CN104181173A - 一种损伤定量化监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种损伤定量化监测方法及系统，涉及结构健康监测技术领域，为解决现有的损伤定量化监测方法的信号采集设备结构复杂、成本高、维护困难等问题而设计。本发明提供的损伤定量化监测方法在待测结构上布置传感器网络，传感器网络包括至少一个网格单元，网格单元包括呈三角形布置的三个传感器，利用传感器网络进行损伤定量化监测：每个传感器自发自收模式形成多个第一定位曲线，相邻两个传感器一发一收模式形成多个第二定位曲线，多个第一定位曲线和多个第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为所确定的损伤区域。本发明可高效利用传感器网络，不需要标定即可根据不同的精度要求给出损伤的位置和尺寸，信号采集设备结构简单、成本低。

Description

一种损伤定量化监测方法及系统

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种损伤定量化监测方法及系统。

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，比如利用相控阵方法可以定位出损伤的区域及尺寸，通过传感器网络测量损伤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，实验的工作量就会非常巨大。

针对上述问题，亟需要一种能利用稀疏布置的传感器网络、不需要标定就能较准确地确定损伤的位置和尺寸的损伤定量化监测方法及系统。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种损伤定量化监测方法，能够高效利用传感器网络准确地监测损伤的位置及尺寸，成本低，监测方法简单易行。

本发明的再一个目的在于提出一种损伤定量化监测系统，能够高效利用传感器网络准确地监测损伤的位置及尺寸，成本低，监测方法简单易行。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种损伤定量化监测方法，在待测结构上布置传感器网络，所述传感器网络包括至少一个网格单元，所述网格单元包括呈三角形布置的三个传感器，利用传感器网络进行损伤定量化监测：每个传感器自发自收模式形成多条第一定位曲线，相邻两个传感器一发一收模式形成多条第二定位曲线，所述多条第一定位曲线和所述多条第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为所确定的损伤区域。

进一步的，所述利用一个网格单元的传感器进行损伤定量化监测至少包括以下步骤：

步骤A、在被测结构上呈三角形布置三个传感器，从而形成一个网格单元；

步骤B、将波信号分别加载到网格单元的三个传感器上，每个传感器形成自发自收模式，相邻传感器形成一发一收模式，通过两种采集模式形成定位曲线对损伤边缘进行定位，

传感器一自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₁，y₁）为传感器一的坐标，L₁₂是传感器一和传感器二之间的直线距离，T_c11是波包从传感器一到达损伤边缘再回到传感器一的时间，T₁₂是波包从传感器一直接到达传感器二的时间；

传感器二自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₂，y₂）为传感器二的坐标，L₂₃是传感器二和传感器三之间的直线距离，T_c22是波包从传感器二到达损伤边缘再回到传感器二的时间，T₂₃是波包从传感器二直接到达传感器三的时间；

传感器三自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₃，y₃）为传感器三的坐标，L₃₁是传感器三和传感器一之间的直线距离，T_c33是波包从传感器三到达损伤边缘再回到传感器三的时间，T₃₁是波包从传感器三直接到达传感器一的时间；

传感器一和传感器二一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c12}}{T_{12}}$ 确定，其中，T_c12是波包从传感器一到损伤边缘再到达传感器二的时间；

传感器二和传感器三一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}{L_{23}}=\frac{T_{c23}}{T_{23}}$ 确定，其中，T_c23是波包从传感器二到损伤边缘再到达传感器三的时间；

传感器三和传感器一一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}+\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{L_{31}}=\frac{T_{c31}}{T_{31}}$ 确定，其中，T_c31是波包从传感器三到损伤边缘再到达传感器一的时间；

步骤C、步骤B中获得的六条曲线相交所围成的最靠内区域即为利用一个网格单元所确定的损伤区域。

优选的，当被测结构处于健康状态时的信号波为基准信号波，将监测到的当前信号波减去基准信号波即为损伤信号波，由损伤信号波获得由损伤边缘抵达接收传感器的信号波的飞行时间。

优选的，选用经由损伤边缘最先抵达接收传感器的信号波波群计算波的飞行时间。

进一步的，所述利用多个网格单元组合的传感器进行损伤定量化监测具体为，在被测结构上布置多个传感器从而形成多个网格单元，分别作出各个传感器自发自收模式形成的多条第一定位曲线以及相邻传感器一发一收模式形成的多条第二定位曲线，所述多条第一定位曲线和多条第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为利用多个网格单元组合所确定的损伤区域。

优选的，所述多个网格单元组合为由两个相邻网格单元形成的菱形传感器网络、由三个相邻网络单元形成的梯形传感器网络或由四个相邻网络单元形成的三角形传感器网络。

优选的，取基准信号波和当前信号波时，被测结构所处的环境温度差小于3℃。

优选的，取基准信号波和当前信号波时，被测结构的载荷条件基本相同。

优选的，取基准信号波和当前信号波时，被测结构的噪声环境基本相同。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种损伤定量化监测系统，用于实现上述的损伤定量化监测方法，包括信号激励装置、传感器网络、信号采集装置、信号处理装置及控制面板，其中，信号激励装置用于提供激励信号；传感器网络用于提供监测的基准信号波及当前信号波；信号采集装置用于采集传感器网络提供的基准信号波及当前信号波并传输至信号处理装置；信号处理装置用于根据当前信号波形成所述多条第一定位曲线和所述多条第二定位曲线并确定损伤区域；控制面板包括用于显示处理结果的显示屏和用于控制损伤定量化监测过程的控制界面。

本发明的有益效果为：本发明提供的损伤定量化监测方法及系统，在待测结构上布置传感器网络，不在同一直线的三个传感器形成一个网格单元，利用一个网格单元或多个网格单元组合的传感器进行损伤定量化监测，传感器自发自收模式形成第一定位曲线，相邻传感器一发一收模式形成第二定位曲线，所述第一定位曲线和所述第二定位曲线相交所围成的内部区域即为所确定的损伤区域，高效利用传感器网络，不需要标定即可根据不同的精度要求给出损伤的位置和尺寸，信号采集设备结构简单、成本低，监测方法简单易行，对减少大型工业装备结构检查维护成本、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是本发明实施例一提供的利用一个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的示意图；

图2是图1中损伤部分的局部放大图；

图3是本发明实施例二提供的利用两个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的示意图；

图4是图3中损伤部分的局部放大图；

图5是本发明实施例三提供的利用三个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的示意图；

图6是图5中损伤部分的局部放大图；

图7是本发明实施例四提供的利用四个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的示意图；

图8是图7中损伤部分的局部放大图；

图9是本发明具体实施方式提供的一种损伤定量化监测系统的结构示意图。

图中，1、被测结构；2、损伤；3、传感器一；4、传感器二；5、传感器三。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

根据波动学，当波遇到结构的几何改变或力学性质改变时，会在改变的界面处发生波的反射或散射。本发明利用该原理在被测结构上布置传感器网络，通过分析传感器直接到达的信号波和经由损伤边缘反射或散射的信号波获取损伤的位置及尺寸。传感器网络的布置形式为，不在同一直线的三个传感器形成一个网格单元，根据精度要求将一个网格单元或多个网格单元组合作为传感器网络进行损伤定量化监测，网格单元的数量越多，测量的精度越高。传感器自发自收模式形成第一定位曲线，相邻传感器一发一收模式形成第二定位曲线，所述第一定位曲线和所述第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为所确定的损伤区域，自发自收模式即传感器自己发出自己接收信号的模式，一发一收模式即一个传感器发出另一个传感器接收信号的模式。

针对上述方法，本发明还提出了一种损伤定量化监测系统，用于实现上述的损伤定量化监测方法。如图9所示，该损伤定量化监测系统包括信号激励装置、传感器网络、信号采集装置、信号处理装置及控制面板。其中，信号激励装置用于提供激励信号；传感器网络用于提供监测的基准信号波及当前信号波；信号采集装置用于采集传感器网络提供的基准信号波及当前信号波并传输至信号处理装置；信号处理装置用于根据当前信号波形成所述多条第一定位曲线和所述多条第二定位曲线并确定损伤区域；控制面板包括用于显示处理结果的显示屏和用于控制损伤定量化监测过程的控制界面。

实施例一：

本实施例为利用一个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的方法。其包括以下步骤：

步骤A、如图1所示，在被测结构1上呈三角形布置三个传感器，从而形成一个网格单元；

步骤B、将波信号分别加载到网格单元的三个传感器上，每个传感器形成自发自收模式，相邻传感器形成一发一收模式，通过两种采集模式形成定位曲线对损伤2边缘进行定位，

传感器一3自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，即图1中以传感器一3为中心的圆，其中，（x₁，y₁）为传感器一3的坐标，L₁₂是传感器一3和传感器二4之间的直线距离，T_c11是波包从传感器一3到达损伤2边缘再回到传感器一3的时间，T₁₂是波包从传感器一3直接到达传感器二4的时间；

传感器二4自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，即图1中以传感器二4为中心的圆，其中，（x₂，y₂）为传感器二4的坐标，L₂₃是传感器二4和传感器三5之间的直线距离，T_c22是波包从传感器二4到达损伤2边缘再回到传感器二4的时间，T₂₃是波包从传感器二4直接到达传感器三5的时间；

传感器三5自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，即图1中以传感器三5为中心的圆，其中，（x₃，y₃）为传感器三5的坐标，L₃₁是传感器三5和传感器一3之间的直线距离，T_c33是波包从传感器三5到达损伤2边缘再回到传感器三5的时间，T₃₁是波包从传感器三5直接到达传感器一3的时间；

传感器一3和传感器二4一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c12}}{T_{12}}$ 确定，即图1中以传感器一3和传感器二4为焦点的椭圆，其中，T_c12是波包从传感器一3到损伤2边缘再到达传感器二4的时间；

传感器二4和传感器三5一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}{L_{23}}=\frac{T_{c23}}{T_{23}}$ 确定，即图1中以传感器二4和传感器三5为焦点的椭圆，其中，T_c23是波包从传感器二4到损伤2边缘再到达传感器三5的时间；

传感器三5和传感器一3一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}+\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{L_{31}}=\frac{T_{c31}}{T_{31}}$ 确定，即图1中以传感器一3和传感器三5为焦点的椭圆，其中，T_c31是波包从传感器三5到损伤2边缘再到达传感器一3的时间；

步骤C、步骤B中获得的六条曲线相交所围成的最靠内区域即为利用一个网格单元所确定的损伤2区域，即图2中圆圈处的交点之间的曲线所围成的区域。

其中，T_c11、T_c22、T_c33、T_c12、T_c23和T_c31的获取方式为，当被测结构1处于健康状态时的信号波为基准信号波，将监测到的当前信号波减去基准信号波即为损伤信号波，通过分析损伤信号波即可获得由损伤2边缘抵达接收传感器的信号波的飞行时间，即T_c11、T_c22、T_c33、T_c12、T_c23和T_c31。作为优选的，选用经由损伤2边缘最先抵达接收传感器的信号波波群计算波的飞行时间。为了保证测量的准确性和一致性，取基准信号波和当前信号波时，被测结构1所处的环境温度差小于3℃且被测结构1的载荷条件和噪声环境基本相同。

实施例二：

本实施例为利用两个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的方法。如图3所示，其传感器网络由两个相邻的网格单元形成，四个传感器排列呈菱形。

其监测方法与实施例一基本相同，分别作出四个传感器自发自收模式形成的四条第一定位曲线以及相邻传感器一发一收模式形成的四条第二定位曲线，四条第一定位曲线和四条第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为确定的损伤区域，即图4中圆圈处的交点之间的曲线所围成的区域。

实施例三：

本实施例为利用三个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的方法。如图5所示，其传感器网络由三个相邻的网格单元形成，五个传感器排列呈梯形。

其监测方法与实施例一基本相同，所确定的损伤区域为图6中圆圈处的交点之间的曲线所围成的区域。

实施例四：

本实施例为利用四个网格单元的传感器进行损伤定量化监测的方法。如图7所示，其传感器网络由四个相邻的网格单元形成，六个传感器排列呈大三角形。

其监测方法与实施例一基本相同，所确定的损伤区域为图8中圆圈处的交点之间的曲线所围成的区域。

网络单元的数量不局限于上述情况，可根据具体的精度要求设定，由图1至8可以看出，网格单元的数量越多，测量的精度越高。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种损伤定量化监测方法，其特征在于，在待测结构上布置传感器网络，所述传感器网络包括至少一个网格单元，所述网格单元包括呈三角形布置的三个传感器，利用传感器网络进行损伤定量化监测：每个传感器自发自收模式形成多条第一定位曲线，相邻两个传感器一发一收模式形成多条第二定位曲线，所述多条第一定位曲线和所述多条第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为所确定的损伤区域。

2.根据权利要求1所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于，所述利用一个网格单元的传感器进行损伤定量化监测至少包括以下步骤：

步骤A、在被测结构（1）上呈三角形布置三个传感器，从而形成一个网格单元；

步骤B、将波信号分别加载到网格单元的三个传感器上，每个传感器形成自发自收模式，相邻传感器形成一发一收模式，通过两种采集模式形成定位曲线对损伤边缘进行定位，

传感器一（3）自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₁，y₁）为传感器一（3）的坐标，L₁₂是传感器一（3）和传感器二（4）之间的直线距离，T_c11是波包从传感器一（3）到达损伤（2）边缘再回到传感器一（3）的时间，T₁₂是波包从传感器一（3）直接到达传感器二（4）的时间；

传感器二（4）自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₂，y₂）为传感器二（4）的坐标，L₂₃是传感器二（4）和传感器三（5）之间的直线距离，T_c22是波包从传感器二（4）到达损伤（2）边缘再回到传感器二（4）的时间，T₂₃是波包从传感器二（4）直接到达传感器三（5）的时间；

传感器三（5）自发自收模式形成的第一定位曲线由公式确定，其中，（x₃，y₃）为传感器三（5）的坐标，L₃₁是传感器三（5）和传感器一（3）之间的直线距离，T_c33是波包从传感器三（5）到达损伤（2）边缘再回到传感器三（5）的时间，T₃₁是波包从传感器三（5）直接到达传感器一（3）的时间；

传感器一（3）和传感器二（4）一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}}{L_{12}}=\frac{T_{c12}}{T_{12}}$ 确定，其中，T_c12是波包从传感器一（3）到损伤（2）边缘再到达传感器二（4）的时间；

传感器二（4）和传感器三（5）一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}}{L_{23}}=\frac{T_{c23}}{T_{23}}$ 确定，其中，T_c23是波包从传感器二（4）到损伤（2）边缘再到达传感器三（5）的时间；

传感器三（5）和传感器一（3）一发一收模式形成的第二定位曲线由公式 $\frac{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}+\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{L_{31}}=\frac{T_{c31}}{T_{31}}$ 确定，其中，T_c31是波包从传感器三（5）到损伤（2）边缘再到达传感器一（3）的时间；

步骤C、步骤B中获得的六条曲线相交所围成的最靠内区域即为利用一个网格单元所确定的损伤区域。

3.根据权利要求2所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：当被测结构（1）处于健康状态时的信号波为基准信号波，将监测到的当前信号波减去基准信号波即为损伤信号波，由损伤信号波获得由损伤（2）边缘抵达接收传感器的信号波的飞行时间。

4.根据权利要求3所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：选用经由损伤（2）边缘最先抵达接收传感器的信号波波群计算波的飞行时间。

5.根据权利要求1所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：所述利用多个网格单元组合的传感器进行损伤定量化监测。具体为，在被测结构（1）上布置多个传感器从而形成多个网格单元，分别作出各个传感器自发自收模式形成的多条第一定位曲线以及相邻传感器一发一收模式形成的多条第二定位曲线，所述多条第一定位曲线和多条第二定位曲线相交所围成的最靠内区域即为利用多个网格单元组合所确定的损伤区域。

6.根据权利要求5所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：所述多个网格单元组合为由两个相邻网格单元形成的菱形传感器网络、由三个相邻网络单元形成的梯形传感器网络或由四个相邻网络单元形成的三角形传感器网络。

7.根据权利要求3所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：取基准信号波和当前信号波时，被测结构（1）所处的环境温度差小于3℃。

8.根据权利要求3所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：取基准信号波和当前信号波时，被测结构（1）的载荷条件基本相同。

9.根据权利要求3所述的一种损伤定量化监测方法，其特征在于：取基准信号波和当前信号波时，被测结构（1）的噪声环境基本相同。

10.一种损伤定量化监测系统，用于实现如权利要求1至9任一项所述的损伤定量化监测方法，其特征在于：包括信号激励装置、传感器网络、信号采集装置、信号处理装置及控制面板，其中，

信号激励装置，用于提供激励信号；

传感器网络，用于提供监测的基准信号波及当前信号波；

信号采集装置，用于采集传感器网络提供的基准信号波及当前信号波并传输至信号处理装置；

信号处理装置，用于根据当前信号波形成所述多条第一定位曲线和所述多条第二定位曲线并确定损伤区域；

控制面板，包括用于显示处理结果的显示屏和用于控制损伤定量化监测过程的控制界面。