CN102323337A - 一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，步骤为：采集结构健康状态下所有激励/传感通道的Lamb波基准响应信号；采集结构损伤状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；提取合成波阵面激励下所有激励/传感通道下的Lamb波损伤散射信号；根据前述损伤散射信号，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测结构的健康情况。此种方法应用弧形传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，采用合成波阵面方法增强结构中的激励信号，从而提高损伤散射信号的能量以及监测系统的准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种基于弧形压电阵列和合成波阵面的主动Lamb波工程结构损伤监测方法。
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。
结构损伤的在线监测要求相关信号发生和采集设备要具有体积小、功耗低等特点，监测必须具有很高的准确性和实时性。板类结构的损伤监测一般采用主动Lamb波的方法，主要通过损伤散射信号特征来实现监测。首先，在结构表面或内部集成一定数量的激励器和传感器，如压电元件，除此之外，整个监测系统还包括信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数采设备等，在监测时首先向结构中激励一定的波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波，采集到计算机中，通过对比结构损伤前后响应信号的差异，获取结构损伤散射信号，计算机程序根据损伤散射波的到达时刻、相位等信息确定损伤的位置和范围。在现有的主动Lamb波监测技术中，大多采用单一压电片进行激励，在结构中激发出的Lamb波能量有限，结构损伤对激励信号的波散射信号能量也就更加微弱，难易准确捕获。针对这一问题，一些先进的信号处理理论和压电阵列技术被应用到现有的主动Lamb波监测技术中，如相控阵技术、时间反转理论等。这些技术和方法根据一些先进信息处理理论，综合利用各传感信号之间的相关性，来分析和处理Lamb结构响应信号，提高监测信号的信噪比和监测系统的稳定性。然而，由于Lamb波传播的特殊性，上述的方法在应用过程中依然存在一定的问题，如相控阵技术基于远场理论，而主动Lamb波监测技术并不满足这一点，同时单一线阵无法区分损伤处于线阵的哪一侧，而时间反转方法到目前为止还无法实现物理上的Lamb波损伤散射信号聚焦。
基于以上考虑，本发明人针对现有的结构损伤主动监测方法进行研究改进，本案由此产生。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其应用弧形传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，采用合成波阵面方法增强结构中的激励信号，从而提高损伤散射信号的能量以及监测系统的准确性和稳定性。
为了解决上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：
一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，包括下列步骤：
（1）在结构上布置一组压电片组成弧形传感/激励阵列，各压电片组成的弧形阵列与以弧形圆心为波源、以弧形半径为传播距离的波阵面重合；
（2）采集结构健康状态下所有激励/传感通道的Lamb波基准响应信号；
（3）采集结构损伤状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；
（4）提取合成波阵面激励下所有激励/传感通道下的Lamb波损伤散射信号，具体内容为：
（41）将步骤（2）中得到的Lamb波基准响应信号与步骤（3）中得到的结构损伤后Lamb波响应信号对应相减，得到相应的差信号；
（42）将以某一压电片作为传感器的所有差信号相加，得到其在弧形压电阵列合成阵面激励下的损伤散射信号；
（43）依次选择压电阵列中的压电片，得到合成波阵面激励下的所有损伤散射信号；
（5）根据前述损伤散射信号，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测结构的健康情况。
上述步骤（2）的详细步骤为：
（21）在结构健康状态下，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；
（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；
（23）依次选定阵列中的各压电片作为激励元件，得到所有激励/传感通道下的结构健康状态下的Lamb波响应信号。
上述Lamb波超声信号为窄带Lamb信号。
上述步骤（3）的详细步骤为：
（21）当结构发生损伤时，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；
（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；
（23）依次选定阵列中的各压电片作为激励元件，得到所有激励/传感通道下的结构损伤状态下的Lamb波响应信号。
上述Lamb波超声信号为窄带Lamb信号。
上述步骤（5）中，在计算信号传播距离时，以弧形压电阵列圆心为虚拟波源点，根据监测区域相对于虚拟波源点和弧形阵列的位置，在监测信号传播距离上分别减去或加上弧形半径。
本发明的基本原理是：利用多个压电片组成的弧形压电阵列进行同相激励，组成合成波阵面，该波阵面的能量将远大于弧形圆心处单一压电元件激励出的信号波阵面能量，进而得到的损伤散射信号能量也将大大增强；同时，利用时分复用的原理，采用逐个激励、再同相相加的方式，简化操作过程，并降低对设备的要求。本发明可以有效提高主动Lamb波损伤监测中损伤散射信号的能量，有利于消除环境以及设备参数变化对Lamb波损伤散射信号提取带来的干扰，推动结构健康监测技术的推广和应用。
采用上述方案后，本发明具有以下优点：
（1）本发明的方法增强了主动Lamb波损伤监测中的损伤散射信号信噪比，提高了结构损伤监测方法的准确性，有利于该项技术的实用化；
（2）相对于基于线阵的合成波阵面激励方式，由于本发明消除了线阵的上下对称性，可以克服线阵方式中存在的对称面虚像问题；
（3）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。
附图说明
图1是本发明中弧形压电传感器/激励器阵列及合成波阵面原理示意图；
图中：a、合成波阵面初试阶段示意图及虚拟波源；b、合成波阵面传播至下半平面阶段的示意图及虚拟波源；
图2是由11片压电阵列组成的弧形压电传感器/激励器阵列及损伤位置示意图；
图中：编号1～11为弧形压电阵列中各元件的编号，0号压电片位于弧形的圆心处，用于对比监测效果；
图3是中心频率为50KHz的窄带激励信号波形时域图；
图4是1号压电片采集得到的Lamb波损伤散射信号合成过程；
图中：f 12表示压电阵列中2号压电片激励、1号压电片传感得到的损伤散射信号，f 12、f 14、f 16、f 18、f 10依此类推；s 1为采用时分复用方式从1号压电片得到的合成波阵面激励下的损伤散射信号；
图5是本发明方法与传统单一压电片方法得到的损伤散射信号对比；
图6是采用本发明方法得到的损伤1成像监测结果；
图中：“○”表示压电元件的位置，“*”表示损伤的实际位置；
图7是采用本发明方法得到的损伤2成像监测结果；
图中：“○”表示压电元件的位置，“*”表示损伤的实际位置。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的有益效果进行详细说明。
如图1和图2所示，是本发明所采用的一个实施例的试件及压电阵列布局，其中试件为环氧玻璃纤维增强复合材料板，尺寸为100mm×1000mm×2mm，采用P5压电陶瓷片组成压电阵列，压电片直径为8mm、厚度0.48mm。以试件板中心点为坐标原点，在起始位置为正向x轴、半径为50mm的圆环上，以18度为间隔均匀布置了11片压电片组成弧形压电阵列，并在弧形圆心布置一片0号压电片以作对比分析，所有的压电片编号如图2所示。在（100mm，100mm）和（0mm，－100mm）位置通过加载的方式模拟两处损伤的发生。
本实施例包括下列步骤：
（1）采集结构健康状态下的Lamb波响应信号：
如图2所示，在结构上根据监测内容和区域布置11个压电片组成弧形压电传感/激励阵列。在结构健康状态下，选择一个压电片（P j ）（j =1，2，3，…，11）作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将设定的窄带激励信号加载到该激励元件上，在结构中激发Lamb波信号，该信号为正弦调制信号，中心频率50KHz，如图3所示；选定除前述压电片（P j ）外的其它压电片P i （i＝1，2，3，…，11；且i≠j）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，完成一组测量，得到一组健康基准响应信号（f ij ）；也即激励元件与传感器均从1～11号压电片中选出，且二者同时不为同一个压电片。
重复上述过程可以得到全部的健康基准响应信号（f ij ）。
同时，为了对比，选择弧形阵列圆心处的0号压电片为激励元件，重复上述过程，采集获取健康基准响应信号（f i0）。
（2）采集结构损伤状态下的Lamb波响应信号：
当结构发生损伤后，重复步骤（1）中的所有过程，得到所有激励/传感通道下的结构损伤后的Lamb波响应信号（f’ ij ）。
同时，为了对比，选择弧形阵列圆心处的0号压电片为激励元件，重复上述过程，采集获取损伤信号（f’ i0）。
（3）提取Lamb波损伤散射信号：
将前述步骤中得到的健康状态下的Lamb波响应信号（f ij ）与损伤状态下的信号（f’ ij ）对应相减，得到差信号（d ij ）。
将从第i个压电传感器上得到的所有差信号相加，得到来自弧形压电阵列合成波阵面激励下的损伤散射信号（s i ）：
图4显示了该合成过程，图中显示了i＝1时弧形压电阵列得到的差信号合成过程及最终得到的损伤散射信号s 1，从图中可以看出，随着参与叠加的信号数量增多，最终的损伤散射信号不论是能量还是信噪比都得到了显著提高。同时作为对比，将信号s 1与单一压电片激励下得到的损伤散射信号（即f 10）进行了对比，如图5所示，可以明显地看出本发明合成波阵面方法在信号能量和信噪比方面要全面优于传统的单一压电片激励方法。
（4）特征参数提取和结构健康状态辨识：
所有信号处理完毕后，根据所得到的各损伤散射信号的波包到达时刻、相位等特征参数，得出损伤的位置和范围，分析、判定被监测结构的健康情况。在计算信号传播距离时，以弧形压电阵列圆心为虚拟波源点，根据监测区域相对于虚拟波源点和弧形阵列的位置，在监测信号传播距离上分别减去或加上弧形半径；在进行结构损伤状态辨识时，综合利用各损伤散射信号的到达时刻、相位等信息实现对损伤的监测，例如椭圆定位法、时间反转成像法等方法，得出损伤的位置，完成结构健康状况的监测。
本实施例中采用时间反转成像方法对损伤进行成像监测，对于最终的成像结果中任意一点I（m，n），采用下述的赋值公式：
上式中A i 为能量补偿系数，用以补偿不同传感信号能量差异，本实施例中取值为1；R Amn 、
分别为该像素点到虚拟激励源和对应传感器的距离；r是弧形压电阵列所处的波阵面半径，v为Lamb波传播波速。处理得到的两处损伤监测结果如图6、图7所示，可以清晰地看到最终的监测结果，同时，有效克服了线阵所具有的虚像问题。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在结构上布置一组压电片组成弧形传感/激励阵列，各压电片组成的弧形阵列与以弧形圆心为波源、以弧形半径为传播距离的波阵面重合；
（2）采集结构健康状态下所有激励/传感通道的Lamb波基准响应信号；
（3）采集结构损伤状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；
（4）提取合成波阵面激励下所有激励/传感通道下的Lamb波损伤散射信号，具体内容为：
（41）将步骤（2）中得到的Lamb波基准响应信号与步骤（3）中得到的结构损伤后Lamb波响应信号对应相减，得到相应的差信号；
（42）将以某一压电片作为传感器的所有差信号相加，得到其在弧形压电阵列合成阵面激励下的损伤散射信号；
（43）依次选择压电阵列中的压电片，得到合成波阵面激励下的所有损伤散射信号；
（5）根据前述损伤散射信号，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测结构的健康情况。
2.如权利要求1所述的一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于：所述步骤（2）的详细步骤为：
（21）在结构健康状态下，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；
（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；
（23）依次选定阵列中的各压电片作为激励元件，得到所有激励/传感通道下的结构健康状态下的Lamb波响应信号。
3.如权利要求2所述的一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于：所述Lamb波超声信号为窄带Lamb信号。
4.如权利要求1所述的一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于：所述步骤（3）的详细步骤为：
（21）当结构发生损伤时，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；
（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；
（23）依次选定阵列中的各压电片作为激励元件，得到所有激励/传感通道下的结构损伤状态下的Lamb波响应信号。
5.如权利要求4所述的一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于：所述Lamb波超声信号为窄带Lamb信号。
6.如权利要求1所述的一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其特征在于：所述步骤（5）中，在计算信号传播距离时，以弧形压电阵列圆心为虚拟波源点，根据监测区域相对于虚拟波源点和弧形阵列的位置，在监测信号传播距离上分别减去或加上弧形半径。
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