CN102680578B - 结构健康监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构健康监测系统，例如用于飞机结构的无损评估的系统。本发明提供一种使用结构健康监测系统评估结构内部的一个或更多个异常处的方法和装置，该结构健康监测系统包括可操作地与该结构接触布置的至少三个换能器，使得任何两个换能器都不平行对准。换能器激励穿过该结构传播的弹性波，并且来自结构内部的任何异常处的反射被三个换能器收集。这些收集的信号被分析以识别结构内部的异常处。渡越时间技术被用于确定异常处的位置。

Description

结构健康监测系统
技术领域
本发明涉及结构的健康监测系统，例如用于结构例如飞机结构的无损评估的系统。
背景技术
结构健康监测系统吸引了越来越多的兴趣。其提供了评估结构完整性的无损方法。例如，结构健康监测系统在航天工业中的使用变得更广泛。
这是因为此类系统提供了评估飞机(或者其某些部件)的健康的无创方法，其通常比执行传统方法更快且成本更低。此外，结构健康监测系统的结合可以允许保养检查之间的更长间隔，并且可以允许延长飞机的使用寿命。
结构健康监测系统已经与金属(例如铝和铝合金)和复合结构一起使用。
包含监测弹性波穿过结构的传播的换能器(如压电换能器)阵列的结构健康监测系统是已知的。结构内部的异常处(anomaly)反射该弹性波，并且这些反射被换能器探测到。例如，树脂纤维复合材料结构的分层以及复合结构和金属结构两者中的裂痕引起可以探测的反射。
除了仅识别一个或更多个异常处和/或至少一个异常处的存在，还可以确定异常处的位置。例如，使用分布式换能器阵列是已知的。反射波到达换能器的时间差被转换为距每个换能器的等价距离，由此可以使用三角测量法确定该异常处的位置。
然而，由于必须提供并定位大量的分布式传感器，所以这些系统昂贵并且安装费时。此外，大量传感器导致飞机的超重处罚，并且也影响该结构的基本参数如其惯量分布和硬度。
分布式换能器阵列的替换选择是使用相控换能器阵列。在这种阵列中，换能器被定位成彼此接近。如在这些作为相控阵列天线的应用中更好理解的，使用相位在换能器之间变化的激励信号来激励换能器，由此影响波束控制。换能器收听反射信号，并且通过使用该反射的测量渡越时间(time of flight)和已知的传播方向来确定一个或更多个异常处和/或至少一个异常处的位置。
然而，这些相控阵列系统也存在缺点。依靠相控阵列的波束控制技术需要复杂的信号处理以提取方向信息。另外，这类系统受困于至阵列侧面例如栅瓣(grating lobe)的信号泄漏以及不同于期望转向角的角度处的强的二次信号。同时，波束形成和控制中的要求精度对换能器规格和安装有严格要求。
因此，分布式换能器阵列和相控换能器阵列的建立技术受困于复杂性和严格的制造及设计要求，这显著增加了制造和整合到结构内的开支。数据生成和处理的复杂性进一步增加了成本。
因此，存在对复杂性减少、成本降低且较易安装的结构健康监测系统的需求。
发明内容
在这一背景下并且从第一方面，本发明提供一种使用结构健康监测系统评估结构内部的损伤的方法。该结构健康监测系统包含可操作地与该结构接触布置的一个或更多个或者一组或者至少三个接收器，以及也可操作地与该结构接触布置的发射器。
该方法包含操作发射器以激励传播穿过该结构的弹性波。弹性波可以由至少三个或者一组三个接收器中的一个元件、其任何一个或其组合或者由单独的发射器产生。如果是单独的发射器，该发射器可以位于该组三个接收器附近。
该方法进一步包含从至少三个接收器收集监测信号，以便监测弹性波从该结构内部的任何异常处的反射。分析该监测信号以识别结构内部的一个或更多个异常处和/或至少一个异常处。
因此，本发明提供了用于结构健康监测的简单系统。该系统使用了无损方法，并且可以应用于各种形式的结构，例如可以是金属或者复合物的航天结构。采用一种有源系统，其使用发射器来产生弹性波，然后使用接收器探测弹性波的反射。
一个或更多个接收器、至少三个接收器或者少到三个接收器的简单阵列被用于识别结构内部的异常处。因此，当与已知的分布式换能器阵列和相控换能器阵列相比时，需要更少的换能器。与相控阵列所需要的复杂得多的计算相比，可以通过求解一组简单的线性方程来识别并得到异常处的位置。一个或更多个接收器阵列可以与渡越时间方法一起使用来定位异常处，或者两个或更多个接收器阵列可以被用于定位异常处，其中每个阵列被用于确定异常处的方向。
发射器和接收器可以从许多适合的选择中选定。例如，发射器可以是仅能够发射弹性波到结构的简单装置。接收换能器可以仅能够探测在结构中行进的弹性波。然而，用作发射器和接收器的换能器优选能够用于激励并探测在结构中行进的弹性波。为此，压电换能器是特别优选的，例如大型纤维复合材料压电换能器。发射器和接收器可以以任何适合的方式例如通过下面具体描述中所述的方法连接到结构。
可选地，分析监控信号包含执行如下差分操作。针对每个接收器，从由该接收器收集的监测信号中减去参考信号。在差分操作之前，可以对监测信号进行预处理。例如，可以对监控信号进行滤波、去噪、信号平均、温度补偿和小波分解。
每个接收器的参考信号可以在其处于已知条件的时间点已经从该结构收集，例如在操作服务之前和在制造并组装之后的一段时间或者在结构的使用寿命期间。
差分操作可以是任何适合的操作，例如从监测信号中减去参考信号或者反之亦然，或者监测信号除以参考信号或者反之亦然。然后，所得到的差分信号被用于识别结构内部的一个或更多个异常处和/或至少一个异常处，因为随后从信号的噪声中识别反射事件变得更容易。阈值处理技术可以被用于识别反射事件，例如通过寻找在阈值水平以上的峰值。
分析监测信号以识别一个或更多个异常处和/或至少一个异常处可以包含计算在差分信号中找到的反射的渡越时间。信号被三个接收器收集所用的时间可以被引用为弹性波的传输时间。可以根据如此得到的渡越时间计算相应的距离。可以根据所计算的距离确定并识别一个或更多个异常处和/或至少一个异常处的位置。例如，可以根据所计算的距离以及发射器和接收器的已知和预定位置来确定和求解该位置。如果使用三个或更多个接收器，将导致超定系统(overdetermined system)可以通过使用最小二乘法被选择性地求解以得到位置。
从另一个方面，本发明涉及一种使用包含一对阵列的结构健康监测系统评估结构内部的损伤的方法。第一阵列包含可操作地与该结构接触布置的至少三个接收器和可操作地与该结构接触布置的发射器。第二阵列包含可操作地与该结构接触布置的至少三个接收器和可操作地与该结构接触布置的发射器。第一和第二阵列被间隔开。
该方法包含使用第一阵列的发射器传播弹性波穿过结构，以及从第一阵列的至少三个接收器收集监测信号，从而监测弹性波从结构内部的至少一个异常处的反射。该方法进一步包含使用第二阵列的发射器传播弹性波穿过结构，以及从第二阵列的至少三个接收器收集监测信号，从而监测弹性波从结构内部的至少一个异常处的反射。
分析监测信号以识别至少一个异常处，并且确定从各自第一和第二阵列到至少一个异常处的方向。可选地，该方法包含使用从第一和第二阵列中的每个阵列到异常处的方向并结合阵列在结构上的已知位置来确定异常处在结构中的位置。
第二阵列可以与第一阵列相似，如上面关于本发明第一个提到的方面所述，并且如由上述任何一个可选布置修改。例如，弹性波可以由至少三个或者一组三个接收器中的一个元件、其任何一个或其组合或者由单独的发射器产生。如果是单独的发射器，该发射器可以位于该组三个接收器附近。同时，发射器和接收器可以是能够用于激励并探测在结构中行进的弹性波的换能器。压电换能器是特别优选的，例如大型纤维复合材料压电换能器。
可选地，在第一和第二阵列的每个阵列中，每个接收器是具有纵轴和横轴的压电换能器。接收器被布置成使得任何两个接收器都不具有对准的纵轴。对于每个接收器，可以分析监测信号以确定纵向和横向的应变分量，这些应变分量用于结合每个阵列内的接收器的已知方向来确定异常处的方向。
从另一个方面，本发明涉及一种结构健康监测系统，其包含一个或更多个发射器阵列和一个或更多个或一组或至少三个接收器以及控制器，所述发射器被布置成激励弹性波通过结构，所述接收器被布置成收集包括弹性波从结构中的异常处的反射的监测信号，所述控制器被配置为执行上述任何方法。
从再一个方面，本发明涉及一种用于监测结构的结构健康监测系统，其包含：一个或更多个或一组或至少三个接收器，其可操作地接触该结构；发射器；其中该发射器被配置为激励弹性波传播通过该结构；以及处理器，其可操作地耦合到接收器以收集并处理从至少三个接收器中的每一个收集的监测信号。
该处理器被配置为分析监测信号以识别结构内部的一个或更多个异常处和/或至少一个异常处。
可选地，换能器提供至少三个接收器的一个和发射器。该发射器可以位于至少三个接收器附近。至少三个接收器可以是换能器，可选地为压电换能器如大型纤维复合材料压电换能器。
可选地，该处理器被配置为通过执行差分操作来分析监测信号，由此对于至少三个接收器中的每个接收器，从由该接收器收集的监测信号中减去保存在存储器中的参考信号，并且其中所得到的差分信号被用于识别结构内部的至少一个异常处。该处理器可以被配置为分析监测信号并且通过计算反射的渡越时间来识别至少一个异常处。该处理器可以被配置为分析监测信号并且根据所计算的渡越时间计算相应的距离，并且根据所计算的距离确定至少一个异常处的位置。该处理器可以被配置为通过使用发射器和至少三个接收器的已知位置根据所计算的距离求解位置来确定至少一个异常处的位置。
从另一个方面，本发明涉及一种用于监测结构的结构健康监测系统，其包含第一和第二阵列。第一阵列包括可操作地接触该结构的至少三个接收器和可操作地接触该结构的发射器。第二阵列包括可操作地接触该结构的至少三个接收器和可操作地接触该结构的发射器。第二阵列与第一阵列间隔开。
第一阵列的发射器被配置为激励弹性波传播通过该结构，并且处理器可操作地耦合到第一阵列的接收器以从至少三个接收器中的每一个收集监测信号。第二阵列的发射器被配置为激励弹性波传播通过该结构，并且处理器可操作地耦合到第二阵列的接收器以从至少三个接收器中的每一个收集监测信号。该处理器被配置为分析监测信号以识别结构内部的至少一个异常处，并且确定从各自第一和第二阵列到至少一个异常处的方向。
可选地，该处理器被配置为使用从每个第一和第二阵列到异常处的方向并结合阵列在结构上的已知位置来确定结构中的异常处的位置。
可选地，换能器可以在第一和第二阵列中的任何一个或两者中提供至少三个接收器的一个和发射器。发射器在第一和第二阵列中的任何一个或两者中可以位于至少三个接收器附近。
可选地，该处理器被配置通过执行差分操作来分析监测信号，由此对于每个接收器，从由该接收器收集的监测信号中减去参考信号，并且其中所得到的差分信号被用于识别结构内部的至少一个异常处。结构健康监测系统可以被配置为可选地在认为结构准备好操作使用之后为每个接收器从结构收集参考信号。
可选地，在第一和第二阵列的每个阵列中，每个接收器是具有纵轴和横轴的压电换能器，并且其中接收器被布置为使得任何两个接收器都不具有对准的纵轴。对于每个接收器，处理器可以被配置为分析监测信号以确定纵向和横向的应变分量，并且使用这些应变分量并结合每个阵列内的接收器的已知取向来确定异常处的方向。
这种结构健康监测系统的其他优选但可选的特征在权利要求中陈述。可以如前面关于本发明的方法方面所述，实现这些特征的变化。
附图说明
为了可以更容易理解本发明，现在将只以示例的方式参考下列附图描述优选实施例，其中：
图1是安装在结构上的根据本发明实施例的结构健康监测系统的示意图；
图2示意性示出根据本发明实施例的评估结构内部的损伤的方法；
图3是具有两个换能器阵列的结构的示意图；
图4A到4D示出换能器阵列的四个示例性布置，其包括如图3所示的阵列；
图5示意性示出安装结构健康监测系统的方法及其随后在评估其附连的结构的健康的用途；
图6示意性示出采集参考信号的方法；
图7示意性示出根据本发明另一个实施例的评估结构内部的损伤的方法；
图8示意性示出根据本发明再一个实施例的评估结构内部的损伤的第一方法；
图9是示出根据本发明实施例由结构健康管理系统的换能器产生的差分信号的图表；
图10是示出用于图9所示的信号的渡越时间校正的图表；
图11是示出波动从结构的异常处到三个换能器阵列所行进的距离的示意图；和
图12示意性示出根据本发明另一个实施例的评估结构内部的损伤的第二方法；
图13是两个换能器阵列和结构中的异常处的示意图；
图14更详细地示出图13的一个换能器；
图15示出装有根据本发明的结构健康监测系统的飞机和结构健康监测系统的可能位置。
具体实施方式
图1示出结构10，在该示例中是用于飞机机身的树脂纤维复合材料蒙皮壁板。结构10装备有结构健康监测系统100。结构健康监测系统100包含固定在结构10上的一个或更多个换能器阵列105。在该示例中，换能器105固定在结构10的内表面上，尽管换能器105可以固定在外表面上或者可以被提供在结构10本身的内部。图1所示的换能器阵列105经由数据连接130连接到处理器120。进一步的数据连接140允许数据被转送到其他连接的装置。
结构健康监测系统100监测结构10的损伤如可能由物体击打结构10所引起的复合结构10内的分层区域。损伤的地点在图1中用20指示。可以根据图2所示的方法使用结构健康监测系统100。
在步骤210处，操作来自阵列105的换能器110以激励通过结构10传播的弹性波(如图1中30所示)。当弹性波碰到分层区段20时，一部分弹性波(如图1中40所示)将被反射。在步骤220处，换能器110的阵列105用于收集所感测的弹性波的信号。这些信号将包括来自被损伤地点20所反射的弹性波的贡献。
换能器110的阵列105可以用于在对应于弹性波传播到结构10的最远边缘并返回所花费的时间(或稍微更长的时间)的时间窗口收集信号，以确保捕获所有反射事件。在步骤230处，分析信号并且将指示结构10内部的一个或更多个异常处和/或至少一个异常处20的任何反射事件识别为对结构10的潜在损伤20的指示。
在步骤240处，报告所发现的异常处20。该报告可以是视觉的(例如作为监测器上的显示等)或者它可以对应于存储数据以用于稍后检索和检查(例如保存提供所发现的异常处20的细节的数据文件)。如在250处所示，该方法可以重复，以便结构10被结构健康监测系统100周期性地或者不断地监测。图2中的方法所重复的频率可以根据需要进行选择。
结构健康监测系统的处理器120可以采取许多形式，只要其能够执行由换能器110所提供的信号的必要分析即可。处理器120优选能够发送驱动信号到换能器105，该换能器105在结构10中激励弹性波。适当编程的计算机是用于处理器120的良好选择。如图1所示，处理器120可以位于接近换能器110的阵列105，或者其可以位于远离换能器110的阵列105。
来自换能器110的信号可以由适当长度的数据链路130转送到处理器120。数据链路130可以是有线链路，或者其可以是无线的。此外，它可以是专用链路或者可以是共享链路，例如共享数据总线或其他网络的一部分。
可选地，处理器120可以具有进一步的数据链路140以允许连接到另一装置，例如另一计算机或显示器。数据链路140可以是有线的或无线的，专用的或共享的。
阵列105内的一个或更多个且优选三个或更多个换能器110的不同布置是可能的。在优选实施例中，使用四个换能器110的阵列105，其中一个是发射换能器110T，并且三个是接收换能器110R。不论作为发射换能器110T或作为接收换能器110R，当前优选使用大型纤维复合材料压电换能器，例如可从美国的SmartMaterial公司(1990 Main Street，Suite750，Sarasota，Florida 34236，USA)购得的换能器。此类换能器能够发射并探测弹性波。换能器110被布置在结构10上，并且能够根据其附连的位置进行改装。
图3示出结构10的第二示例，这次是用于飞机的机翼蒙皮壁板。该结构10被显示为具有换能器110的两种阵列布置105。第一阵列布置105A被显示为包含靠近结构10的角落放置的换能器110。第二阵列布置105C被显示为包含在结构10中心放置的换能器110。图4A-D示出换能器110R和110T的四种示例性阵列布置105A-D。图4A和图4B的布置105A和105B更适合于结构10上的角落位置，而布置105C和105D更适合于中心位置。
图4A-D示出具有矩形横截面的接收换能器110R。矩形横截面对应于接收换能器110R的纵轴和横轴。在图4A-D所示的全部四种布置中，接收换能器110R使其纵轴在不同方向延伸，以便任何两个换能器110R都不是平行对准。然而，在其他预期的实施例中，两个或更多个接收换能器110R可以平行延伸。
图4A示出包括三个接收换能器110R和一个发射换能器110T的阵列105A。接收换能器110R被布置为使得任何两个接收换能器110R都不是平行的。第一对接收换能器110R1和110R2被布置成彼此成直角，第三个接收换能器110R3平分该直角。
如图3所示，接收换能器110R可以被定位成使得形成直角的两个接收换能器110R1和110R2大致在形成角落的结构10的边缘的方向延伸，并且第三接收换能器110R3指向结构10的中心。发射换能器110T被定位在接收换能器110R的三个末端相遇的地方附近。
图4B示出布置105B，其类似于图4A的布置。三个接收换能器110R具有相同的取向，但是发射换能器110T移到靠近平分换能器110R3的另一端。也就是说，发射换能器110T邻近平分另两个接收换能器110R1和110R2之间的直角的接收换能器110R3的末端，即远离另两个接收换能器110R1和110R2的末端。
图4C示出四个换能器110的紧凑布置105C。三个接收换能器110R被设置成彼此成60°，从而形成围绕在中心位置的发射换能器110T的等边三角形。图4D示出进一步的布置100D，其中中心的发射换能器110T被定位在三个接收换能器110R之间，这些接收换能器向外呈放射状，并且布置成彼此之间成120°的角度。应该理解的是，在任何单独布置105A-D中，任何两个接收换能器110R都不是彼此平行对准。
图5示出根据本发明安装并操作结构健康监测系统100的方法。在510处，结构健康监测系统100被安装在结构10中或结构10上。这可以在制造结构10期间实行。例如，如果安装在复合结构中，换能器110和相关连接可以在制造复合结构10时用纤维织物贮存并且被固化在树脂基体内，以便成为结构10的整体部分。然后配线可以连接到很可能在外部提供的处理器120。
可替换地，一个或更多个且优选三个或更多个换能器110可以以许多不同方式附着到结构10。换能器110可以被表面键合到结构10、使用粘合剂附着、使用例如螺丝或铆钉等机械紧固件紧固到结构10或者以提供牢固持久附着的任何其他方式附连到结构10。
换能器110可以位于结构10中提供的凹口内，例如在结构10的边缘或者表面上。结构健康监测系统100可以被翻新为现有结构10，例如已经使用的飞机的部件。
换能器110可以简单地紧固到结构10的表面(可为内表面或外表面)，或者该结构可以被改进为更好地容纳换能器110。例如，如果在外部安装，凹口可以形成在结构10的外表面中以允许安装换能器110并且修复结构10的齐平表面。在内部安置换能器105具有以下优点，即保护换能器105不受例如UV辐射和冰冻等环境因素影响，并且也不影响飞机50的空气动力学特性。然而，在内部安置换能器105可能引起接近/存取(access)问题，其使得将换能器105紧固到外表面更优选。此外，一些结构10可能不具有内表面和外表面，例如横梁。
返回图5的方法，在510处已经安装结构健康监测系统100之后，如下面参考图6更详细描述，在520处收集参考信号。实质上，该方法类似于一旦使用结构10就收集信号，即发射换能器110T发射弹性信号通过该结构，并且接收换能器110R记录其接收的信号。优选地，一旦结构10安装成其最终构形(例如，一旦机身壁板连结到完整的飞机机身)就收集参考信号。
在结构10处于其原始未损坏状态时从每个接收换能器110R收集参考信号。尽管不存在异常处，由于弹性波被结构10内部的预定器件(例如边缘、铆钉、紧固件和加强件的接合点或其他支撑结构)反射，参考信号将含有反射事件。
由处理器120保存参考信号以便稍后在结构10进行操作期间使用。针对每个传感器或换能器110R的参考信号可以在原始结构处于已知条件下的时间点(例如在制造和组装之后并且在操作服务之前的一段时间)已经从这种结构收集。
同样优选的是可以在结构进行操作使用和定期维修(例如在周期性结构检查与维修期间)以及在其他适当时间获得随后的新的和/或替换的参考信号。以这种方式，无论是制造之后或是之后结构被认为准备好工作使用的任何其他时间或场合，都可以监测这些结构从标称操作条件的变化。
如步骤530和回路540所示，结构10投入使用过程，并且周期性地由结构健康监测系统100监测。如前面参考图2所述，发射换能器110T被用于激励传播通过结构10的弹性波，并且接收换能器110R收集包括弹性波的反射的监测信号。为了识别结构10内部的异常处，从监控信号中减去适当换能器110R的参考信号，从而去掉(或者至少最小化)来自预定器件的贡献，并因此使得来自结构10内部的任何异常处20的反射更明显。
现在将描述并在图6中示出收集参考信号的方法。在610处，处理器120被用于通过提供使发射换能器110T振荡的信号来驱动发射换能器110T。这些振荡被传输到结构10，从而传播通过结构10。如在620处所示，在激励弹性波之后的特定时间段内，处理器120也命令收集由接收换能器110R产生的信号。
如在630处所示，回到接收换能器110R的反射波的传播使得接收换能器110R振荡并产生相应的振荡电信号，该振荡电信号被处理器120获得并保存。优选地，通过重复步骤610和620来改进参考信号中的信噪比，以便每次渐增地激励一系列弹性波并且得到参考信号，从而增加统计量。
可以以不同方式执行根据本发明的结构健康监测系统100。现在将描述两个当前优选的实施例。第一实施例采用渡越时间(time-of-flight)方法来使用换能器110的单个阵列105定位一个异常处20或多于一个异常处20的位置。第二实施例采用换能器110的两个或更多个阵列105。换能器110的每个阵列105被用于确定到一个异常处20的方向或者到多于一个异常处20的方向。由两个或更多个阵列105所提供的方向被用于通过三角测量法确定一个异常处20或者多于一个异常处20的位置。
图7更详细地示出使用渡越时间确定法操作结构健康监测系统100的第一种方法。在710处，处理器120激励发射换能器，并且发射弹性波通过结构10。然后，在720处，处理器120通过收集并保存由一个或更多个接收换能器110R产生的监测信号开始监测信号的采集。如上面参考图6所述，可以通过重复步骤710和720来改进信噪比，从而在两个或更多个弹性波的传播期间积累监测信号。
在730处，由每个接收换能器110R产生的监测信号具有针对该换能器110R的关联参考信号，该关联参考信号被减去以产生差分信号。在740处，处理器120分析其产生的差分信号以识别差分信号内的反射事件。然后，该方法针对所识别的每个反射事件继续如下进行。
如果没有探测到反射事件，则该方法能够经由路径745和790循环返回到开始处710。当探测到反射事件时，该方法继续通过步骤750、760和770，并且经由回路775为每个反射事件重复。在步骤750处，确定每个差分信号中的反射事件的渡越时间。
例如，处理器120具有关联时钟，参考该时钟在710处发射弹性波并且在720处记录监测信号。这允许确定在发射和探测到反射事件之间经过的时间。在步骤760处，处理器120将步骤750中得到的每个渡越时间换算成从相关换能器110起的等价距离，然后使用三角测量法确定引起反射事件的异常处的位置。
在步骤770处，处理器120进行核查以确定是否需要处理其他反射事件。如果是，则该方法经由路径775循环返回；或者，如果不是，则该方法继续到步骤780，在此处理器120产生所识别和定位的异常处的报告。这个报告可以用于直接显示，或者可以对应于数据的积累、在数据文件中等，用于以后检查。例如，处理器120可以更新数据文件以增加在该方法的最后迭代中得到的新发现的异常处。一旦报告步骤780完成，该方法就沿着路径790循环返回到步骤710。
应当理解，图7的方法(和下面将描述的图8的方法)依赖于换能器110的单个阵列105。异常处20的位置是通过来自阵列105的换能器110的结果的三角测量而得到的。如果在结构10上提供换能器110的多于一个阵列105，则每个阵列105都将确定异常处20的位置。为异常处20所确定的位置30可以被组合以提供异常处20的单个位置。当阵列105是分布式时，以这种方式组合位置将增加准确度。
图8示出与图7类似的操作结构健康监测系统100的方法，尽管更详细地描述并且也包括一些额外步骤。
步骤810和820很大程度上对应于图7的步骤710和720。因此，在810处发射弹性波并且在820处获得监测信号。然而，在步骤815处引入暂停，以便发射弹性波和获得监测信号之间存在短暂延迟。这确保了在监测信号中没有探测到大振幅的逸出信号。
在步骤830处，处理器120计算差分信号。这是通过从每个接收换能器110R刚刚获得的监测信号中减去所保存的参考信号来实现的。
实际上，由于存在许多因素例如随机噪声、温度影响和电学不准确性导致的时间位移等，不可能从相关监测信号中简单地减去参考信号。众所周知，在不同时刻记录的两个信号的减法，即使条件非常相似，也会导致相干噪声，并且当前状况也不例外。
事实上，当从损伤反射的信号强度较弱时，相干噪声水平可能足够高以使得损伤探测非常困难或者有时是不可能的。然而，可以应用若干众所周知的信号处理技术来获得高信噪比，例如滤波、去噪、信号平均、温度补偿、小波分解等等。对所选择的信号处理技术的概括介绍由例如Staszewski W.J.，2002，Intelligent signal processing for damagedetection composite materials，CompositesScience and Technology，V.62，N.7-8，pp.941-950给出。基于小波分析的去噪过程由Shim I.，Soragan J.J.和Siew W.H.，2000，Anoise reduction technique foron-line detection and location of partialdischarges in high voltage cable networks，Meas.Sci.Technol.，V.11，pp.1708-1713；Major A.G.，Fretwell H.M.，Dugdale SB，Rodriguez-Gozalez A.R.；以及AlamM.A.，1997、De-noising of two-dimensionalangular correlation of positronannihilation radiation data using Daubechies waveletthresholding，J.Phys.：Condens.Matter，V.9，pp.10293-10299来描述。温度补偿技术例如由Konstantindis G.，Wilcox P.D.和Drinkwater B.W.，2007，AnInvestigation Into the TemperatureStability of a Guided Wave Structural HealthMonitoring System UsingPermanently Attached Sensors，IEEE Sensors Journal，V.7，No.5，pp.905-912，以及LuY.和Michaels J.E.，2005，A Methodology forStructural Health Monitoring withDiffuse Ultrasonic Waves in the Presence ofTemperature Variations，Ultrasonics，V.43，pp.717-731来描述。
如本领域中众所周知的，可以作出这些技术的选择以提供所得到的结果的期望准确度。在步骤825处实施监测信号的这种预处理。一旦监测信号已经在825处被预处理，则在830处实施减法。
在步骤835处，由处理器120对差分信号进行阈值处理操作，现在将参考图11所示的换能器110的阵列105对其进行描述。可以看出，阵列105对应于图4C所示的阵列105C。因此，三个接收换能器110R以彼此成60度角从而形成等边三角形的形式被表面粘结到结构10，其中发射换能器110T被表面粘结在中心处。
这种阵列可以产生如图9所示的差分信号。图9中示出来自三个接收换能器110R中的每一个的三个差信号，图例中标记为0、60、120。在大多数情况下，每个监测信号内的反射事件以不同的时间位移到达每个接收换能器110R，并且这反映在图9所示的差分信号中。处于60度的元件第一个探测到来自结构10中的损伤20的反射事件。
图9的示例显示了通过数值计算所得到的差分信号。因此，导致需要预处理监测信号的上述现实问题在这里不适用。尽管如此，由于参考信号和监测信号之间的细微差别，损伤定位可能仍旧是有挑战性的。
为了识别反射事件，超过阈值水平的峰值被选择。图9中示出阈值水平的示例。这一阈值水平可以选择为任何适合的数值，例如该阈值水平可以凭经验选定，即通过收集采样数据并检查所得的差分信号来直观选择阈值水平。
在840处，根据显示为差分信号内超过阈值水平的峰值的反射事件来识别异常处。如果没有找到异常处，则该方法可以经由845和890循环返回到步骤810处的开始。
假设异常处被识别，则该方法继续进行到步骤850，在此获得针对在三个接收换能器110R的每个的差信号中识别的每个反射事件的渡越时间。可以从峰值首次超过阈值水平(图10中示为t2)的时间推断出的表观渡越时间被有利地校正，从而考虑正常情况下被噪声遮掩的相关波包的实际开始时间(图10中示为t0)。
能够例如通过关联法(假设反射波包将类似于受激波包)来确定适当校正t0。在已经做出渡越时间校正以后，针对每个接收换能器110R的差分信号中的时间位移被定义为：
i＝1，2，3 等式(1)
其次，在步骤860处，确定由每个接收换能器110R所探测到的波包行进的距离。这些距离在图11中示出。如下定义波包行进的距离R1、R2、R3，该波包由发射换能器110T产生以行进到异常处20，在这里其将从坐标为(xp，yp)的点P反射，然后行进回到三个接收换能器110R中的每一个。
R1＝RA+RS1
R2＝RA+RS2 等式(2)
R3＝RA+RS3
其中RA是图11所示的向外距离(outbound distance)，并且RS1、RS2和RS3是图11所示的向内距离(inbound distance)。根据下列关系式，这些距离与步骤850中所得到的时间位移有关。
等式(3)
其中cg是波包的适当传播模式的群速度。如下所示，可以用所得到的距离R1、R2和R3来确定异常处20的位置。
假设从异常处20反射的波是圆形的。因此，使用等式(4)定义在异常处20(xp，yp)的位置处具有公共中心的三个圆形。
等式(4)
其中(xs1，ys1)、(xs2，ys2)、(xs3，ys3)是接收换能器110R的中心的坐标，并且(xp，yp)是异常处20的坐标。
将等式(2)代换为等式(4)，给出
等式(5)
等式(5)表示仅具有两个未知的xp和yp的三个非线性方程组的系统(也存在变量RA，但是这个变量取决于未知的xp和yp)。由于存在比未知项更多的等式，系统是超定的(over-determined)。
因此，显而易见，刚好具有两个换能器105的换能器110的阵列105可以用于提供异常处20的位置(尽管这种系统不可能在所有情况下提供明确的位置)，并且本发明包含此类布置。然而，优选使用三个或更多个换能器105以确保毫无疑义地确定异常处的位置，并且提供超定系统，该超定系统提供了在确定异常处20的位置时的增加的准确度。
优化技术可以用于求解超定系统(over-determined systems)。例如，超定系统的最小二乘解可以通过最小化下列函数得到：
F＝[(xS1-xp)2+(yS1-yp)2-(R1-RA)2]2
+[(xS2-xp)2+(yS2-yp)2-(R2-RA)2]2
+[(xS3-xp)2+(yS3-yp)2-(R3-RA)2]2 等式(6)
以此方式计算得到并识别该解(xp，yp)，即异常处20在结构10中的位置。
根据以上等式应该理解，不要求每个换能器110在不同方向上对准。因此，使用这种方法，两个或更多个换能器110可以对准，即其纵轴和横轴可以平行延伸。
随着现在在图8的步骤860处得到异常处20的位置，该方法继续进行到步骤870处，在此进行检查以确保已经处理了全部异常处(并且回路875允许处理进一步的异常处)。当已经处理了全部异常处时，该方法继续进行到步骤880，在此报告异常处，如前面针对步骤780所述。然后，该方法可以经由路径890循环返回到开始。
现在将参考图12至14描述操作结构健康监测系统100的第二种方法。在这一实施例中，要监测的结构10装有换能器110的两个或更多个阵列105。例如，可以使用如图3所示的换能器110的两个阵列105的布置。
图12示出该操作方法，并且包括参考图8已经描述的很多步骤。该方法开始于步骤1205，然后进行经过步骤1210a、1215a、1220a、1225a、1230a、1235a、和1240a。由于这些步骤对应于图8的步骤810、815、820、825、830、835和840，仅再次简要地对其概述。
在步骤1210a处，使用换能器110的第一阵列105激励弹性波。在步骤1240a处对监测信号进行采集、预处理、差分和阈值处理以识别异常处20。在步骤1255a处，进而接纳所识别的每个异常处20，并且确定从第一阵列105到异常处20的方向。下面参考图13和图14来描述如何实行。
随着异常处20及其从换能器的第一阵列105起的方向被确定，该方法进行到步骤1210b至1255b。这些步骤重复步骤1210a至1255a，但是相对于换能器110的第二阵列105。因此，异常处20被识别，并且其从换能器110的第二阵列105起的方向被确定。
如由虚线箭头1256所示，该方法可以为换能器110的更多阵列105重复步骤1210至1255(以便获得到所识别异常处20的距离的三组或更多组数据)。
尽管针对每个换能器110的阵列105的每个重复步骤1210至1255在图12中被显示为连续发生，但是一个或更多个重复可以重叠或者并行发生。例如，一旦步骤1220a已经完成，则可以执行步骤1210b及以下步骤，以便波激励步骤和采集监测信号步骤针对每次重复连续地发生，但是与先前重复的数据处理步骤相重叠。
一旦已经使用由箭头1258所示的两个阵列105或者使用由箭头1256所示的多于两个阵列105收集了全部数据，则该方法就进行到步骤1265，在此针对每个所识别的异常处20由换能器110的每个阵列105得到的方向被用于确定那些异常处20的位置。下面更详细地描述这一步骤1265，但是其主要依赖于到每个所识别的异常处20的一对方向的交点。
一旦异常处20的位置已经确定，则在步骤1280处报告异常处20。这一步骤对应于图8的步骤880，并且因此将不会再次描述。该方法可以如箭头1290所示并且如已经参考图8的相应元件890所述进行重复。
现在将参考图13解释确定到每个异常处20的方向的步骤1255。
将监测的结构10装有换能器110的两个阵列105A、B，每个阵列105A、B都包含三个接收换能器110AR1-3、110BR1-3和一个发射换能器110AT、110BT。示出了异常处20以及从异常处20向第一阵列105A反射的弹性波40。
图14中更详细地示出换能器110AR1，以便示出纵轴和横轴以及换能器110AR1中的应变分布。由发射换能器110AT产生的波从异常处20弹回，并且在每个接收换能器110AR1-3中分别产生纵向和横向应变分量ε1和ε2。应变分量ε1和ε2定义为：
ε1＝εx′cos2Δ 等式7
和
ε2＝εx′sin2Δ 等式8
其中Δ是换能器110AR1的纵轴和入射波40的方向之间的角度，即图14中的β-α。
在接收换能器110AR1-3中产生的信号可以计算为：
等式9
其中灵敏度因数S1和S2取决于换能器长度和弹性波长之间的关系，并且取决于接收换能器110AR1-3和弹性波入射方向之间的相对取向。
注意，
等式10
其中横向灵敏度比KT定义为：
等式11
其中l和b分别是接收换能器110AR1-3的长度和宽度，k是波数，d31和d32是接收换能器110AR1-3的压电常数，并且E1和E2是沿着纵向和横向的杨氏模量。
可以使用为应变仪叶片推导出的经典关系式(参看Prentice Hall公司1997年出版的R.C.Hibbeler的Mechanics of Materials(材料力学))计算在阵列中心的平面应变分量。用于确定在相对于参考xy坐标系旋转α度的x’y’坐标系中的应变状态的应变变换方程是：
εx′＝εx cos2α+εysin2α+γxysinαcosα
εy′＝εxsin2α+εycos2α-γxysinαcosα 等式12
γx′y′＝2(εy-εx)sin αcos α+γxy(cos2α-sin2α)
以类似的方式，平面应变分量可以根据三个接收换能器110AR1-3的响应确定：
等式13
其中变换矩阵可以写成：
等式14
可以使用从应变测量理论获知的另一个关系式来定义垂直于反对称弹性波前40的取向(该波的主应变角)：
等式15
请注意，在单个阵列105所收集的信号仅足以确定朝向异常处20的方向β，而不是其位置。因此，一个或更多个进一步的阵列105被用于得到准确的异常处位置。该异常处位置(yD，xD)可以使用两个线性代数方程的系统来计算(MattH.M.和Lanza di Scalea F.，20007，“Maco-fiber composite piezoelectric rosetes foracoustic source locationin complex structures，”Smart Mater.Struct.，V.16，pp.1489-1499)：
yD＝(xD-x1)tan(β1)+y1 等式16
yD＝(xD-x2)tan(β2)+y2 等式17
其中x1、y1和x2、y2是发射换能器110AT和110BT的坐标。
当图12的方法在具有两个或更多个异常处20的部件10上实行时，可能探测到“假”异常处。这是因为该方法确定从换能器110的每个阵列105到每个异常处的方向。因此，对于每个阵列105，可以有从该阵列105辐射出的许多“方向”。从阵列105起的任何一个“方向”都可以与从另一阵列105辐射出的多于一个“方向”交叉，并且上述方法将全部交点识别为异常处20，然而只有每个“方向”的单个交点会是异常处20。
渡越时间测量可以用于解决这一问题。例如，在确定了全部交点的位置的情况下，发射换能器110T可以用于发出弹性波，并且反射被接收换能器110R探测。可以在接收的信号中探测异常处20，并且确定渡越时间。然后，这些可以与所识别的交点相比较，并且没有匹配的渡越时间测量的交点可以作为“假”异常处被排除。
图8和12的方法两者都产生良好的结果。涉及方法选择的判定取决于以下因素如结构10上的可用空间、结构10的类型和可用预算。
用三个非定向压电元件(例如圆盘)构造的换能器将足以使用如前所述的渡越时间方法探测并定位简单结构例如铝蒙皮壁板中的损伤。更复杂的实施方式例如一组至少两个阵列105可以更好地为复杂结构10例如具有显著结构阻尼的弯曲碳复合材料面板完成任务。
除其他外，测量准确度将取决于换能器制造的准确度。等式13和14的简介显示了用于图12的方法的阵列105必须包含不平行的接收换能器110R。任何平行将导致奇异变换矩阵T(参见等式14)。假设情况不是这样并且每个接收换能器110R以不同的角度附着，则其相对取向和其几何形状中的可能散射是不太要紧的，只要已知几何形状即可。
图15示出装有结构健康监测系统100的飞机50。结构健康监测系统100包含遍及飞机50定位的一个或更多个或者至少三个换能器110的若干个阵列105。换能器110的阵列105被提供在包括机翼52的结构10上(如10552所示)、在机身54上(如10554所示)以及在尾翼56上(如10556所示)。
每个阵列105提供用于识别相关结构10内部的异常处的信号。可以提供操作全部阵列105的中央处理器120，多组阵列105或每个阵列105可以具有专用处理器120。
本领域技术人员将会理解，可以对上述实施例作出变形，而不偏离由权利要求所限定的本发明的范围。
例如，图4A至4D示出四种示例性的换能器布置。可能有许多不同布置，其中三个接收换能器110R的纵轴和横轴可以对准或不对准。此外，阵列105中的换能器110的数目可以从一个到任何数目变化。换能器110可以均等地间隔开和/或相对于彼此旋转以提供规则图案，然而不规则布置也是可能的，其中换能器110不均等地间隔开和/或相对于彼此旋转。
不需要提供单独的发射换能器110T，因为一个或更多个接收换能器110R可以用于发射弹性波进入结构10。此外，可以使用两个或更多个单独的发射换能器110T。

Claims (6)

1.一种使用结构健康监测系统评估结构内部的损伤的方法，所述结构健康监测系统包含可操作地与所述结构接触布置的至少三个接收器和可操作地与所述结构接触布置的发射器的第一阵列，以及可操作地与所述结构接触布置的至少三个接收器和可操作地与所述结构接触布置的发射器的第二阵列，其中所述第一和第二阵列被间隔开，并且每个阵列中的所述至少三个接收器具有在不同方向上延伸的相应的纵轴，以便每个阵列中的所述至少三个接收器中的任何两个都不是平行对准的，其中所述结构包括至少两个异常处，所述方法包含：
使用所述第一阵列的所述发射器传播弹性波穿过所述结构；
从所述第一阵列的所述至少三个接收器收集监测信号以监测所述弹性波从所述结构内部的至少两个异常处的反射；
使用所述第二阵列的所述发射器传播弹性波穿过所述结构；
从所述第二阵列的所述至少三个接收器收集监测信号以监测所述弹性波从所述结构内部的至少两个异常处的反射；
分析所述监测信号以识别所述至少两个异常处并且确定分别从所述第一阵列和第二阵列到所述至少两个异常处中的每个的方向；
识别从所述第一阵列辐射的方向与从所述第二阵列辐射的方向的全部交点作为潜在异常处；
确定到所述至少两个异常处中的每个的渡越时间；
将所确定的渡越时间与所识别的交点相比较；以及
从所述潜在异常处排除不具有匹配的渡越时间的交点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中分析所述监测信号包含执行差分操作，由此针对所述第一阵列和第二阵列中的至少三个接收器中的每个接收器，从由该接收器收集的监测信号中减去参考信号，并且其中得到的差分信号被用于识别所述结构内部的所述至少两个异常处。
3.根据权利要求2所述的方法，其包含在认为所述结构准备好操作使用之后为所述第一阵列和第二阵列中的至少三个接收器中的每个接收器从所述结构收集参考信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中分析所述监测信号以识别至少两个异常处包含计算由所述第一阵列和第二阵列中的至少三个接收器中的每个接收器接收到的所述反射的渡越时间。
5.一种用于监测结构的结构健康监测系统，其包含：
多个阵列，其包括可操作地接触所述结构的至少一个接收器和可操作地接触所述结构的发射器，
并且其中：
所述阵列彼此间隔开；
其中每个所述阵列的所述发射器被配置为激励弹性波传播穿过所述结构，并且处理器可操作地耦合到每个所述阵列的所述至少一个接收器以从所述至少一个接收器中的每个接收器收集监测信号以监测来自所述结构内的至少两个异常处的所述弹性波的反射；并且
所述处理器被配置为：
分析所述监测信号以识别所述结构内部的所述至少两个异常处，从而确定从各自所述阵列到所述至少两个异常处中的每个的方向；
识别从一个所述阵列辐射的方向与从另一个所述阵列辐射的方向的全部交点作为潜在异常处；
确定到所述至少两个异常处中的每个的渡越时间；
将所确定的渡越时间与所识别的交点相比较；以及
从所述潜在异常处排除不具有匹配的渡越时间的交点。
6.一种用于监测结构的结构健康监测系统，其包含：
第一阵列，其包括可操作地接触所述结构的至少三个接收器和可操作地接触所述结构的发射器，
第二阵列，其包括可操作地接触所述结构的至少三个接收器和可操作地接触所述结构的发射器，
并且其中：
所述第二阵列与所述第一阵列间隔开；
其中所述第一阵列的所述发射器被配置为激励弹性波传播穿过所述结构，并且处理器可操作地耦合到所述第一阵列的所述接收器以从所述至少三个接收器中的每个接收器收集监测信号以监测来自所述结构内的至少两个异常处的所述弹性波的反射；
所述第二阵列的所述发射器被配置为激励弹性波传播穿过所述结构，并且所述处理器可操作地耦合到所述第二阵列的所述接收器以从所述至少三个接收器中的每个接收器收集监测信号以监测来自所述结构内的至少两个异常处的所述弹性波的反射；
所述至少三个接收器具有在不同方向上延伸的相应的纵轴，以便所述至少三个接收器中的任何两个都不是平行对准的；和
所述处理器被配置为：
分析所述监测信号以识别所述结构内部的所述至少两个异常处，从而确定从各自所述第一和第二阵列到所述至少两个异常处中的每个的方向；
识别从所述第一阵列辐射的方向与从所述第二阵列辐射的方向的全部交点作为潜在异常处；
确定到所述至少两个异常处中的每个的渡越时间；
将所确定的渡越时间与所识别的交点相比较；以及
从所述潜在异常处排除不具有匹配的渡越时间的交点。
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