CN107796871A - 基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法 - Google Patents

基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法 Download PDF

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刘彬
孟凡芹
耿光辉
宋生奎
石永春
王朝晖
贾丽
王文娟
曹泽煜
陈利安
徐克明
赵鹏程
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公布了一种基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法，属于工程结构健康监测技术领域。本方法首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后计算两个Lamb波传感信号的互相关函数，求取延迟时间；最后截取补偿信号，对Lamb波传感信号长度进行补偿。本发明降低了Lamb波传感信号采集对数据采集系统存储空间的要求，增加了Lamb波传感信号的采样长度，提高了后续的Lamb波传感信号处理与分析的精确性，从而有助于促进基于Lamb波的结构健康监测方法在工程结构健康监测领域中的应用。

Description

基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法
技术领域
本发明涉及工程结构健康监测技术领域，具体是一种基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法。
背景技术
结构健康监测技术对于预防重大事故的发生、提高结构的安全性，减少经济损失、降低结构的维护费用、保障重大工程项目的建设具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。基于Lamb波的结构健康监测方法具有损伤监测灵敏度高、监测范围大、既能在线应用也可离线应用、既能进行主动损伤监测也能进行被动冲击监测、既能监测金属结构也能监测复合材料结构等等优点。因此，基于Lamb波的结构健康监测方法受到了国内外的广泛研究，是目前最具有前景的结构健康监测技术之一。通常，压电传感器是实现Lamb波激励和传感的主要器件。针对基于Lamb波的结构健康监测方法，主要是通过分析Lamb波受损伤作用之后，信号在时域、频域、时频域的特征或者模式变换特征，如信号的飞行时间、幅值、能量、主要频率成分及其幅值、时频幅值、奇异性特征值等等对损伤进行辨识和表征。
但是，受限于数据采集系统的存储空间，单通道数据采集系统采集到的Lamb波传感信号长度有限，这严重影响着后续的信号分析结果，造成损伤辨识和表征误差变大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法，该方法通过增加数据采集通道，利用互相关技术，补偿Lamb波传感信号的长度。
本发明是以如下技术方案实现的：一种基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法，首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后计算两个Lamb波传感信号的互相关函数，求取延迟时间；最后截取补偿信号，对Lamb波传感信号长度进行补偿。
优选的，具体步骤如下
步骤(1)布置补偿传感器：在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，Lamb波传感器A和Lamb波传感器B同步采集，原有Lamb波传感器A采集到的Lamb波传感信号为fA(t)，Lamb波传感器B采集到的Lamb波传感信号为fB(t)，t为采样时间；
步骤(2)使用互相关计算fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc：
①根据互相关的定义，计算两个Lamb波传感信号fA(t)和fB(t)的互相关函数，如公式(1)所示：
R(n)＝∑[fA(t)·fB(t+n)] (1)
式(1)中：R(n)为fA(t)和fB(t)两个Lamb波传感信号的互相关函数；n为相对延迟时间；fA(t)为原有传感器A采集到的Lamb波传感信号；fB(t)为补偿传感器B采集到的Lamb波传感信号；A为原有Lamb波传感器的编号；B为补偿传感器的编号；t为采样时间；
②提取互相关函数R(n)的最大值点对应的相对延迟时间tN，再减去fA(t)的信号时间长度T，得到fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc，如公式(2)所示：
tc＝tN-T (2)
式(2)中：tc为fB(t)相对于fA(t)的延迟时间；tN为R(n)的最大值对应的相对延迟时间；T为fA(t)的信号时间长度；
步骤(3)从fB(t)中截取补偿信号f’B(t)：
根据步骤(2)求取的fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc，从fB(t)中截取相应长度的信号作为补偿信号f’B(t)，
①当tc<0时，从fB(t)第一个采样时刻开始，向后截取时间长度为|tc|的信号；
②当tc≥0时，从fB(t)最后一个采样时刻开始，向前截取时间长度为tc的信号；
步骤(4)Lamb波传感信号长度补偿：
①当tc<0时，将步骤三获得的补偿信号f’B(t)补充到fA(t)的前端；
②当tc≥0时，将步骤三获得的补偿信号f’B(t)补充到fA(t)的后端。
本发明的有益效果如下：
1、降低了Lamb波传感信号采集对数据采集系统存储空间的要求；
2、增加了Lamb波传感信号的采样长度；
3、提高了后续的Lamb波传感信号处理与分析的精确性；
4、有助于促进基于Lamb波的结构健康监测方法在工程结构健康监测领域中的应用。
附图说明
图1是本发明流程框图；
图2是实施例中，试件形状、压电传感器位置示意图；
图3是传感器A采集到的Lamb波传感信号fA(t)；
图4是传感器B采集到的Lamb波传感信号fB(t)；
图5是fA(t)和fB(t)的互相关函数R(n)；
图6是从fB(t)中截取的补偿信号f’B(t)；
图7是补偿后的Lamb波传感信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本方法首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后计算两个Lamb波传感信号的互相关函数，求取延迟时间；最后截取补偿信号，对Lamb波传感信号长度进行补偿。
如图1所示，本方法是在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B；A和B两个Lamb波传感器同步采集，得到Lamb波传感信号fA(t)和fB(t)；对同步采集的两个Lamb波传感信号fA(t)和fB(t)进行互相关运算，得到互相关函数R(n)；根据互相关函数R(n)的最大值点对应的相对延迟时间tN和fA(t)的信号时间长度T，计算fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc；根据fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc，从fB(t)中截取相应时间长度的信号作为补偿信号f’B(t)；对Lamb波传感信号的长度进行补偿。
实施例试件为一块1000mm×1000mm×2mm(长×宽×厚)的7075铝合金。激励/传感元件为PZT-5A型压电传感器，PZT-5A型压电传感器的直径为8mm、厚度为0.4mm。实验设备为航空结构健康监测集成压电多通道扫查系统。
本实施例包括如下步骤：
步骤一：布置补偿传感器
在原有Lamb波传感器A下方50mm处布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，如图2所示。A和B两个Lamb波传感器同步采集，原有传感器A采集到的Lamb波传感信号为fA(t)，如图3所示，补偿传感器B采集到的Lamb波传感信号为fB(t)，如图4所示。
步骤二：使用互相关计算fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc
①根据互相关的定义，计算两个Lamb波传感信号fA(t)和fB(t)的互相关函数，如图5所示。
②提取互相关函数R(n)的最大值点对应的相对延迟时间tN＝0.153ms，再减去fA(t)的信号时间长度T＝0.2ms，得到fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc＝-0.047ms。
步骤三：从fB(t)中截取补偿信号f’B(t)
根据步骤二求取的fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc＝-0.047ms，从fB(t)第一个采样时刻开始，向后截取时间长度为0.047ms的信号作为补偿信号f’B(t)，如图6所示。
步骤四：Lamb波传感信号长度补偿
将步骤三获得的补偿信号f’B(t)补充到fA(t)的前端，如图7所示。

Claims (2)

1.一种基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法，其特征在于:首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后计算两个Lamb波传感信号的互相关函数，求取延迟时间；最后截取补偿信号，对Lamb波传感信号长度进行补偿。
2.根据权利要求1所述的基于互相关的Lamb波传感信号长度补偿方法，其特征在于：具体步骤如下
步骤(1)布置补偿传感器：在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，Lamb波传感器A和Lamb波传感器B同步采集，原有Lamb波传感器A采集到的Lamb波传感信号为fA(t)，Lamb波传感器B采集到的Lamb波传感信号为fB(t)，t为采样时间；
步骤(2)使用互相关计算fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc：
①根据互相关的定义，计算两个Lamb波传感信号fA(t)和fB(t)的互相关函数，如公式(1)所示：
R(n)＝∑[fA(t)·fB(t+n)] (1)
式(1)中：R(n)为fA(t)和fB(t)两个Lamb波传感信号的互相关函数；n为相对延迟时间；fA(t)为原有传感器A采集到的Lamb波传感信号；fB(t)为补偿传感器B采集到的Lamb波传感信号；A为原有Lamb波传感器的编号；B为补偿传感器的编号；t为采样时间；
②提取互相关函数R(n)的最大值点对应的相对延迟时间tN，再减去fA(t)的信号时间长度T，得到fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc，如公式(2)所示：
tc＝tN-T (2)
式(2)中：tc为fB(t)相对于fA(t)的延迟时间；tN为R(n)的最大值对应的相对延迟时间；T为fA(t)的信号时间长度；
步骤(3)从fB(t)中截取补偿信号f’B(t)：
根据步骤(2)求取的fB(t)相对于fA(t)的延迟时间tc，从fB(t)中截取相应长度的信号作为补偿信号f’B(t)，
①当tc<0时，从fB(t)第一个采样时刻开始，向后截取时间长度为|tc|的信号；
②当tc≥0时，从fB(t)最后一个采样时刻开始，向前截取时间长度为tc的信号；
步骤(4)Lamb波传感信号长度补偿：
①当tc<0时，将步骤三获得的补偿信号f’B(t)补充到fA(t)的前端；
②当tc≥0时，将步骤三获得的补偿信号f’B(t)补充到fA(t)的后端。
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