CN101451977B - 一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法，包括下列步骤：在结构中布置双元压电传感阵列；将Lamb波窄带信号加载到压电单元；将采集到的结构响应信号进行归一化处理；分离得到结构损伤散射信号；得到结构内部散射信号；判断得到结构的损伤情况。本方法可以实现对主动Lamb波激励下的内部散射信号与直接传感信号、边界反射信号的分离；不需要健康状态下的结构响应信号作为基准信号，可在任何时候对结构进行监测；无需更改或增加设备和参数，利用通用硬件系统就可以实现；实现方法简单，无需处理或计算信号中的损伤散射信号到达时刻等损伤特征参数就可以实现监测。

Description

一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法 

一、技术领域

本发明涉及一种工程结构损伤监测方法，尤其涉及一种不需要先验测试信号作为损伤监测基准的工程结构损伤监测方法，其采用双元压电传感阵列实现。 

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，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。板类或壳类结构是工程结构的主要形式之一，对此类结构的在线损伤监测研究是结构健康监测技术研究的热点。主动Lamb波技术是目前研究较多的一种板类或壳结构损伤监测技术。在主动Lamb波损伤监测中，损伤引起的散射信号包含了损伤的相关信息，对该信号进行分析和处理，就可以得出损伤的位置、范围、程度等参数，因此损伤散射信号的正确提取对损伤监测和评估尤为关键。但由于损伤散射信号一般能量较小，且与直接传播信号、边界散射及模式变换信号具有相同的时频域特征，因此采用基于压电阵列的主动Lamb波监测方法时，很难直接从传感信号中正确分离出损伤散射信号。目前，绝大多数的主动Lamb波损伤监测方法均采用了基于基准信号的信号分离方法：采用结构健康状态下的响应信号为基准信号，用当前状态下的结构响应与基准信号相减，得到损伤散射信号。但由于该方法需要健康信号作为基准，在真实条件下应用存在很大的问题：由于基准信号和当前结构响应信号的采集时间不同，存在一定的时间间隔，在真实条件下很难保证结构和外部条件不发生变化，而细微的变化都将会引起结构响应信号的变化，如环境温度、结构边界及应力状况、外部振动等，且驱动器/传感器性能也受到温度等因素的影响，由于损伤散射信号能量本身就较弱，采用基于基准信号的方法时，损伤散射信号很容易就淹没在结构和外部条件变化所引起的信号变化和噪声中，也就很难实现损伤监测；同时，当采集基准信号之前结构中已经存在损伤时，基于基准信号的方法无法提取出由该损伤产生的损伤散射信号，也就无法实现对它的监测。 

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法。本方法设计采用双元压电传感阵列采集结构响应信号，利用窗函数截取结构内部散射的Lamb波信号，并且利用时间反转理论中对波源的聚焦原理，在无需任何基准信号或基准信息的前提下，实现对损伤的监测。 

2、技术方案 

为了解决上述的技术问题，本发明的基于双元压电传感阵列的工程结构无基准主动Lamb波损伤监测方法包括下列步骤： 

步骤一：在待监测结构中布置双元压电传感阵列，所述的双元压电传感阵列包括一组压电单元，每个压电单元由两个相邻布置的第一、第二电压片组成；同时，将待监测结构按照面积划分为一组微小单元，如1mm×1mm大小的正方形单元，按照划分的单元建立图像矩阵，使得矩阵中的每一个点代表结构的一个微小单元，且各点在图像中的位置对应微小单元的坐标； 

步骤二：将Lamb波窄带信号加载到第一个压电单元中的第一压电片，第一压电片在结构中激发激励信号，同时，第二电压片作为传感器采集结构响应信号； 

步骤三：重复进行步骤二，依次将Lamb波窄带信号加载到其余的压电单元上，采集得到结构响应信号f_i(i＝1～N)，其中，N为压电单元的个数； 

步骤四：将步骤三所述的采集到的结构响应信号f_i(i＝1～N)进行归一化处理，以消除各压电单元性能差异带来的误差； 

步骤五：将结构内部散射信号从所述的结构响应信号f_i(i＝1～N)分离出来，得到结构损伤散射信号；所述的内部散射信号通过矩形时间窗函数 

$f_{\mathrm{wi}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;t<t_{1i}\\ 1& t_{1i}\&le;t<t_{2i}\\ 0& t\&GreaterEqual;t_{2i}\end{array}\right.,$ $t_{1i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{ASi}}}{c_g}+L,$ $t_{2i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{Abi}}+l_{\mathrm{Sbi}}}{c_g}$

得到，其中，t表示时间，t_1i为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，t₀为激励开始时刻，l_ASi为每一压电单元中作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片之间的距离，c_g为Lamb波群速度，L为激励信号时域脉宽，t_2i为时间窗函数的结束时刻，l_Abi和l_Sbi分别为结构响应信号中第一个出现的边界散射信号的波源到作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片的距离；本步骤中，结构损伤散射信号包含在传感结构响应信号中的内部散射信号部分，将内部散射信号部分从结构响应信号中截取出来，则结构损伤散射信号也将被分离出来，因此可以采用时间窗函数的方法截取结构内部散射信号。将步骤二激励出的Lamb波波速、激励信号在时间域脉宽以及压电片与结构边界的相对位置等参数设计时间窗函数，对于压电阵列中第i个位置的压电片对，时间窗函数如上式表示； 

步骤六：将步骤四中所述的归一化后的结构响应信号与步骤五的时间窗函数一一相乘，得到结构内部散射信号f’_i： 

f’_i＝f_wi×f_i

步骤七：用图像矩阵显示各内部散射信号的时间反转加载过程，即对步骤一所述的图像矩阵中各点的象素值进行赋值，对于矩阵中的任意一点S(m，n)，在时反加载后的波动幅值为： 

$S(m,n)=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{f}_i^{\&prime;}\left(\frac{R_{\mathrm{ai}}+R_{\mathrm{si}}}{v}\right),i=1~N$

其中S为图像矩阵，S(m，n)为图像矩阵S中的任意一点，m、n为该点在图像矩阵中的位置，可以反映对应微小单元的坐标，A_i为权重系数，f’_i为步骤六所述的第i个结构内部散射信号，R_ai、R_si分别为该象素点到第i个压电单元中第一压电片和第二压电片的距离，v为Lamb波传播群波速；根据该波动幅值即可判断得到结构的损伤情况。 

为了消除矩形时间窗函数带来的毛刺，可以在矩形窗的开始和结束加入过渡带，可用于过渡带的函数有很多，如高斯函数，当采用高斯函数时，步骤五中的时间窗函数改 写为 

$f_{\mathrm{wi}}=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_{1i}-T_t\\ e^{-{(t-t_{1i})}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}^2}& t_{1i}-T_t\&le;t<t_{1i}\\ 1& t_{1i}\&le;t<t_{2i}\\ e^{-{(t-t_{2i})}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}^2}& t_{2i}\&le;t{<t}_{2i}+T_t\\ 0& t\&GreaterEqual;t_{2i}+T_t\end{array}\right.$

其中，t表示时间，e为自然对数的底数，σ是高斯函数系数，T_t为窗函数过渡带宽度，t_1i为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，t_2i为时间窗函数的结束时刻。 

本发明的基本原理是：由于双元压电阵列布局中作为激励器的压电片和作为传感器的压电片之间的距离非常小，采用激励传感方式得到的传感信号中直接路径传播信号存在于信号的开始阶段，而损伤散射信号的传播路径为激励器——损伤——传感器，其传播路径距离远大于直接传播路径，所以和直接传播信号在时间上相距很远，发生混叠的几率很小，采用时间窗函数将直接传播信号和边界反射去除后，将仅剩内部散射信号，包括损伤散射信号。根据时间反转理论对波源的聚焦原理，在传感得到的结构响应信号中，除压电片直线路径传播信号及边界反射外仅损伤散射信号存在相同的波源——损伤，而其他的散射信号、模式变换信号以及噪声则来源不一，因此将保留的信号时反加载时，可实现损伤散射信号在损伤处的聚焦，而其他信号时反加载时由于不存在统一波源而随机叠加，此时损伤处的信号能量将显著突出，从而无需提取损伤散射信号就可实现对损伤的辨识。本发明方法由于无需基准信号而直接采用当前状态下结构响应信号，实现对结构损伤的在线监测和成像，结构和外部条件发生变化而带来的影响将不复存在，有利于推动主动Lamb波结构健康监测技术的推广和应用。 

3、有益效果：(1)本发明方法可以实现对主动Lamb波激励下的内部散射信号与直接传感信号、边界反射信号的分离；(2)本发明方法可使得主动Lamb波监测不再需要健康状态下的结构响应信号作为基准信号，直接采用当前采集到的信号实现对损伤的监测，不受结构和外部条件发生变化而带来的影响；(3)本发明的方法由于不依靠健康状态下测得的基准信号，因此可以在任何时候对结构进行监测，即使在布置激励/传感器阵列之前损伤已经存在也可以实现对损伤的监测；(4)在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用通用硬件系统就可以实现；(5)本发明实现方法简单，无需处理或计算信号中的损伤散射信号到达时刻等损伤特征参数就可以实现监测。 

四、附图说明

图1为双元压电传感/激励阵列示意图； 

图2为带有高斯函数过渡的典型窗函数示意图； 

图3为本发明的一个实施例的压电阵列示意图； 

图4为激励信号时域波形及频率谱； 

图5为图3中压电阵列采集到的响应信号； 

图中：a、原始响应信号；b、归一化并经窗函数截取后的内部散射信号；图6损伤时间反转成像监测结果； 

五、具体实施方式

如图3所示，其中待监测结构为环氧玻璃纤维复合材料板，尺寸为1126mm×990mm×2mm，采用质量块加载的方式模拟损伤的发生，损伤的坐标位置为(-13mm，35mm)，直径约19mm。 

本实施例包括下列步骤： 

步骤一：布置双元压电传感阵列，在结构上根据监测范围和区域采用图1的形式布置8对压电元件组成传感/激励阵列，压电阵列位置示意图如图3所示，激励器和传感器坐标如表1所示，坐标原点位置为板中心点，各对压电片之间的中心间距3cm，直径0.8cm； 

步骤二：通过函数发生器和功率放大器将设定的窄带信号加载到选定的一个压电元件对中的作为驱动器的压电元件上，在结构中激发激励信号，该信号为正弦调制信号，中心频率30KHz，如图4所示；选定对应压电元件对中的另一片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； 

步骤三：按照上述方式依次激励传感完成结构响应信号的采集，所有的响应信号如图5(a)所示。 

表格1压电片坐标(单位：mm) 

本实施例方法所使用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、多路切换开关、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； 

步骤四：将步骤三所述的采集到的结构响应信号f_i(i＝1～8)进行归一化处理，以消除各压电单元性能差异带来的误差； 

步骤五：确定时间窗函数，并采用该窗函数截取结构响应信号得到内部散射信号：时间窗函数如下式所示： 

$f_{\mathrm{wi}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;t<t_{1i}\\ 1& t_{1i}\&le;t<t_{2i}\\ 0& t\&GreaterEqual;t_{2i}\end{array}\right.,$ $t_{1i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{ASi}}}{c_g}+L,$ $t_{2i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{Abi}}+l_{\mathrm{Sbi}}}{c_g}$

t表示时间，t_1i为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，t₀为激励开始时刻，l_ASi为每一压电单元中作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片之间的距离，c_g为Lamb波群速度，L为激励信号时域脉宽，t_2i为时间窗函数的结束时刻，l_Abi和l_Sbi分别为结构响应信号中第一个出现的边界散射信号的波源到作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片的距离； 

根据激励信号频率、Lamb波频散曲线以及实验测得的波速，确定在结构中激发的Lamb波波包群速度，将压电阵列坐标、Lamb波波包群速度等参数带入上式得到各压电元件对的窗函数； 

步骤六：将步骤四中所述的归一化后的结构响应信号与步骤五的时间窗函数一一相乘，得到结构内部散射信号f’_i： 

f’_i＝f_wi×f_i

如图5(b)所示； 

步骤七：利用结构内部散射信号实现损伤聚焦成像： 

根据结构尺寸及监测范围，建立图像矩阵，采用下式表述的方法，为图像矩阵中的每个点赋值，得到损伤聚焦图像，即损伤监测结果图像， 

$S(m,n)=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{f}_i^{\&prime;}\left(\frac{R_{\mathrm{ai}}+R_{\mathrm{si}}}{v}\right),i=1~N$

其中S为图像矩阵，S(m，n)为图像矩阵S中的任意一点，m、n为该点在图像矩阵中的位置，可以反映对应微小单元的坐标，A_i为权重系数，f’_i为步骤六所述的第i个结构内部散射信号，R_ai、R_si分别为该象素点到第i个压电单元中第一压电片和第二压电片的距离，v为Lamb波传播群波速； 

由于Lamb波波包为5周期调制正弦波，直接显示的结果为斑点状，难以在直观上估计损伤的位置、范围等参数，故可在处理时加入了平均算子，即图像矩阵中各点的象素值为以其中心的8×8范围内64个点象素值的平均值。为了更加清晰的显示损伤的位置和范围，还可以加入阈值，最终的监测成像结果如图6所示(中心黑色圆圈代表损伤位置和范围)。 

Claims (2)

1.一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一：在结构中布置双元压电传感阵列，所述的双元压电传感阵列包括一组压电单元，每个压电单元由两个相邻布置的第一、第二电压片组成；同时，将待监测结构按照面积划分为一组微小单元，按照划分的单元建立图像矩阵，使得矩阵中的每一个点代表结构的一个微小单元，且各点在图像中的位置对应一个微小单元的坐标；

步骤二：将Lamb波窄带信号加载到第一个压电单元中的第一压电片，第一压电片在结构中激发激励信号，同时，第二电压片作为传感器采集结构响应信号；

步骤三：重复进行步骤二，依次将Lamb波窄带信号加载到其余的压电单元上，采集得到结构响应信号f_i(i＝1～N)，其中，N为压电单元的个数；

步骤四：将步骤三所述的采集到的结构响应信号f_i(i＝1～N)进行归一化处理，以消除各压电单元性能差异带来的误差；

步骤五：将内部散射信号从所述的结构响应信号f_i(i＝1～N)分离出来，得到结构损伤散射信号；所述的内部散射信号通过矩形时间窗函数

$f_{\mathrm{wi}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;t<t_{1i}\\ 1& t_{1i}\&le;t<t_{2i}\\ 0& t\&GreaterEqual;t_{2i}\end{array},t_{1i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{ASi}}}{c_g}+L,t_{2i}=t_0+\frac{l_{\mathrm{Abi}}+l_{\mathrm{Sbi}}}{c_g}\right.$

得到，其中，t表示时间，t_1i为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，t₀为激励开始时刻，l_ASi为每一压电单元中作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片之间的距离，c_g为Lamb波群速度，L为激励信号时域脉宽，t_2i为时间窗函数的结束时刻，l_Abi和l_Sbi分别为结构响应信号中第一个出现的边界散射信号的波源到作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片的距离；

步骤六：将步骤四中所述的归一化后的结构响应信号与步骤五的时间窗函数一一相乘，得到结构内部散射信号f’_i：

f’_i＝f_wi×f_i

步骤七：用图像矩阵显示各内部散射信号的时间反转加载过程，即对步骤一所述的图像矩阵中各点的象素值进行赋值，对于矩阵中的任意一点S(m，n)，在时反加载后的波动幅值为：

$S(m,n)=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{A}_i{f}_i^{\&prime;}\left(\frac{R_{\mathrm{ai}}+R_{\mathrm{si}}}{v}\right),i=1~N$

其中S为图像矩阵，S(m，n)为图像矩阵S中的任意一点，m、n为该点在图像矩阵中的位置，可以反映对应微小单元的坐标，A_i为权重系数，f’_i为步骤六所述的第i个结构内部散射信号，R_ai、R_si分别为该象素点到第i个压电单元中第一压电片和第二压电片的距离，v为Lamb波传播群波速；根据该波动幅值即可判断得到结构的损伤情况。

2.如权利要求1所述的基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法，其特征在于，步骤五中，时间窗函数为

$f_{\mathrm{wi}}=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_{1i}-T_t\\ e^{-{(t-t_{1i})}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}^2}& t_{1i}-T_t\&le;t<t_{1i}\\ 1& t_{1i}\&le;t<t_{2i}\\ e^{-{(t-t_{2i})}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}^2}& t_{2i}\&le;t<t_{2i}+T_t\\ 0& t\&GreaterEqual;t_{2i}+T_t\end{array}\right.$

其中，t表示时间，e为自然对数的底数，σ是高斯函数系数，T_t为窗函数过渡带宽度，t_1i为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，t_2i为时间窗函数的结束时刻。

Images