CN104698080A - 一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法，技术方案包括：在监测目标结构上粘贴不少于两个压电传感器；以一个压电传感器作为激励器，产生激励信号a(t)，另一个传感器作为接收器获取结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的基线信号b(t)；一段时间后，在同一位置获取疑似损伤结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的对比信号c(t)；与之前获得的响应信号进行对比，用以检测这一段时间同一区域是否发生了结构损伤。

Description

一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法

技术领域

本发明属于结构损伤监测领域，涉及一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法。

背景技术

基于兰姆波的监测方法是利用压电传感器的压电效应，以粘贴在结构中表面的压电传感/驱动阵列作为激励器在板类结构中激发一定形式的兰姆波，通过采集和分析结构的响应信号来监测结构状态和损伤情况。由于兰姆波的频散效应使得响应信号具有模式多、波形复杂等特点，导致了目前基于兰姆波结构监测的众多方法面临着信号分析困难、高阶模式干扰、数据处理复杂、损伤诊断精度差等问题。

发明内容

发明目的：提供一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法，在能够产生兰姆波的金属或复合材料结构的损伤监测中提供一种快速而准确的损伤识别方法。

技术方案：一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法，包括：

步骤一：在监测目标结构上粘贴不少于两个压电传感器，以每两个压电传感器作为一个监测单元；

步骤二：以某个监测单元的一个压电传感器作为激励器，根据公式（1）在结构中产生激励信号a(t)，另一个传感器作为接收器用于获取结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的基线信号b(t)；

$a\left(t\right)=A[H\left(t\right)-H(t-n/f_c)](1-\cos \frac{2\mathrm{\π}{f}_{c}t}{n})\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t---\left(1\right)$

其中：A—信号的幅度调制；f_c—信号中心频率；N—信号波峰个数；H—Heaviside阶梯函数；

步骤三：一段时间后，采用步骤二的方法在同一位置获取疑似损伤结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的对比信号c(t)；

步骤四：在监测单元的响应信号中，选取第一个对称频散模式或者第一个反对称频散模式的模式区间t[t_i,t_f]作为监测单元有效信号的区间，定义

步骤五：对监测单元的激励信号进行快速傅里叶变换，选取主要频率成分区间ω[ω_s,ω_o]；

步骤六：计算监测单元的健康状态指数HSI，定义

$\mathrm{HSI}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}[\stackrel{\‾}{C}\left(\mathrm{\ω}\right)-\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)]\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

式中：

的快速傅里叶变换形式；

的快速傅里叶变换形式；

步骤七：确定结构损伤状态；HSI与被测结构的健康状态成反比，而与被测结构的损伤状态成正比，即，HSI越大则表示该监测单元处的结构健康状态越差，即损伤程度越严重；反之，HSI越小则表示该监测单元处的结构健康状态越好，即损伤程度越轻微。

有益效果：信号处理过程简单快捷；在时域和频域均能有效避免易于混叠的高阶模式干扰；损伤特征相对稳定且方便提取；实施方便，监测精度高。

具体实施方式

本发明提出了一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法，对结构损伤进行状态监测步骤如下：

步骤一：确定监测单元；在监测目标结构上粘贴不少于两个压电传感器，以每两个压电传感器作为一个监测单元；

步骤二：以某个监测单元的一个压电传感器作为激励器，根据公式（1）在结构中产生激励信号a(t)，另一个传感器作为接收器用于获取结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的基线信号b(t)；

$a\left(t\right)=A[H\left(t\right)-H(t-n/f_c)](1-\cos \frac{2\mathrm{\π}{f}_{c}t}{n})\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t---\left(1\right)$

其中：A—信号的幅度调制；f_c—信号中心频率；N—信号波峰个数；H—Heaviside阶梯函数；

步骤三：一段时间后，采用步骤二的方法在同一位置获取疑似损伤结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的对比信号c(t)；即，过一段时间后，在与步骤二相同的位置设置激励器和接收器，再测一次响应信号作为对比信号，与之前步骤二获得的响应信号进行对比，用以检测这一段时间同一区域是否发生了结构损伤。

步骤四：截取监测单元的有效信号；根据监测单元的响应信号，选取对损伤敏感且易于分离的模式区间t[t_i,t_f]作为监测单元有效信号的区间，定义

步骤五：确定有效频率区间；对监测单元的激励信号进行快速傅里叶变换（FFT），选取主要频率成分区间ω[ω₁,ω₂]；

步骤六：计算监测单元的健康状态指数HSI，定义

$\mathrm{HSI}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}[\stackrel{\‾}{C}\left(\mathrm{\ω}\right)-\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)]\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

其中：

的快速傅里叶变换形式；

的快速傅里叶变换形式；

步骤七：确定结构损伤状态；HSI与被测结构的健康状态成反比，而与被测结构的损伤状态成正比，即，HSI越大则表示该监测单元处的结构健康状态越差，即损伤程度越严重；反之，HSI越小则表示该监测单元处的结构健康状态越好，即损伤程度越轻微。

Claims (1)

1.一种利用兰姆波对结构损伤进行状态监测的方法，其特征在于，包括：

步骤一：在监测目标结构上粘贴不少于两个压电传感器，以每两个压电传感器作为一个监测单元；

步骤二：以某个监测单元的一个压电传感器作为激励器，根据公式（1）在结构中产生激励信号a(t)，另一个传感器作为接收器用于获取结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的基线信号b(t)；

$a\left(t\right)=A[H\left(t\right)-H(t-n/f_c)](1-\cos \frac{2\mathrm{\π}{f}_{c}t}{n})\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t---\left(1\right)$

其中：A—信号的幅度调制；f_c—信号中心频率；N—信号波峰个数；H—Heaviside阶梯函数；

步骤三：一段时间后，采用步骤二的方法在同一位置获取疑似损伤结构中的兰姆波响应信号作为该监测单元的对比信号c(t)；

步骤四：在监测单元的响应信号中，选取第一个对称频散模式或者第一个反对称频散模式的模式区间t[t_i,t_f]作为监测单元有效信号的区间，定义

步骤五：对监测单元的激励信号进行快速傅里叶变换，选取主要频率成分区间ω[ω_s,ω_o]；

步骤六：计算监测单元的健康状态指数HSI，定义

$\mathrm{HSI}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}[\stackrel{\‾}{C}\left(\mathrm{\ω}\right)-\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)]\mathrm{d\ω}}{{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_s}^{{\mathrm{\ω}}_o}\stackrel{\‾}{B}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\ω}}$

式中：

的快速傅里叶变换形式；

的快速傅里叶变换形式；

步骤七：确定结构损伤状态；HSI与被测结构的健康状态成反比，而与被测结构的损伤状态成正比，即，HSI越大则表示该监测单元处的结构健康状态越差，即损伤程度越严重；反之，HSI越小则表示该监测单元处的结构健康状态越好，即损伤程度越轻微。