CN102998369B - 一种二维损伤定量化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测和结构健康监测技术，涉及一种二维损伤定量化监测方法。本发明利用待测区域布置的传感器网络激励及接收波信号，利用传感器自发自收定位模式形成圆形定位曲线，利用相邻传感器一发一收定位模式形成椭圆形定位曲线。这些圆形定位曲线以及椭圆形定位曲线相交所围成的内部区域就是本发明所确定的二维损伤的边缘位置。用定位曲线得到的损伤区域进行积分即可得到二维损伤的面积，实现定量化监测。相比于现有技术，本发明不仅可以给出二维损伤位置，还可更进一步快速准确地给出损伤面积的大小，而且传感器布置简单，不需要标定，可大大地减少大型装备结构检查维护的成本、增加结构的安全性。

Description

一种二维损伤定量化监测方法

技术领域

本发明属于无损检测和结构健康监测技术，涉及一种二维损伤定量化监测方法。

背景技术

在循环载荷以及多种极端环境的长期作用下，飞机及其他一些机械装备上的关键结构可能会出现损伤，如金属结构的腐蚀、变形，复合材料结构的脱层、脱粘等。这些损伤如不能及时地发现和维修会造成很大的安全隐患。目前的无损检测方法主要用一些外部设备对结构进行定期检测，在检测一些内部结构时常常需要对装备结构进行拆卸，这不仅会减少这些装备的服役时间，同时也会增加这些装备的维护成本。

目前国际上关注较多的集成式结构健康监测方法，通过利用布设在结构上的传感器网络对损伤进行监测并及时给出结构的健康状态，从而降低飞机及其他机械装备的维护时间和成本。目前在损伤监测方面，国内外的科研人员已经取得了一定的进展，比如(1)利用相控阵方法可以定位出损伤的区域及尺寸，(2)通过传感器网络测量损伤前后的波能量可以判断出损伤的区域，进一步结合标定的方法可以给出损伤的尺寸信息等。

然而在实际应用中，目前发展出的损伤尺寸定量化方法还存在着一定的不足。比如，如果对大量的结构都布置密集的相控阵网络，就会增加系统的重量，同时会增加电路布置及波信号处理的复杂性；而对于需要标定的方法而言，要对各种构型的复杂结构及不同位置、不同尺寸的损伤进行标定的话，实验的工作量将会非常巨大。因此，开发出一种能利用稀疏布置的传感器网络、不需要标定就能比较准确地给出损伤的位置和尺寸的监测方法是非常必要和有意义的。

发明内容

本发明的目的是：提出一种传感器布置简单、系统重量小，且能准确地给出二维损伤的位置和尺寸的二维损伤定量化监测方法。

本发明的技术方案是：一种二维损伤定量化监测方法，其利用待测区域布置的传感器网络激励及接收波信号，通过分析传感器直接到达的波信号和由二维损伤边缘反射或散射的波信号，利用传感器自发自收模式形成圆形定位曲线，利用相邻传感器一发一收模式形成椭圆形定位曲线，所形成的圆形定位曲线以及椭圆形定位曲线相交所围成的内部区域为所确定的二维损伤区域。

所述的二维损伤定量化监测方法，进一步包括如下步骤：

步骤一：传感器网络布置

在被测结构上布设4个传感器，所述的4个传感器构成传感器网络的基本网格，并测量传感器之间的距离；

步骤二：波信号的激励及采集

将波信号分别加载到传感器网络的4个传感器，相邻传感器形成一发一收模式，同时每个传感器形成自发自收模式，通过两种采集模式形成的定位曲线对损伤边缘进行定位，其中，自发自收模式给出的定位曲线是圆，如公式1所确定，一发一收模式给出的定位曲线是椭圆，如公式2所确定：

$\frac{2\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c11}}{T_{12}}---\left(1\right)$

$\frac{\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c12}}{T_{12}}---\left(2\right)$

以上方程中，(x,y)是损伤边缘某个点的坐标，(x₁,y₁),(x₂,y₂)分别是传感器1和传感器2的坐标；L₁₂是传感器1，2之间的直线距离；T_c11是波包从传感器1到达损伤边缘再回到传感器1的时间；T₁₂是波包从传感器1直接到达传感器2的时间；T_c12是波包从传感器1到损伤边缘再到达传感器2的时间；

步骤三：损伤边缘确定

在一个传感器网格内，相邻传感器一发一收形成4条定位曲线，各个传感器自发自收形成4条定位曲线，共形成8条损伤边缘定位曲线，这8条定位曲线相交所围成的最靠内区域就是二维损伤定量化监测方法所确定的损伤区域。

将用定位曲线得到的损伤区域进行积分得到二维损伤的面积。

采用结构没有损伤时的波信号作为基准波信号，然后用当前测得的含损伤的波

信号减去基准波信号得到损伤波信号。

选用经由损伤边缘最先抵达接收传感器的波信号波群计算波的飞行时间。

根据不同结构对要监测出的最小损伤大小以及监测精度的不同，灵活选择某个传感器网格所用的传感器数量，传感器数目为五个或六个或更多。

在取基准波信号与当前波信号时，环境温度的差别小于摄氏3度。

在取基准波信号与当前波信号时，结构的载荷条件基本相同。

在取基准波信号与当前波信号时，结构的噪声环境基本相同。

二维形式的损伤包括但不限于金属材料的腐蚀、变形，复合材料结构的脱层、脱粘。

所述传感器包括但不限于压电陶瓷传感器。

本发明的优点是：本发明不仅可以用较疏的传感器网络准确地给出损伤的位置，而且还能不需要标定地给出损伤尺寸，从而可以对飞机及其他一些机械装备结构的损伤进行定量化的监测和评估。本发明所述的二维损伤定量化监测方法对监测二维形式（或准二维形式）的损伤，如金属的腐蚀、变形，复合材料的脱层、脱粘等都很有效，对减少大型工业装备结构检查维护的人工成本、增加结构的安全性等都具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明二维损伤定量化监测系统的结构框图；

图2是利用本发明进行二维损伤监测的流程图；

图3是本发明传感器网络布置的一个示意图；

图4是一个含有圆孔的结构示意图；

图5是自发自收模式定位曲线示意图；

图6是一发一收模式定位曲线示意图；

图7是圆孔损伤的全部定位曲线示意图；

图8是圆孔损伤的局部定位结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

本发明关于二维损伤定量化监测方法的基本原理是波的反射及散射现象。根据波动学，当波遇到结构的几何改变，如结构变厚、变薄，结构发生转折等，或结构的力学性质改变，如弹性模量、密度等发生改变，会在改变的界面处发生波的反射或散射现象。本发明利用待测区域布置的传感器网络激励及接收波信号，通过分析传感器直接到达的波信号和由二维损伤边缘反射或散射的波信号获得波的参考飞行时间以及波经由损伤边缘到达传感器的飞行时间，再利用传感器自发自收定位模式形成圆形定位曲线，利用相邻传感器一发一收定位模式形成椭圆形定位曲线。这些圆形定位曲线以及椭圆形定位曲线相交所围成的内部区域就是本发明所确定的二维损伤的边缘位置。用定位曲线得到的损伤区域进行积分即可得到二维损伤的面积，从而实现对二维损伤的定量化监测。

请参阅图1，其是本发明二维损伤定量化监测方法所基于的损伤监测系统的结构框图。所述定量化结构损伤监测系统包括波信号采集模块、波信号激励模块、波信号接收模块、波信号存储模块、波信号分析模块、结果显示模块。所述波信号采集模块是由若干传感器组成的传感器网络，该传感器网络被布置在易产生损伤的部位，传感器可以激励及接收波信号。该传感器为压电陶瓷传感器或者其他变形传感器(电阻传感器)。

请参阅图2，其是本发明二维损伤定量化监测方法的流程图，具体步骤如下：

步骤一：传感器网络布置

请参阅图3，在被测结构上布设4个传感器，所述的4个相邻传感器阵列构成一个传感器网络的基本网格，测量该网格各传感器之间的距离；

步骤二：获得基准波信号

当结构处于健康状态时，将波信号加载到传感器网络上。对多组传感器进行加载并接受波信号，得到所有传感器自发自收模式以及相邻传感器一发一收模式的基准波信号；

步骤三：获得当前波信号

请参阅图4，当结构服役一段时间之后，将波信号加载到传感器网络上，对多组传感器进行加载并接受波信号，得到所有传感器自发自收模式以及相邻传感器一发一收模式的基准波信号；

步骤四：获得损伤波信号并对损伤波信号进行分析

选用经由损伤边缘最先抵达接收传感器的波信号波群计算波的飞行时间，不管在损伤边缘上产生的是反射波、散射波还是其他类型的波。用当前波信号减去基准波信 号得到损伤波信号。分析损伤波信号得到经由损伤边缘抵达接收传感器的波信号飞行时间；

通过自发自收模式和一发一收模式对损伤边缘进行定位，请参阅图5，自发自收模式给出的定位曲线是圆(如公式1所确定)，请参阅图6，相邻传感器一发一收模式给出的定位曲线是椭圆（如公式2所确定）：

$\frac{2\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c11}}{T_{12}}---\left(1\right)$

$\frac{\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c12}}{T_{12}}---\left(2\right)$

以上方程组中，设(x,y)是损伤边缘某个点的坐标，(x₁,y₁),(x₂,y₂)分别是传感器1和传感器2的坐标；L₁₂是传感器1，2之间的直线距离；T_c11是波包从传感器1到达损伤边缘再回到传感器1的时间；T₁₂是波包从传感器1直接到达传感器2的时间；T_c12是波包从传感器1到损伤边缘再到达传感器2的时间；

步骤五：确定损伤位置

请参阅图7，在一个传感器网络内，相邻传感器一发一收有4条路径，各个传感器自发自收有4条路径，共形成8条损伤边缘定位曲线。8条定位曲线相交所围成的最靠内区域就是二维损伤定量化监测方法所确定的损伤区域；

步骤六：确定损伤面积

将上述步骤中确定的损伤区域进行积分即可得到具体的损伤面积。

实施例

本实施例用一个尺寸为500mm*420mm*1.9mm的铝板作为被监测结构。用本发明方法监测损伤的步骤如下：

步骤一，在铝板的四周粘贴4个压电陶瓷传感器并测量它们之间的距离（请参阅图3）；

步骤一，获得不含损伤时的基准波信号；

步骤三，为了模拟一个多维损伤，本实施例在铝板上切割出一个孔（请参阅图4）；

步骤四，在与基准波信号相同的环境下获得当前波信号；

步骤五，用当前波信号减去基准波信号得到损伤波信号；

步骤六，选用经由损伤边缘最先抵达接收传感器的波信号得到波的飞行时间，然后利用发明内容中的定位公式得到全部自发自收和一发一收定位曲线；

步骤七，定位曲线所围成的最靠内区域就是通过本发明确定的损伤区域；

步骤八，对该定位曲线所围成的区域进行积分，即可得到损伤的面积。请参阅图8，可以看出，用本发明方法监测得到的损伤边缘与损伤的真实边缘的误差较小，因此利用本发明监测方法进行监测的结果具有较高的精度。

Claims (10)

1.一种二维损伤定量化监测方法，其特征在于：利用待测区域布置的传感器网络激励及接收波信号，通过分析传感器直接到达的波信号和由二维损伤边缘反射或散射的波信号，利用传感器自发自收模式形成圆形定位曲线，利用相邻传感器一发一收模式形成椭圆形定位曲线，所形成的圆形定位曲线以及椭圆形定位曲线相交所围成的内部区域即为所确定的二维损伤区域，将用定位曲线得到的损伤区域进行积分得到二维损伤的面积。

2.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

步骤一：传感器网络布置

在被测结构上布设4个传感器，所述的4个传感器构成传感器网络的基本网格，测量传感器之间的距离；

步骤二：波信号的激励及采集

将波信号分别加载到传感器网络的4个传感器，相邻传感器形成一发一收模式，同时每个传感器形成自发自收模式，通过两种采集模式形成的定位曲线对损伤边缘进行定位，其中，自发自收模式给出的定位曲线是圆，如公式1所确定，一发一收模式给出的定位曲线是椭圆，如公式2所确定：

以上方程中，(x,y)是损伤边缘某个点的坐标，(x₁,y₁),(x₂,y₂)分别是传感器1和传感器2的坐标；L₁₂是传感器1，2之间的直线距离；T_c11是波包从传感器1到达损伤边缘再回到传感器1的时间；T₁₂是波包从传感器1直接到达传感器2的时间；T_c12是波包从传感器1到损伤边缘再到达传感器2的时间；

步骤三：损伤边缘确定

在一个传感器网格内，相邻传感器一发一收形成4条定位曲线，各个传感器自发自收形成4条定位曲线，共形成8条损伤边缘定位曲线，这8条定位曲线相交所围成的最靠内区域就是二维损伤定量化监测方法所确定的损伤区域。

3.根据权利要求2所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：采用结构没有损伤时的波信号作为基准波信号，然后用当前测得的含损伤的波信号减去基准波信号得到损伤波信号。

4.根据权利要求3所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：选用经由损伤边缘最先抵达接收传感器的波信号波群计算波的飞行时间。

5.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：根据不同 结构对要监测出的最小损伤大小以及监测精度的不同，灵活选择某个传感器网格所用的传感器数量，传感器数目为五个或六个或更多。

6.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：在取基准波信号与当前波信号时，环境温度的差别小于摄氏3度。

7.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：在取基准波信号与当前波信号时，结构的载荷条件相同。

8.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：在取基准波信号与当前波信号时，结构的噪声环境相同。

9.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：所述二维损伤为金属材料的腐蚀、变形或复合材料结构的脱层、脱粘。

10.根据权利要求1所述的二维损伤定量化监测方法，其特征在于：所述传感器为压电陶瓷传感器。