CN101000325A - 利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)采集结构响应信号；(2)时间反转处理：根据步骤(1)采集到的结构响应信号能量的衰减程度，选择时间长度形成时间窗口，使响应信号的能量集中在该时间窗口中，将时间窗口内的信号反转，并进行能量放大；(3)传感信号聚焦：将经截取时间反转后的结构响应信号由功率放大器放大并加载到压电激励元件上，在对应的传感器上接受到结构响应聚焦信号；(4)特征参数提取和结构健康状态辨识。本发明的方法提高了基于声激励的结构连接失效监测方法的灵敏度，有利于该项技术的实用化、实现方法简单。

Description

利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法
一、技术领域
本发明涉及一种对工程结构进行监测的方法，尤其涉及一种对板类工程结构的连接失效进行监测的方法。
二、背景技术
随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视。结构的连接部是容易发生连接失效的部位，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。
结构在发生损伤、缺陷或几何特征发生变化时，其中心频率会随之发生改变，此时在同一激励下结构的响应也会发生相应的变化，根据这一原理，可以对结构的健康状态进行监控。板类结构的连接失效是一种典型的结构损伤，因此采用结构在声波激励下的响应作为特征量，可以来考察结构连接的健康情况。目前，该方法已经在大量的实验研究中得到了验证，证明是一种可行的结构连接监测方法。
板类结构中传播的声波一般称为板波，根据板波理论，声波在传播过程中存在模式变换，各模态信号对损伤有不同的敏感程度和响应，激励信号的能量分解到各模态信号中。结构响应中可以作为特征参数的量包括幅值、相位、频率等，在真实板类结构中，尤其是在各向异性的复杂复合材料板结构中，激励信号的传播过程很复杂，在对不同模态信号逐个提取损伤特征参数时，由于能量的分散，使得特征参数在损伤前后变化较小；此外，由于传感器采集的为振动信号，在真实环境中很容易引入噪声，从而进一步使特征参数弱化，甚至于完全被淹没在噪声中，这些因素的存在降低了监测灵敏度和稳定性，造成系统误判和监测失效，如附图3所示，图中特征参数为信号幅值。这一问题严重阻碍了该技术的实用化。例如：飞行器结构连接部的结构连接监测是结构健康监测中非常重要的一项内容，而飞行器工作和监测环境一般都较为复杂，采用声波对结构进行激励时，传感信号就必定存在上述的问题，也就很难有效的对结构的连接情况进行监测。因此迫切需要研究结构连接失效监测的灵敏度优化技术，提高监测系统的稳定性。
三、发明内容
1、技术问题：本发明的技术问题是提供一种对板类工程结构连接失效进行监测的方法，本方法应用了传感器/激励器阵列技术，并采用时间反转理论提高声激励系统中响应信号的信噪比，简化特征参数提取方法，从而提高监测系统的灵敏度。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的方法包括下列步骤：
(1)采集结构响应信号：
在结构上根据监测内容和区域布置一定数量的压电元件组成传感/激励阵列，通过函数发生器和功率放大器将设定的信号加载到选定的压电激励元件上，在结构中激发激励信号。基于传感/激励阵列的信号采集方式有两种，可根据实际情况采用：一是通过选定任意两个压电元件分别作为激励器和传感器组成一个信号收发监测通道，压电阵列的全部组合组成了系统的全部监测通道；二是采用自感式传感激励技术，利用压电元件的正逆压电效应，在选定的压电元件在激励的同时，通过电桥桥路采集由该压电元件感应的传感信号，形成以压电元件为节点的传感/激励网络，该方式的原理图及提取自感信号的桥路图见附图1。
本方法所使用的系统硬件部分与传统方法监测系统的硬件部分相同，一般由以下部分组成：控制计算机、压电激励/传感阵列、函数发生器、功率放大器、电荷放大器/电压放大器和数据采集装置；
(2)时间反转处理：
根据步骤(1)采集到的结构响应信号能量的衰减程度，选择一定的时间长度形成时间窗口，使该时窗截取的信号的能量为整个响应信号总能量的主体部分，将时窗内的信号反转，并进行放大，以补偿信号传播时造成的能量衰减；
(3)传感信号聚焦：
将经截取时间反转后的结构响应信号由功率放大器放大并加载到压电激励元件上，在对应的传感器上就可以接受到结构响应聚焦信号；
(4)特征参数提取和结构健康状态辨识：
再次选定激励/传感元件组合，重复进行步骤(1)至步骤(3)，直至所有通道监测完毕，从所得到的各结构响应聚焦信号中提取特征参数，再将提取出来的特征参数作为输入量输入到控制计算机中的软件判别系统，即可分析、判定被监测结构连接的健康情况，软件判别系统可与传统方法系统相同。
在步骤(4)中，在对各结构响应聚焦信号中提取特征参数时，由于传感信号聚焦成为一个主波峰，因此原先各模态对损伤的响应聚焦到主波峰中，可以只针对主波峰分别提取各特征参数。
本发明的基本原理是：板类结构的声激励响应中特征参数弱化的一个重要原因就是板波的模式变换和能量的分散，因此损伤造成的波形变化被分散到了各模态信号中，相应的能量也被分散。据此，将各模态信号进行聚焦可以使得信号能量集中，损伤造成的波形变化叠加在聚焦信号上，特征参数的变化量随之得到放大，同时，因为噪声信号能量并没有得到增强，响应信号中与损伤相关的特征参数对损伤的灵敏度因此得到提高。
如图2所示，时间反转(在频域里称作相共轭)聚焦方法是指接收阵接收到声源发射的时域信号后，将其信号时反，再发射出去，即先到后发、后到先发。该方法可以使信号的能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦实现声源信号重构，是一种不需要介质和传感器数组性质和结构的先验知识就可以实现声波自适应聚焦和检测的方法。在本发明中，将时间反转聚焦原理加入到结构连接失效监测中，借助于该方法的无条件自聚焦能力，将结构的复杂响应信号聚焦成单一模态的波峰，从而使损伤带来的结构响应集中反映在主波峰上，使分散的特征参数能量得以聚焦放大，提高了灵敏度和稳定性，与此同时，在以时域信号特征作为特征参数时，如信号幅值、相位、频移等，由于只需要在考察信号的主波峰，特征参数的提取过程得到大大简化。
3、有益效果：(1)本发明的方法提高了基于声激励的结构连接失效监测方法的灵敏度，有利于该项技术的实用化。如图3、4所示，在以信号幅值为特征参数时，对于同样的情况，采用本发明方法得到的特征参数变化量达到了0.962V，而传统方法得到的参数变化两仅有0.514V；(2)本发明的方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现；(3)本发明实现方法简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识；(4)本发明可以简化时域特征参数的提取，如信号幅值、相位、频移等，如图3、4所示，在以信号幅值、相移等为特征参数时，本发明方法只需提取最大峰值的变化量和到达时刻即可，而传统方法中，由于各模态信号对损伤的敏感程度不同，选取哪一种模态信号作为考察对象，如何去准确定位选定的模态信号仍然存在问题。
四、附图说明
图1是自感式压电传感激励原理图与桥路图，其中(a)为自感式压电传感激励原理图，(b)为提取自感信号的桥路图，图中标记说明如下：VP为压电元件的传感电压，CP是等效电容，RP是漏电阻，Vin是外加激励电压，压电元件与C1串联组成桥路测量臂，CR与C1串联构成桥路的参考臂，VS即为由桥路提取出来的压电元件自感信号；
图2是时间反转聚焦原理图，其中(a)为基于压电阵列的损伤传感过程示意图，(b)为存在损伤时的结构响应反转聚焦过程示意图；
图3是传统方法得到的结构响应信号图，其中(a)为激励信号示意图，(b)为结构在损伤前后的Lamb波激励响应及局部细节图；
图4是采用本发明的方法得到的结构响应信号图；
图5是本发明方法的流程图。
五、具体实施方式
如图5所示，本实施例的利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法包括下列步骤：
(1)采集结构响应信号：
在结构上根据监测内容和区域布置一定数量的压电元件组成传感/激励阵列，通过函数发生器和功率放大器将设定的信号加载到选定的压电激励元件上，在结构中激发激励信号。采用第一种信号采集方式时，利用选定的另一压电元件作为传感器，经电荷放大器放大将结构响应信号采集到控制计算机中；采用自传感激励技术方式时，在激励元件上搭建桥路经电压跟随器和电压放大器放大，将结构响应信号采集到控制计算机中；
本实施例方法所使的硬件部分与传统方法监测系统的硬件部分相同，一般由以下部分组成：控制计算机、压电激励/传感网络、函数发生器、功率放大器、电荷放大器/电压放大器和数据采集装置；
(2)时间反转处理：
根据步骤(1)采集到的结构响应信号能量的衰减程度，选择一定的时间长度形成时间窗口，使该时窗截取的信号的能量为整个响应信号总能量的主体部分，将时窗内的信号反转，并进行放大，以补偿信号传播时造成的能量衰减；
(3)传感信号聚焦：
将经截取时间反转后的结构响应信号由功率放大器放大并加载到压电激励元件上，在对应的传感器上就可以接受到结构响应聚焦信号；
(4)特征参数提取和结构健康状态辨识：
再次选定激励/传感元件组合，重复进行步骤(1)至步骤(3)，直至所有通道监测完毕，从所得到的各结构响应聚焦信号中提取特征参数，再将提取出来的特征参数作为输入量输入到控制计算机中的软件判别系统，即可分析、判定被监测结构连接的健康情况，软件判别系统可与传统方法系统相同。
在步骤(4)中，在对各结构响应聚焦信号中提取特征参数时，由于传感信号聚焦成为一个主波峰，因此原先各模态对损伤的响应聚焦到主波峰中，可以只针对主波峰分别提取各特征参数。

Claims (2)

1、一种利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)采集结构响应信号：
在结构上根据监测内容和区域布置一定数量的压电元件组成传感/激励阵列，通过函数发生器和功率放大器将设定的信号加载到选定的压电激励元件上，在结构中激发激励信号并采集；
(2)时间反转处理：
根据步骤(1)采集到的结构响应信号能量的衰减程度，选择时间长度形成时间窗口，使响应信号的能量集中在该时间窗口中，将时间窗口内的信号反转，并进行能量放大，以补偿信号传播时造成的能量衰减；
(3)传感信号聚焦：
将经截取时间反转后的结构响应信号由功率放大器放大并加载到压电激励元件上，在对应的传感器上接受到结构响应聚焦信号；
(4)特征参数提取和结构健康状态辨识：
再次选定激励/传感元件组合，重复进行步骤(1)至步骤(3)，直至所有通道监测完毕，从所得到的各结构响应聚焦信号中提取特征参数，再将提取出来的特征参数作为输入量输入到控制计算机中的软件判别系统，即可分析、判定被监测结构连接的健康情况。
2、如权利要求1所述的利用信号聚焦对工程结构连接失效进行监测的方法，其特征在于，在步骤(4)中，在对各结构响应聚焦信号中提取特征参数时，传感信号聚焦成为一个主波峰，只针对主波峰分别提取各特征参数。
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