CN106168603B - 一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法 - Google Patents

一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法。所述Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法包括如下步骤：步骤1：采集一组Lamb波信号作为基准信号，并获取采集该基准信号时的温度以及在采集一组Lamb波信号作为参考信号，并获取采集参考信号时的温度；步骤2：采集当前Lamb波信号，并记录当前温度；步骤3：将基准信号的相位补偿到当前信号当前Lamb波信号，从而得到补偿后的当前Lamb波信号；步骤4：对进行正则化处理；步骤5：将基准信号补偿到当前信号的温度。本发明中的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法不需要采集大量基准信号，不需要确定任何温度补偿参数，处理过程简单，能对Lamb波信号中包含的全部波形进行温度补偿，实用性强。

Description

一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别是涉及一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法。
背景技术
近年来，基于Lamb波的结构健康监测技术受到了广泛的关注，成为了一个研究热点。这是由于Lamb波能够在结构中传播较长的距离，并且对裂纹、腐蚀和分层等损伤敏感。目前，Lamb波结构健康监测中的一种常用工作模式是激励—接收模式。这种工作模式是在被监测结构上布置一传感器阵列，然后利用一个传感器作激励器向结构中激励Lamb波，其它传感器作接收器接收激励的Lamb波，直到每一个传感器都作了一次激励器为止。当Lamb波结构健康监测技术应用于监测复杂结构时，其测量的信号一般非常复杂，难以进行分析解释。一种简单有效地方法是在监测前测量一组基准信号，然后将目前测量的当前信号与基准信号作相减，从而将此差信号作为损伤信号。但是外界环境，尤其是温度，会对测量信号产生很大影响。温度变化会造成基准信号相减产生误差。这些误差的强度往往和损伤信号基本相当。这样就会使损伤监测产生错误的结果。因此，在Lamb波结构健康监测中应该对温度影响进行补偿。
目前，公认为较有效地Lamb波结构健康监测的温度补偿方法为最优基准信号相减和基准信号压缩/扩展的结合。但基准信号压缩/扩展需要在温度补偿前确定信号相位和幅值的温度补偿参数。由于温度对直达Lamb波和反射 Lamb波造成的影响不同，因此对这些波的温度补偿参数也会不同。当被监测结构复杂时，温度补偿参数的确定也会变的非常复杂。且当被监测结构不同时，一般温度补偿参数需要重新确定。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法，用于采用基准信号与测量信号之差作为损伤信号的Lamb波结构健康监测方法，所述Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法包括如下步骤：步骤 1：在温度补偿前，采集一组Lamb波信号作为基准信号b(t)，并获取采集该基准信号b(t)时的温度T0以及采集一组Lamb波信号作为参考信号r(t)，并获取采集参考信号r(t)时的温度T1；步骤2：采集当前Lamb波信号s(t)，并记录当前温度T2；步骤3：根据所述步骤1及所述步骤2的数据，通过公式将基准信号b(t)的相位补偿到当前Lamb波信号s(t)，从而得到相位补偿后的基准信号步骤4：通过公式对相位补偿后的基准信号进行正则化处理；步骤 5：通过公式将相位补偿后的基准信号的幅值补偿到当前Lamb信号s(t)，从而得到温度补偿后的基准信号。
优选地，所述温度T0与所述温度T1两温度之差小于6℃。
优选地，所述步骤3中的公式为：
其中，
为相位补偿后的基准信号；
—基准信号b(t)的希尔伯特变换；
Re{·}—取复数实部的运算；
j—虚数单位；
arg—信号的瞬时相位。
优选地，所述步骤4中的公式为：
其中，
—相位补偿后的基准信号；
—对 正则化后的信号。
优选地，所述步骤5中的公式为：
其中，
<·>—为内积运算；
btb(t)—为将基准信号b(t)补偿到当前信号s(t)温度的补偿信号。
本发明中的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法不需要采集大量基准信号，不需要确定任何温度补偿参数，处理过程简单，能对Lamb波信号中包含的全部波形进行温度补偿，实用性强，可应用于复杂结构的结构健康监测。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
图1是根据本发明一实施例的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法的流程示意图。
如图1所示的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法用于采用基准信号与测量信号之差作为损伤信号的Lamb波结构健康监测方法，该Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法包括如下步骤：
步骤1：在温度补偿前，采集一组Lamb波信号作为基准信号b(t)，并获取采集该基准信号b(t)时的温度T0以及采集一组Lamb波信号作为参考信号r(t)，并获取采集参考信号r(t)时的温度T1；
步骤2：采集当前Lamb波信号s(t)，并记录当前温度T2；
步骤3：根据所述步骤1及所述步骤2的数据，通过公式将基准信号b(t)的相位补偿到当前Lamb波信号s(t)，从而得到相位补偿后的基准信号
步骤4：通过公式对相位补偿后的基准信号进行正则化处理；
步骤5：通过公式将相位补偿后的基准信号的幅值补偿到当前Lamb 信号s(t)，从而得到温度补偿后的基准信号。
有利的是，在温度T0与温度T1两温度之差小于6℃的范围内，本申请的 Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法最为准确。
在本实施例中，步骤3中的公式为：
其中，
为相位补偿后的基准信号；
—基准信号b(t)的希尔伯特变换；
Re{·}—取复数实部的运算；
j—虚数单位；
arg—信号的瞬时相位。
在本实施例中，步骤4中的公式为：
其中，
—相位补偿后的基准信号；
—对 正则化后的信号。
在本实施例中，所述步骤5中的公式为：
其中，
<·>—为内积运算；
btb(t)—为将基准信号b(t)补偿到当前信号s(t)温度的补偿信号。
在本实施例中，步骤2中的当前Lamb波信号s(t)，及其他地方提及的当前Lamb波信号s(t)是指需要判定有无损伤时，采集的当下的信号。
在本实施例中，基准信号为结构没有破损的情况下的Lamb波信号。
在本实施例中，步骤3中的公式中的T1、T2、T0为步骤1中的各个信号的温度。
下面以举例的方式本申请进行进一步阐述，可以理解的是，该举例并不构成对本申请的任何限制。
对一碳纤维复合材料层板的Lamb波结构健康监测进行了温度补偿。复合材料层板的材料为T700/BA9916，尺寸为150mm×100mm×3mm，铺层为 [45/0/-45/90/0/45/0/-45/0/45/90/-45]S，每层铺层的厚度为0.125mm。利用环氧胶在板上粘贴了2个压电片，其中一个作为激励器，另一个作传感器。压电材料为P51，直径为8mm，厚度为0.45mm。复合材料层板的尺寸和压电片的布置。复合材料层板被置于温度环境箱中，通过改变温度环境箱中的温度来改变层板及周围的环境温度。
Lamb波的激励信号为调制的5波峰正弦信号。激励频率为70KHz，信号采样率为10MHz。
按照本申请的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法进行温度补偿具体为：在环境箱温度为20℃时，采集了基准信号b(t)，并记录温度T0。接着以 1℃/min的速率升高环境箱温度至23℃，并保温1小时，然后采集参考信号r(t)，并记录温度T1。
然后以1℃/min的速率升高环境箱温度至29℃，并保温1小时，然后采集当前Lamb波信号s(t)，并记录温度T2。
通过公式将基准信号b(t)的相位补偿到当前信号当前Lamb波信号s(t)，从而得到相位补偿后的基准信号
对相位补偿后的基准信号进行正则化处理。
将相位补偿后的基准信号的幅值补偿到当前Lamb信号s(t)，从而得到温度补偿后的基准信号。
由于温度会对Lamb波信号的幅值和相位有影响，本申请将基准信号的相位和幅值，补偿为与当前信号具有相同温度时所具有的特征。从而形成一种 Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法。
本发明的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法相比现有技术的优点在于：不需要采集大量基准信号，不需要确定任何温度补偿参数，处理过程简单，能对Lamb波信号中包含的全部波形进行温度补偿，实用性强，可应用于复杂结构的结构健康监测。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法，用于采用基准信号与测量信号之差作为损伤信号的Lamb波结构健康监测方法，其特征在于，所述Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法包括如下步骤：
步骤1：在温度补偿前，采集一组Lamb波信号作为基准信号b(t)，并获取采集该基准信号b(t)时的温度T0以及采集一组Lamb波信号作为参考信号r(t)，并获取采集参考信号r(t)时的温度T1；
步骤2：采集当前Lamb波信号s(t)，并记录当前温度T2；
步骤3：根据所述步骤1及所述步骤2的数据，通过公式将基准信号b(t)的相位补偿到当前Lamb波信号s(t)，从而得到相位补偿后的基准信号
步骤4：通过公式对相位补偿后的基准信号进行正则化处理；
步骤5：通过公式将相位补偿后的基准信号的幅值补偿到当前Lamb信号s(t)，从而得到温度补偿后的基准信号；其中，
所述步骤3中的公式为：
其中，
为相位补偿后的基准信号；
—基准信号b(t)的希尔伯特变换；
Re{·}—取复数实部的运算；
j—虚数单位；
arg—信号的瞬时相位；
所述步骤4中的公式为：
其中，
—相位补偿后的基准信号；
—对 正则化后的信号；
所述步骤5中的公式为：
其中，
<·>—为内积运算；
btb(t)—为将基准信号b(t)补偿到当前信号s(t)温度的补偿信号。
2.如权利要求1所述的Lamb波结构健康监测中的温度补偿方法，其特征在于，所述温度T0与所述温度T1两温度之差小于6℃。
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