CN102426195A - 一种结构损伤监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种结构损伤监测系统及其监测方法。本发明结构损伤监测系统主要包括电源系统、控制器、功率放大器、信号发生器、数据采集板、I/O控制板、电荷放大器、多通道切换装置、24路传感器阵列、计算机人机界面。本发明的结构损伤监测方法基于主动Lamb波，采用前台实时采集数据，后台即时成像处理和管理数据的模式，提高了系统的实时性和可靠性。其次，该技术实现方法通过三个电荷放大器与数据采集板的三个通道相连在硬件上实现了单点激励，三点同时接收信息且在无激励时也能多点接收信息的数据接收模式，有效提高了工作效率。而且本发明采用了多通道切换装置，解决了传感器通道间互扰的问题。

Description

一种结构损伤监测系统及其监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种压电结构损伤监测系统及其监测方法。

背景技术

随着科学技术的发展，各种新型复杂结构相继出现，损伤诊断及监测显得更加迫切和重要。有些结构中的重要部件一旦发生损伤，其破坏程度扩展非常迅速，如果未及时发现将很快导致整个结构的毁坏。另外，因结构的老化疲劳及腐蚀所需要的维修费用很高，因此及时发现损伤，随时进行维修，以节省各种费用就显得尤为重要。工程结构的损伤诊断，评估和加固技术在结构工程研究领域变得非常活跃，同时也越来越被人们重视。由此可见，相关方面的研究具有可观的经济效益和社会效益。

现有压电损伤监测设备多为单激励单接收设备，扫查速度慢，效率低；信号滤波多采用后处理，数字滤波技术。现有技术多采用单机模式，不利于硬件及通道扩展，而且现有技术多采用Windows操作系统，并没有将实时(RT)系统引入，因此无法实现实时监测。

发明内容

本发明的目的：提供一种性价比高、精度高、可靠性高、工作效率高、抗干扰力强、集成化和便携性好且支持前台实时采集数据及后台即时成像的结构损伤监测系统。

另外，本发明还提供一种结构损伤监测方法。

本发明的技术方案是：一种结构损伤监测系统，其包括电源系统、控制器、功率放大器、信号发生器、数据采集板、I/O控制板、电荷放大器、多通道切换装置、传感器阵列、计算机，其中，计算机与控制器相连，所述控制器、信号发生器、功率放大器以及多通道切换装置组成激励信号的传输途径；所述控制器、I/O控制板以及多通道切换装置组成第一路控制信号通道，控制器与电荷放大器组成第二路控制信号通道；所述多通道切换装置、电荷放大器、数据采集板以及控制器组成相应信号通道，而所述多通道切换装置则连接至被测结构的传感器阵列上。

数据采集板与多通道切换装置之间并联设置三个用于放大压电传感器接收到传感信号的电荷放大器。

所述用于采集经电荷放大器放大后的信号数据采集板共有四个通道：ch0、ch1、ch2和ch3，所述ch0通道与信号发生器相连，所述ch1、ch2和ch3三个通道分别与三个电荷放大器相连。

所述传感器阵列为24路阵列，传感器在布置上呈现阵列形式，四个传感器组成一个监测区域，在主动监测的通道切换上，对1个传感器施加激励，多个传感器响应信号同时采集。

所述的前台实时数据采集采用带通滤波信号处理以及多传感器管理，操作系统采用RT系统实现实时采集。

一种结构损伤监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在待测结构上布置压电片组成N条压电监测路径；

步骤2：获取每条监测路径的基准信号a⁰(t)：

(1)由信号发生器产生激励信号；

(2)激励信号放大后输入到传感器阵列；

(3)通过I/O控制板控制开关的导通与关闭来控制压电传感器的激励、传感工作方式；

(4)压电传感器接收到的传感信号经电荷放大器放大后采集存储；

步骤3：与步骤2相同的方法，获取每条监测路径的损伤信号a(t)，从而计算得到损伤散射信号：d(t)＝a(t)-a⁰(t)；

步骤4：根据下式计算监测区域的损伤成像图：

$S(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\underset{j\≠i}{j=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ω}}_0,t)\left(\frac{R_r+R_t}{c_g}\right)$

其中，s_ij(ω₀，t)为d_ij(t)作短时傅立叶变化后，提取特定频率ω＝ω₀时的幅值，其中ω₀为Lamb波的激励频率；d_ij(t)表示i作为激励器时，传感器j接收到的损伤散射信号；R_r和R_t分别表示传感器i和j与成像点的距离；c_g表示信号在结构中传播群速度。

步骤5：根据成像图进行损伤评估与诊断，完成对结构的主动损伤监测。

所述步骤5中的损伤评估和诊断可以细分为：

系统运行→传感网络设置→扫查设置并扫查→扫查结果存储→信号分析→损伤成像→损伤评估与诊断。

扫查可以采取普通扫查、基线扫查、损伤扫查。

本发明的有益效果是：本发明既可主动监测又可被动监测，完全实现主/被动一体化，采用前台实时采集数据，后台即时成像处理和管理数据的模式，故系统的实时性、可靠性都得以提高。而且本发明通过三个电荷放大器与数据采集板的三个通道相连在硬件上实现了单点激励，三点同时接收信息且在无激励时也能多点接收信息的数据接收模式，通过网口容易扩充，实现更多点的采集分析，有效提高了扫查速度和工作效率。本发明通过多通道切换装置的应用解决了传感器通道间互扰的问题，既可硬件操作滤波，也可软件操作滤波。而且通过改进电荷放大器等硬件电路的性能，提高了系统的频率上限，现有损伤监测系统的频率上限最大为700kHz，本系统可以达到1MHz。另外，本系统由一台处理主机通过集线器等设备可以方便扩展多台前端主机，从而达到扩展通道的目的，因此具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明结构损伤监测系统的连线图；

图2是本发明结构损伤监测系统的结构框图；

图3是数据采集板连线图；

图4是I/O控制板至多通道切换装置内部连线图；

图5是多通道切换装置电路结构图；

图6是切换控制单元的KO单元内部连线示意图；

图7是输入通道控制的K24单元的内部连线示意图；

图8是输出通道控制的K26单元的内部连线示意图，

其中，1-电源系统、2-控制器、3-功率放大器、4-信号发生器、5-数据采集板、6-I/O控制板、7-电荷放大器、8-多通道切换装置、9-传感器阵列、10-计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

下边结合图1和图2具体说明本发明的系统连线关系、框架结构、工作流程、系统特性、及关键技术的设计。

请参阅图1，其本发明结构损伤监测系统的连线图。所述结构损伤监测系统包括电源系统1、控制器2、功率放大器3、信号发生器4、数据采集板5、I/O控制板6、电荷放大器7、多通道切换装置8、24路传感器阵列9、计算机10。

其中电源系统1、控制器2、功率放大器3、信号发生器4、数据采集板5、I/O控制板6集成在一起，其中，信号发生器4至数据采集板5及功率放大器3均相连，且由电源系统1统一供电。计算机10连接到控制器2上，所述功率放大器3、信号发生器4、数据采集板5与多通道切换装置8相连，且功率放大器3有一路直接与多通道切换装置8相连，所述I/O控制板6有两路直接连接到多通道切换装置8上。而所述多通道切换装置8分别经过3个电荷放大器7连接到数据采集板5上。

所述控制器2用于接收计算机的控制命令并将其发送给系统其它部分，同时为信号采集处理系统提供良好的工作环境。所述功率放大器3用于把信号发生器发出的微弱的激励信号进行放大处理并输入到激励传感网络中。所述信号发生器4用于产生特定的周期性时间函数波形信号，传送给功率放大器和数据采集卡。所述计算机10与控制器2相连，用于向控制器发出命令及接收最终采集到得信号供软件部分进行损伤评估与诊断，采用前台实时采集数据，后台即时成像处理分析管理数据的模式提高系统的可靠性和速度，以及可扩展性。

请参阅图2，其是本发明结构损伤监测系统的框架结构示意图。其中，计算机10与控制器2之间用网线相连，控制器2控制并发出三种信号，激励信号、控制信号及响应信号。其中激励信号的传输途径是控制器2、信号发生器4、功率放大器3至多通道切换装置8；控制信号的传输有两个途径，第一条是控制器2、I/O控制板6至多通道切换装置8，第二条是控制器2至电荷放大器7；响应信号的传输途径是多通道切换装置8、电荷放大器7、数据采集板5至控制器2。而所述多通道切换装置8则连接至被测结构的传感器网络上。

本实施方式中的传感器网络为24路传感器阵列：传感器在布置上呈现阵列形式，一般任意四个传感器组成一个监测区域。在主动监测的通道切换上，实现对1个传感器施加激励，多个传感器响应信号同时采集的模式。由于在主动方法中，损伤的判别主要是利用损伤散射信号，如果两个传感器距离太远，散射信号将非常微弱，不利于损伤的识别；如果两个传感器距离太近，Lamb波传播的各种模式又无法区分开，同样会增加信号处理和损伤评估的难度；在压电传感器的使用数量上，最多使用了24个压电传感器，所以本发明实现的集成结构损伤监测技术单台支持24个压电传感器组成激励-传感网络，当然也可以使用压电传感器少于24个情形。

请参阅图3，其是所述数据采集板的内部通道连接关系示意图。所述数据采集板5，用于采集经电荷放大器放大后的信号，其共有四个通道，ch0、ch1、ch2和ch3。信号发生器4发出与ch0通道相连，电荷放大器1、2和3分别与ch1、ch2和ch3三个通道相连。

请同时参阅图4和图5，其中，图4给出了I/O控制板与多通道切换装置的内部连接关系示意图，图5是多通道切换装置电路结构图。所述多通道切换装置8用于通道间的切换及选择，所述I/O控制板用于控制压电传感器的工作方式和整个激励传感网络的工作顺序。所述多通道切换装置8共有28个单元K0-K27。结构如图5所示。包括二十四路输入和二十四路输出的压电传感器切换电路。三路激励输入信号和三路数据采集通道。其中，光电耦合单元K0分别与功率输入信号I N1、回波采集输出信号OUT1、两个控制信号和传感器信号SEN0连接；光电耦合单元K1分别与功率输入信号IN1、回波采集输出信号OUT1、两个控制信号和传感器信号SEN1连接；光电耦合单元K2分别与功率输入信号IN1、回波采集输出信号OUT1、两个控制信号和传感器信号SEN2连接；光电耦合单元K3分别与功率输入信号IN1、回波采集输出信号OUT1、两个控制信号和传感器信号SEN3连接；其余单元都与之类似。

输入信号IN1分别与K0～K7连接；输入信号IN2分别与K8～K15连接；输入信号IN3分别与K16～K23连接。

输出信号OUT1分别与K0～K7连接；输出信号OUT2分别与K8～K15连接；输出信号OUT3分别与K16～K23连接。

输入通道控制IN1，IN2的连接由K24控制；输入通道控制IN3，IN2的连接由K25控制。

输出通道控制OUT1、OUT2的连接由K26控制；输出通道控制OUT3、OUT2的连接由K27控制。

切换控制单元由KO～K23单元组成，图6给出了KO单元的内部连线关系。K1～K23单元与之相似。K0单元包括U0和U1，K0的1、3脚通过一个电阻与电源Vcc连接，2脚与I/O控制板的引脚P2.7连接即U0-2，4脚与I/O控制板的引脚P5.7连接即U1-4，5脚与输出OUT1连接，8脚与输入IN1连接，6、7分别与传感器SEN0连接。

输入通道控制有两个单元K24和K25。图7中给出了K24单元的内部接线关系，K25单元与之类似。K24单元包括U52和U53，K24的1、3脚通过一个电阻与电源Vcc连接，2脚与I/O控制板的引脚P9.0连接即U52-2，4脚与I/O控制板的引脚P6.0连接即U53-4，5脚与输入IN1连接，8脚与输入IN2连接，6脚与7脚连接；

输出通道控制有两个单元K26和K27。图8中给出了K26单元的内部接线关系，K27单元与之类似。K26单元包括U48和U49，K26的1、3脚通过一个电阻与电源Vcc连接，2脚与I/O控制板的引脚P9.5连接即U48-2，4脚与I/O控制板的引脚P6.5连接即U49-4，5脚与输出OUT1连接，8脚与输出OUT2连接，6脚与7脚连接；

所述的多通道切换装置通过控制电路对数据采集通道任意组合进行切换。具体如下，控制电路对主动模式中的单点激励——单点传感进行切换；控制电路对主动模式中的单点激励——多点传感进行切换；控制电路对被动模式中的单点传感——单点采集进行切换；控制电路对被动模式中的多点传感——多点采集进行切换。

本发明的结构损伤监测技术是基于主动Lamb波的一种损伤监测方法，用一部分压电换能器作激励信号，用另一部分换能器作传感器接收信号，通过分析信号在结构中的传输来分析传递路径网络中的结构损伤状态。具体是通过压电传感器对结构施加主动激励，同时使用单个或多个压电传感器感知结构不同位置的相应信号，由于结构中的损伤会引起相应信号的改变，据此改变可对结构中的损伤进行判别。

下面给出本发明结构损伤监测方法的工作流程：

步骤1：在待测结构上布置压电片组成N条压电监测路径；

步骤2：获取每条监测路径的基准信号a⁰(t)：

(1)由信号发生器产生激励信号，激励信号的形式很多，主要由监测方法和对象决定；

(2)激励信号经过功率放大器进行放大，再输入到24路传感器阵列；

(3)通过I/O控制板控制开关的导通与关闭来控制压电传感器的激励、传感工作方式；

(4)压电传感器接收到的传感信号经电荷放大器放大，然后通过数据采集卡采集存储；

步骤3：与步骤2相同的方法，获取每条监测路径的损伤信号a(t)，从而计算得到损伤散射信号：d(t)＝a(t)-a⁰(t)；

步骤4：根据下式计算监测区域的损伤成像图：

$S(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\underset{j\≠i}{j=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ω}}_0,t)\left(\frac{R_r+R_t}{c_g}\right)$

其中，S_ij(ω₀，t)为d_ij(t)作短时傅立叶变化(STFT)后，提取特定频率ω＝ω₀(其中ω₀为Lamb波的激励频率)时的幅值；d_ij(t)表示i作为激励器时，传感器j接收到的损伤散射信号；R_r和R_t分别表示传感器i和j与成像点的距离；c_g表示信号在结构中传播群速度。

步骤5：根据成像图，利用计算机中分析软件进行损伤评估与诊断，完成对结构的主动损伤监测。其中，步骤5中的损伤评估和诊断可以细分为：计算机中分析软件系统运行→传感网络设置→扫查设置并扫查→扫查结果存储→信号分析→损伤成像→损伤评估与诊断。而其中的扫查可以采取普通扫查、基线扫查、损伤扫查。

本发明的结构损伤监测技术的关键技术设计是：

前台实时采集数据技术是：采用带通滤波信号处理技术及多传感器管理处理技术，操作系统采用RT系统完全实现实时数据采集。现有技术中大多应用的是Windows系统，无法真正实现实时数据采集。

一对三的数据接收模式是：通过三个电荷放大器与数据采集板的三个通道相连在硬件上实现了单点激励，三点同时接收信息且在无激励时也能多点接收信息的数据接收模式，通过网口容易扩充，可实现更多点的数据采集分析，有效提高了工作效率。现有技术大多都是一对一的数据接收模式，工作效率无法提高。

主/被动监测一体化技术是：既可实现主动监测，又可实现被动监测。通过控制器，I/O控制板，多通道切换装置在两者之间进行切换，操作界面菜单中有主动、被动切换按钮选项。针对不同的模式，灵敏度及放大倍数等参数需要重新设置。

传感器自校准技术是：在同一个结构表面激励一个标准的Lamb波，然后再自接收来实现传感器的自校准。操作界面菜单中有此按钮选项。

通过多通道切换装置的应用，解决了传感器通道间互扰的问题，既可硬件操作滤波，主要是通过电荷放大器的自滤波功能，也可通过软件设置操作滤波。

Claims (8)

1.一种结构损伤监测系统，其特征在于：包括电源系统[1]、控制器[2]、功率放大器[3]、信号发生器[4]、数据采集板[5]、I/O控制板[6]、电荷放大器[7]、多通道切换装置[8]、传感器阵列[9]、计算机[10]，其中，计算机[10]与控制器[2]相连，所述控制器[2]、信号发生器[4]、功率放大器[3]以及多通道切换装置[8]组成激励信号的传输途径；所述控制器[2]、I/O控制板[6]以及多通道切换装置[8]组成第一路控制信号通道，控制器[2]与电荷放大器[7]组成第二路控制信号通道；所述多通道切换装置[8]、电荷放大器[7]、数据采集板[5]以及控制器[2]组成相应信号通道，而所述多通道切换装置[8]则连接至被测结构的传感器阵列上。

2.根据权利要求1所述的结构损伤监测系统，其特征在于：数据采集板[5]与多通道切换装置[8]之间并联设置三个用于放大压电传感器接收到传感信号的电荷放大器[7]。

3.根据权利要求2所述的结构损伤监测系统，其特征在于：所述用于采集经电荷放大器放大后的信号数据采集板[5]共有四个通道：ch0、ch1、ch2和ch3，所述ch0通道与信号发生器[4]相连，所述ch1、ch2和ch3三个通道分别与三个电荷放大器[7]相连。

4.根据权利要求3所述的结构损伤监测系统，其特征在于：所述传感器阵列为24路阵列，传感器在布置上呈现阵列形式，四个传感器组成一个监测区域，在主动监测的通道切换上，对1个传感器施加激励，多个传感器响应信号同时采集。

5.根据权利要求1所述的结构损伤监测系统，其特征在于：所述的前台实时数据采集采用带通滤波信号处理以及多传感器管理，操作系统采用RT系统实现实时采集。

6.一种结构损伤监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在待测结构上布置压电片组成N条压电监测路径；

步骤2：获取每条监测路径的基准信号a⁰(t)：

(1)由信号发生器产生激励信号；

(2)激励信号放大后输入到传感器阵列；

(3)通过I/O控制板控制开关的导通与关闭来控制压电传感器的激励、传感工作方式；

(4)压电传感器接收到的传感信号经电荷放大器放大后采集存储；

步骤3：与步骤2相同的方法，获取每条监测路径的损伤信号a(t)，从而计算得到损伤散射信号：d(t)＝a(t)-a⁰(t)；

步骤4：根据下式计算监测区域的损伤成像图：

$S(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\underset{j\≠i}{j=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ω}}_0,t)\left(\frac{R_r+R_t}{c_g}\right)$

其中，S_ij(ω₀，t)为d_ij(t)作短时傅立叶变化后，提取特定频率ω＝ω₀时的幅值，其中ω₀为Lamb波的激励频率；d_ij(t)表示i作为激励器时，传感器j接收到的损伤散射信号；R_r和R_t分别表示传感器i和j与成像点的距离；c_g表示信号在结构中传播群速度。

步骤5：根据成像图，进行损伤评估与诊断，完成对结构的主动损伤监测。

7.根据权利要求6所述的结构损伤监测方法，其特征在于：

步骤5中的损伤评估和诊断可以细分为：

系统运行→传感网络设置→扫查设置并扫查→扫查结果存储→信号分析→损伤成像→损伤评估与诊断。

8.根据权利要求7所述的结构损伤监测方法，其特征在于：扫查可以采取普通扫查、基线扫查、损伤扫查。

Images