CN106990170B - 一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，该方法具体为：在均匀结构件上布置一组PZT压电传感器，组成激励器‑传感器监测通道；采集所有监测通道的结构Lamb波响应信号；选择所有等效的监测通道，其传播距离基本相同，并提取等效通道的直达波幅值表达式；以任意压电片为归一化基准1，根据等效监测通道组合下的Lamb波直达波信号传递函数，求解得到归一化压电片补偿系数矩阵；采用计算得到的归一化补偿系数矩阵对原信号进行补偿。本发明方法能一定程度上缓解由于传感器性能偏差、安装工艺偏差等引起的信号偏差，实现对结构响应信号的一致性补偿，减小响应信号的偏差，提高监测结果的准确性。

Description

一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，具体涉及Lamb波损伤监测中压电阵列机电耦合系数归一化补偿矩阵的求解，从而对Lamb波损伤监测信号一致性补偿的方法。

背景技术

随着Lamb波损伤监测技术的不断发展，Lamb波损伤监测技术的应用不断增多，人们开始研究Lamb波损伤监测技术的补偿方法。为了获得更加有效的损伤信号，得到更加精确的损伤监测结果，必须对Lamb波损伤监测技术进行补偿。

现有的Lamb波损伤监测系统一般包括传感器阵列、信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数据采集设备等。在监测时首先向结构中激励一定的波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波。信号采集到计算机中，通过对比结构损伤前后响应信号的差异，获取结构损伤散射信号，再由计算机计算得出损伤的位置和范围。由于压电陶瓷片加工过程和安装工艺存在差异，采用压电传感阵列检测损伤，各传感器最终表现出来的性能会有所差异。这些直接反映在信号能量上的不一致，而信号能量将直接反映结构损伤的程度、范围等信息。因此，传感器性能差异将会直接影响损伤的定位误差和损伤评估。此外，结构损伤引起的Lamb波散射信号能量一般都非常小，与激励器在结构中激励的Lamb波传播信号能量往往相差一个数量级以上，这给正确地分析声波传播过程以及提取损伤散射信号的特征参数带来了困难。尤其是在复合材料板类结构损伤监测中，由于Lamb波信号传播复杂，结构对信号吸收较快，损伤散射信号的提取变得更加困难。考虑以上几点，消除传感器性能差异对Lamb波响应信号的影响是十分必要的。目前，现有的有关Lamb波损伤监测技术研究中还缺乏针对多传感器性能一致性补偿方面的成果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，利用压电阵列中等距离传播通道直达波传递函数相同的特点，提出窄带激励下的压电传感器机电耦合系数归一化补偿，实现对结构响应信号的一致性补偿。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列；

步骤2，在压电激励/传感阵列中，选择不同的传感器分别作为激励元件和传感元件，组建激励-传感监测通道，采集结构件健康状态下所有监测通道的结构Lamb波响应信号；

步骤3，将激励元件和传感元件之间间距相同的监测通道视为等效通道，并归类到同一个等效通道组合中，令各等效通道组合下的结构Lamb波响应信号组合为U^p，各等效通道组合下的Lamb波传播传递函数为G^p，提取各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|U^p|，p为激励元件与传感元件之间间距；

步骤4，根据各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|U^p|以及不同的p值，联列方程组|U^p|＝|I(ω)|·|G^p|·|K^p|，I(ω)为激励信号，K_i、分别为激励元件以及到其距离为p的传感元件的机电耦合系数，i＝1,2,…,N，j≠i,j＝1,2,…,N，N为传感器的总个数；令任意一个传感器的机电耦合系数为1，对同一方程组内所有方程作相比运算，消除各方程中的相同项|I(ω)|·|G^p|，进而求解上述方程组得到压电激励/传感阵列中其他传感器之间的相互比值，即归一化补偿系数矩阵；

步骤5，利用归一化补偿系数矩阵，对所有监测通道的结构Lamb波响应信号进行补偿，实现信号的幅值补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤2的具体过程为：

步骤21，在压电激励/传感阵列中，选择传感器P_i作为激励元件，在结构件健康状态下，将Lamb波超声激励信号加载到传感器P_i上，i＝1,2,…,N，N为传感器的总个数，在结构件中激发激励信号；

步骤22，依次选取传感器P_j作为传感元件，j≠i,j＝1,2,…,N，采集激励下的结构Lamb波响应信号，得到激励元件为P_i、传感元件为P_j的监测通道下的结构Lamb波响应信号U_ij。

作为本发明的一种优选方案，所述Lamb波超声激励信号为窄带信号。

作为本发明的一种优选方案，所述结构Lamb波响应信号U_ij的表达式为：

U_ij＝I(ω)·K_iK_jG_ij，

其中，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，j≠i，N为传感器的总个数，K_i和K_j分别为激励元件和传感元件的机电耦合系数，G_ij为Lamb波传播传递函数。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤5的具体过程为：归一化补偿系数矩阵对应每个传感器的补偿系数，利用各个监测通道的结构Lamb波响应信号幅值除以其对应的激励元件和传感元件的补偿系数，实现信号的幅值补偿。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明一定程度上消除了传感器性能偏差、安装工艺偏差等引起的压电传感器机电耦合系数差异对Lamb波激励和传感的影响，提高了Lamb波损伤监测的准确性。

2、本发明方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现。

3、本发明实现方法简单，只需提取Lamb波损伤监测系统中的一组等效通道的Lamb波响应信号，解出归一化补偿系数，再对信号进行运算，无需对系统进行其他操作。

4、本发明针对特定系统求解得出的补偿系数矩阵，运用于自身，针对性强，可靠性高。

附图说明

图1是本发明中实验试件及压电线阵图。

图2是本发明中窄带激励信号的波形时域图。

图3是本发明中选择等效通道的方法示意图。

图4是本发明选取的等效通道直达波幅值方程组求解得到的各压电片补偿系数。

图5(a)是本发明选取的等效通道在图2所示窄带信号激励下的Lamb波结构响应信号波形图。

图5(b)是对图5(a)中所示信号进行一致性补偿后的波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，包括如下步骤：

(1)在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列，以及激励-传感通道；

在本实施例中，采用一块T6061铝板作为实验结构，其尺寸为600mm*600mm*2mm。在结构上安装了13片压电传感器，如图1所示，以垂直中心线为对称轴、间隔30mm线性排列，线阵距离边界100mm。13片压电传感器构成的线阵组成了多个激励-传感通道。

(2)采集工程机构健康状态下所有激励-传感监测通道的结构Lamb波响应信号U_ij＝I(ω)·K_iK_jG_ij，其中i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，j≠i，N为传感器的总个数，K_i和K_j分别为激励器和传感器的机电耦合系数，G_ij为Lamb波传播传递函数；

步骤(2)的详细步骤为：

(21)在结构健康状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声激励信号加载到作为激励元件的P_i上，在结构中激发激励信号；

上述Lamb波超声激励信号为窄带信号，如图2所示。

(22)依次选取压电元件P_j作为传感元件，经电荷放大器将激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到激励元件为P_i、传感元件为P_j的监测通道下的结构Lamb波响应信号U_ij；

(23)重复步骤(21)、(22)，直至采集获得所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号U_ij。

(3)找出所有激励-传感监测通道中的等效通道组合，其直达波传播距离基本相同，此时这些等效通道的Lamb波传递函数相同，其幅值也相同。提取各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值；

由于结构的材质均匀，表面平滑，故等距离激励-传感即为等效通道，具有相同的传递函数。如图3所示为本例中选取的间隔阵元数为3(即p＝90mm)的一组等效通道组合，其响应信号如图5(a)所示。提取出所有等效通道组合的结构Lamb波响应信号直达波幅值。

(4)根据各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|U^p|以及不同的p值，联列出方程组|U^p|＝|I(ω)|·|G^p|·|K^p|，令任意压电片补偿系数为1，对同一方程组内所有方程作相比运算，消除各方程中的相同项|I(ω)|·|G^p|，进而求解得到压电阵列的相对补偿系数矩阵K_C；

本例中压电阵列是以垂直中心线为对称轴的线性排列，线阵距离边界100mm，两个压电片的间隔为30mm，共N＝13片，选取第7片压电片的归一化压电补偿系数为1。采用图3所示不同p值下的等效通道组合，求解结构Lamb波响应信号的传播方程，|U²|＝|I(ω)|·|G²|·|K²|、|U³|＝|I(ω)|·|G³|·|K³|、|U⁴|＝|I(ω)|·|G⁴|·|K⁴|……，得到压电阵列的相对补偿系数矩阵K_C，1-13号压电片的归一化补偿系数如图4所示。

(5)采用步骤(4)中得到的补偿系数矩阵K_C，对所有Lamb波结构响应信号U_ij进行补偿，将其幅值除以相对应的压电激励器和传感器补偿系数Kc_i和Kc_j，实现信号的幅值补偿。

将图5(a)中所示的Lamb波结构响应信号U_ij的直达波幅值除以图4中求得的压电激励器和传感器补偿系数Kc_i和Kc_j，得到图5(b)所示的信号，实现了信号的一致性补偿。

对比图5(a)和图5(b)，可知图5(a)中，由于受传感器和激励器自身性能差异性、安装工艺等因素的影响，信号幅值存在一定的差异性，直达波峰值的区间为[1.924V,2.399V]，最大变化率达到了近20％。由图5(b)可知，各信号直达波峰值之间的偏差被补偿和压缩，峰值区间为[1.975V,2.254V]，最大化率降到了12.3％。从补偿前的信号波形来看，少量压电传感器的机电耦合系数存在较大的差异性，而补偿后的波形偏差较原来有很大的改善。

对于压电传感器阵列，压电片两两组合可组成多条监测通道。在传感器阵列中，所有的压电片都处于同一材质的结构上，因此，单个激励器-传感器对监测通道的传递函数由激励器跟传感器间的距离来决定，距离相同，传递函数也基本相同。对于含有N个压电片的压电阵列，得到的Lamb波信号可表示为：U＝I(ω)·K^TKG，K^T为K的转置，其中，

K＝[K₁ K₂ … K_N]

对于规则布置的压电传感器网络来说，上式所述信号中将存在多组传播路径等效相同的监测通道(即传递函数相同)，理想情况下，这些通道下的信号幅值、相位等参数也应相同。因此，通过对传递函数相同的监测通道信号能量偏差比对，可以逆推得到各压电传感器机电耦合系数的差异，以及各传感器幅值性能相对补偿系数。用求得的补偿系数矩阵对信号进行补偿，能够一定程度上消除由于传感器性能偏差、安装工艺偏差等引起的Lamb波激励和传感的偏差。本发明可以有效地消除压电传感器机电耦合系数差异对Lamb波损伤散射信号提取带来的干扰，有利于提高Lamb波损伤监测技术的精确度，促进结Lamb波损伤监测技术的推广和应用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在待检测的均匀结构件上等间距线性 布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列；

步骤2，在压电激励/传感阵列中，选择不同的传感器分别作为激励元件和传感元件，组建激励-传感监测通道，采集结构件健康状态下所有监测通道的结构Lamb波响应信号；

步骤3，将激励元件和传感元件之间间距相同的监测通道视为等效通道，并归类到同一个等效通道组合中，令各等效通道组合下的结构Lamb波响应信号组合为U^p，各等效通道组合下的Lamb波传播传递函数为G^p，提取各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|U^p|，p为激励元件与传感元件之间的距离；

步骤4，根据各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|U^p|以及不同的p值，联列方程组|U^p|＝|I(ω)|·|G^p|·|K^p|，I(ω)为激励信号，K_i、分别为激励元件以及到其距离为p的传感元件的机电耦合系数，i＝1,2,…,N，j≠i,j＝1,2,…,N，N为传感器的总个数；令任意一个传感器的机电耦合系数为1，对同一方程组内所有方程作相比运算，消除各方程中的相同项|I(ω)|·|G^p|，进而求解上述方程组得到压电激励/传感阵列中其他传感器之间的相互比值，即归一化补偿系数矩阵；

步骤5，归一化补偿系数矩阵对应每个传感器的补偿系数，利用各个监测通道的结构 Lamb 波响应信号幅值除以其对应的激励元件和传感元件的补偿系数，实现信号的幅值补 偿。

2.根据权利要求1所述压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

步骤21，在压电激励/传感阵列中，选择传感器P_i作为激励元件，在结构件健康状态下，将Lamb波超声激励信号加载到传感器P_i上，i＝1,2,…,N，N为传感器的总个数，在结构件中激发激励信号；

步骤22，依次选取传感器P_j作为传感元件，j≠i,j＝1,2,…,N，采集激励下的结构Lamb波响应信号，得到激励元件为P_i、传感元件为P_j的监测通道下的结构Lamb波响应信号U_ij。

3.根据权利要求2所述压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，所述Lamb波超声激励信号为窄带信号。

4.根据权利要求2所述压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，所述结构Lamb波响应信号U_ij的表达式为：

U_ij＝I(ω)·K_iK_jG_ij，

其中，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，j≠i，N为传感器的总个数，K_i和K_j分别为激励元件和传感元件的机电耦合系数，G_ij为Lamb波传播传递函数。