔ)償。

將圖5(a)中所示的lamb波結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號uij的直達(dá)波幅值除以圖4中求得的壓電激勵器和傳感器補(bǔ)償系數(shù)kci和kcj，得到圖5(b)所示的信號，實現(xiàn)了信號的一致性補(bǔ)償。

對比圖5(a)和圖5(b)，可知圖5(a)中，由于受傳感器和激勵器自身性能差異性、安裝工藝等因素的影響，信號幅值存在一定的差異性，直達(dá)波峰值的區(qū)間為[1.924v,2.399v]，最大變化率達(dá)到了近20％。由圖5(b)可知，各信號直達(dá)波峰值之間的偏差被補(bǔ)償和壓縮，峰值區(qū)間為[1.975v,2.254v]，最大化率降到了12.3％。從補(bǔ)償前的信號波形來看，少量壓電傳感器的機(jī)電耦合系數(shù)存在較大的差異性，而補(bǔ)償后的波形偏差較原來有很大的改善。

對于壓電傳感器陣列，壓電片兩兩組合可組成多條監(jiān)測通道。在傳感器陣列中，所有的壓電片都處于同一材質(zhì)的結(jié)構(gòu)上，因此，單個激勵器-傳感器對監(jiān)測通道的傳遞函數(shù)由激勵器跟傳感器間的距離來決定，距離相同，傳遞函數(shù)也基本相同。對于含有n個壓電片的壓電陣列，得到的lamb波信號可表示為：u＝i(ω)·k^tkg，k^t為k的轉(zhuǎn)置，其中，

k＝[k1k2…kn]

對于規(guī)則布置的壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，上式所述信號中將存在多組傳播路徑等效相同的監(jiān)測通道(即傳遞函數(shù)相同)，理想情況下，這些通道下的信號幅值、相位等參數(shù)也應(yīng)相同。因此，通過對傳遞函數(shù)相同的監(jiān)測通道信號能量偏差比對，可以逆推得到各壓電傳感器機(jī)電耦合系數(shù)的差異，以及各傳感器幅值性能相對補(bǔ)償系數(shù)。用求得的補(bǔ)償系數(shù)矩陣對信號進(jìn)行補(bǔ)償，能夠一定程度上消除由于傳感器性能偏差、安裝工藝偏差等引起的lamb波激勵和傳感的偏差。本發(fā)明可以有效地消除壓電傳感器機(jī)電耦合系數(shù)差異對lamb波損傷散射信號提取帶來的干擾，有利于提高lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)的精確度，促進(jìn)結(jié)lamb波損傷監(jiān)測技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。