CN107860823A - 一种复合材料结构的损伤监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料结构的损伤监测系统，包括压力传感器网络、压电传感器配置机构、电荷放大器和数据采集处理器；所述压力传感器网络由均匀布置在复合材料机构上的多个压电传感器组成；所述压力传感器网络经压电传感器配置机构连接至电荷放大器，所述压电传感器配置机构包括撞击监测配置模块和损伤监测配置模块；所述电荷放大器连接至数据采集处理器。本发明复合材料结构的损伤监测系统可以对复合材料结构上同时出现的多个不同类损伤信号进行分离，适用于实际构件，并能更准确的对复合材料结构损伤状态作出评估，准确性高。

Description

一种复合材料结构的损伤监测系统

技术领域

本发明涉及结构损伤检测领域，具体是一种复合材料结构的损伤监测系统。

背景技术

复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保留了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。伴随着科学技术的进步，复合材料在各个技术领域的应用也越来越广泛，如航空航天技术领域，美国军机中复合材料的比重从F-15E的2%提高到F-35/CV舰载型的35.2%。欧洲台风战机的复合材料用量为40%。对于商用飞机，美国波音公司B777的复合材料用量为11%，而B787的复合材料则达到整个飞机结构重量的50%。欧洲空客公司A320的复合材料用量仅占10%，A38O增大到23%，而最新的A350W则提升为52%。而且，飞机中的许多复合材料结构面积较大，如台风战机的复合材料机翼、B787中的复合材料机身、A38O中的复合材料中央翼盒等。

复合材料结构虽然具有优异的材料结构特性，然而在服役中也可能会发生损伤。除了服役环境、结构老化和整体化制造时的操作不当等，外部撞击也是导致复合材料结构损伤的主要原因之一。

目前，常采用基于压电传感器和兰姆波的损伤监测方法对复合材料结构进行大面积损伤监测。由于监测面积大，需要布置数目较多的压电传感器组成大型传感器网络。在实际损伤监测中，一般要求对整个大型传感器网络进行扫查，并对扫查得到的大量兰姆波传感信号进行分析处理，使得损伤监测的任务量很大，执行效率低。如何实现大面积复合材料结构的快速损伤监测仍是一个函待解决的实际工程问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料结构的损伤监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复合材料结构的损伤监测系统，包括压力传感器网络、压电传感器配置机构、电荷放大器和数据采集处理器；所述压力传感器网络由均匀布置在复合材料机构上的多个压电传感器组成；

所述压力传感器网络经压电传感器配置机构连接至电荷放大器，所述压电传感器配置机构包括撞击监测配置模块和损伤监测配置模块，所述撞击监测配置模块用于从布置在复合材料结构中的整个压力传感器网络中选择用于对所述复合材料结构进行撞击监测的压电传感器，所选择的压电传感器用于当所述复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器通过所选择的压电传感器同步采集撞击响应信号，并根据所述撞击响应信号进行撞击监测得到撞击事件参数；所述损伤监测配置模块用于根据所述撞击事件参数确定损伤监测区域，并从所述整个压力传感器网络中选择用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器；

所述电荷放大器连接至数据采集处理器，所述电荷放大器用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器所输出的接收信号进行放大处理，并输出传感信号给所述数据采集处理器；所述数据采集处理器用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，得到接收波形信号；对所述接收波形信号进行预处理，得到预处理后的数据矩阵；对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离后的信号；对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。

作为本发明进一步的方案：所述信号采集器包括撞击响应信号调理单元和多通道信号同步采集单元，撞击响应信号调理单元与用于撞击监测的多个压电传感器相连，撞击响应信号调理单元用于对多个压电传感器输出的多路撞击响应信号分别进行滤波和放大，多通道信号同步采集单元用于对撞击响应信号调理单元输出的多路信号进行模数转化并同步采集。

作为本发明再进一步的方案：所述数据采集处理器包括原始波形信号提取单元、信号预处理单元、稀疏盲源分离单元和信号后处理单元，原始波形信号提取单元、信号预处理单元、稀疏盲源分离单元和信号后处理单元依次相连；所述原始波形信号提取单元用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，输出接收波形信号；所述信号预处理单元用于对所述接收波形信号进行预处理，输出预处理后的数据矩阵；所述稀疏盲源分离单元用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，输出分离后的信号；所述后处理单元用于对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。

作为本发明再进一步的方案：所述所述信号预处理单元包括带通滤波器子单元、有效数据提取子单元、中心化子单元和预白化子单元；所述带通滤波器子单元用于对所述接收波形信号进行低频载荷信号滤除处理，并输出无载荷接收信号；所述有效数据提取子单元用于对所述带通滤波器子单元输出的无载荷接收信号进行有效的接收数据段截取处理，并输出有效接收信号；所述中心化子单元用于对所述有效数据提取子单元输出的有效接收信号进行中心化处理，并输出中心化接收信号；所述预白化子单元用于对所述中心化子单元输出的中心化接收信号进行预白化处理，并输出所述预处理后的数据矩阵。

作为本发明再进一步的方案：所述稀疏盲源分离单元包括稀疏表示子单元、混合矩阵估计子单元、信号估计子单元和信号重构子单元；所述稀疏表示子单元用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏表示，并输出稀疏混合信号；所述混合矩阵估计子单元用于对所述稀疏表示子单元输出的稀疏混合信号进行混合矩阵估计，并输出稀疏混合矩阵；所述信号估计子单元用于对所述混合矩阵估计子单元输出的稀疏混合矩阵和所述稀疏表示子单元输出的稀疏混合信号进行信号估计，并输出稀疏源信号；所述信号重构子单元用于对所述信号估计子单元输出的稀疏源信号进行信号重构，并得到所述分离后的信号。

作为本发明再进一步的方案：所述数据采集处理器还包括损伤类型分析单元，损伤类型分析单元连接所述后处理单元，损伤类型分析单元用于分析所述分离信号的时频特性并将所述分离信号的时频特性与己知的各种损伤类型及损伤程度的接收信号的时频特性进行比较，以确定所述分离信号对应的损伤类型及损伤程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明复合材料结构的损伤监测系统仅对复合材料结构中与撞击事件关联的损伤监测区域进行损伤监测，而无需利用整个压电传感器网络对其覆盖的整个被测复合材料结构进行损伤监测，使得损伤监测的压电传感器的轮询次数极大减小，减小了需要采集并处理的兰姆波传感信号的数量，有效提高了损伤监测效率；

2、本发明复合材料结构的损伤监测系统可以对复合材料结构上同时出现的多个不同类损伤信号进行分离，适用于实际构件，并能更准确的对复合材料结构损伤状态作出评估，准确性高；

3、本发明复合材料结构的损伤监测系统可以对各种工况下的复合材料结构进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。

附图说明

图1为复合材料结构的损伤监测系统的结构示意图。

图2为复合材料结构的损伤监测系统中数据采集处理器的结构示意图。

图中：1-压力传感器网络、11-压电传感器、2-压电传感器配置机构、21-撞击监测配置模块、22-损伤监测配置模块、3-电荷放大器、4-数据采集处理器、41-原始波形信号提取单元、42-信号预处理单元、421-带通滤波器子单元、422-有效数据提取子单元、423-中心化子单元、424-预白化子单元、43-稀疏盲源分离单元、431-稀疏表示子单元、432-混合矩阵估计子单元、433-信号估计子单元、434-信号重构子单元、44-信号后处理单元。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，一种复合材料结构的损伤监测系统，包括压力传感器网络1、压电传感器配置机构2、电荷放大器3和数据采集处理器4；所述压力传感器网络1由均匀布置在复合材料机构上的多个压电传感器11组成，组成压力传感器网络1的压电传感器11的数量及排列方式根据实际需求而定，在排布压电传感器11的过程中，要尽可能的保证排布均匀；

所述压力传感器网络1经压电传感器配置机构2连接至电荷放大器3，所述压电传感器配置机构2包括撞击监测配置模块21和损伤监测配置模块22，所述撞击监测配置模块21用于从布置在复合材料结构中的整个压力传感器网络1中选择用于对所述复合材料结构进行撞击监测的压电传感器11，所选择的压电传感器11用于当所述复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器通过所选择的压电传感器11同步采集撞击响应信号，并根据所述撞击响应信号进行撞击监测得到撞击事件参数，其中，所述信号采集器包括撞击响应信号调理单元和多通道信号同步采集单元，撞击响应信号调理单元与用于撞击监测的多个压电传感器11相连，用于对多个压电传感器11输出的多路撞击响应信号分别进行滤波和放大，多通道信号同步采集单元用于对撞击响应信号调理单元输出的多路信号进行模数转化并同步采集。对撞击响应信号进行滤波和放大处理的好处在于，不仅滤除了噪声，而且提高了处理后的撞击响应信号信噪比。布置在复合材料结构中的整个压力传感器网络1是用于后面的高精度损伤监测，而从整个压力传感器网络1中选择部分压电传感器11对复合材料结构进行损伤监测前的撞击监测，即所选择的压电传感器11不仅用于撞击监测，后续还可能被再次选择，用于高精度损伤监测，而整个压力传感器网络1中剩余的压电传感器11如果在后续损伤监测操作中被选中的话，则仅用于损伤监测。需要说明的是，所选择的压电传感器11需要满足能够对整个复合材料结构进行撞击监测，而不能只集中在某个区域。这样可保证能采集到发生在复合材料结构任一位置的撞击引起的撞击响应信号，从而实现撞击监测。选择的压电传感器11数目越多，用于撞击监测的压电传感器11越密集，撞击监测结果越可靠，然而，受限于实际撞击监测设备的通道数，一般最多选择60个压电传感器；

所述损伤监测配置模块22用于根据所述撞击事件参数确定损伤监测区域，并从所述整个压力传感器网络1中选择用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器11。

根据撞击事件参数中的撞击能量等级、撞击位置的监测精度和/或所述被测复合材料结构的特性，确定作用距离，以所述撞击事件参数中的撞击位置为中心点，根据所述作用距离和所述中心点，构建设定形状的区域作为损伤监测原始区域；其中，设定形状可以包括圆形、方形或其他形状；需要说明的是，如果撞击位置的监测精度较低，则确定的作用距离较大，以保证撞击位置在损伤监测原始区域内；如果结构材料对撞击很敏感，即撞击导致的损伤面积较大，则确定的作用距离也较大，保证损伤监测原始区域能包含待监测的损伤范围。将所述损伤监测原始区域所覆盖以及部分覆盖的损伤监测子区域，确定为损伤监测区域，其中，所述损伤监测子区域通过对所述被测复合材料结构预先划分得到。

预先对被测复合材料结构进行区域划分，得到各损伤监测子区域，可按整个压电传感器网络中设定数量的相邻压电传感器所围成的区域对被测复合材料结构进行区域划分，也即每个损伤监测子区域对应整个压电传感器网络中设定数量的相邻压电传感器所围成的区域。例如，按照每相邻四个压电传感器确定一个损伤监测子区域的方式，划分为多个损伤监测子区域。对每个损伤监测子区域进行损伤监测的压电传感器位于子区域的四个角上。

需要说明的是，损伤监测子区域的划分与结构特点、选用的损伤监测方法相关。如果信号在结构衰减大，传播距离短，且结构形式复杂，就需要减小损伤监测子区域的面积，并增大监测该子区域的压电传感器数量，保证损伤监测结果的准确性。

所述电荷放大器3连接至数据采集处理器4，所述电荷放大器3用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器11所输出的接收信号进行放大处理，并输出传感信号给所述数据采集处理器4；

所述数据采集处理器4用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，得到接收波形信号；对所述接收波形信号进行预处理，得到预处理后的数据矩阵；对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离后的信号；对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号；

所述数据采集处理器4包括原始波形信号提取单元41、信号预处理单元42、稀疏盲源分离单元43和信号后处理单元44，原始波形信号提取单元41、信号预处理单元42、稀疏盲源分离单元43和信号后处理单元44依次相连；所述原始波形信号提取单元41用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，输出接收波形信号；所述信号预处理单元42用于对所述接收波形信号进行预处理，输出预处理后的数据矩阵；所述稀疏盲源分离单元43用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，输出分离后的信号；所述后处理单元44用于对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号；

所述所述信号预处理单元42包括带通滤波器子单元421、有效数据提取子单元422、中心化子单元423和预白化子单元424；所述带通滤波器子单元421用于对所述接收波形信号进行低频载荷信号滤除处理，并输出无载荷接收信号；所述有效数据提取子单元422用于对所述带通滤波器子单元421输出的无载荷接收信号进行有效的接收数据段截取处理，并输出有效接收信号；所述中心化子单元423用于对所述有效数据提取子单元422输出的有效接收信号进行中心化处理，并输出中心化接收信号；所述预白化子单元424用于对所述中心化子单元423输出的中心化接收信号进行预白化处理，并输出所述预处理后的数据矩阵。

所述稀疏盲源分离单元43包括稀疏表示子单元431、混合矩阵估计子单元432、信号估计子单元433和信号重构子单元434；所述稀疏表示子单元431用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏表示，并输出稀疏混合信号；所述混合矩阵估计子单元432用于对所述稀疏表示子单元431输出的稀疏混合信号进行混合矩阵估计，并输出稀疏混合矩阵；所述信号估计子单元433用于对所述混合矩阵估计子单元432输出的稀疏混合矩阵和所述稀疏表示子单元431输出的稀疏混合信号进行信号估计，并输出稀疏源信号；所述信号重构子单元434用于对所述信号估计子单元433输出的稀疏源信号进行信号重构，并得到所述分离后的信号。

所述数据采集处理器4还包括损伤类型分析单元45，损伤类型分析单元45连接所述后处理单元44，损伤类型分析单元45用于分析所述分离信号的时频特性并将所述分离信号的时频特性与己知的各种损伤类型及损伤程度的接收信号的时频特性进行比较，以确定所述分离信号对应的损伤类型及损伤程度。例如：获得三个分离信号A、B、C，通过分析分离信号A、B、C的时频特性，将分离信号A、B、C的时频特性与己知的基体开裂、脱胶、分层和纤维断裂这些损伤类型的接收信号的时频特性进行比较，发现分离信号A的时频特性与开裂损伤类型的接收信号的时频特性相同，则确定分离信号A对应的损伤类型为开裂；发现分离信号B的时频特性与脱胶损伤类型的接收信号的时频特性相同，则确定分离信号B对应的损伤类型为脱胶；发现分离信号C的时频特性与分层损伤类型的接收信号的时频特性相同，则确定分离信号C对应的损伤类型为分层。同理，获取该分离信号所对应的损伤程度。

本发明复合材料结构的损伤监测系统仅对复合材料结构中与撞击事件关联的损伤监测区域进行损伤监测，而无需利用整个压电传感器网络对其覆盖的整个被测复合材料结构进行损伤监测，使得损伤监测的压电传感器的轮询次数极大减小，减小了需要采集并处理的兰姆波传感信号的数量，有效提高了损伤监测效率；本发明复合材料结构的损伤监测系统可以对复合材料结构上同时出现的多个不同类损伤信号进行分离，适用于实际构件，并能更准确的对复合材料结构损伤状态作出评估，准确性高；本发明复合材料结构的损伤监测系统可以对各种工况下的复合材料结构进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，包括压力传感器网络（1）、压电传感器配置机构（2）、电荷放大器（3）和数据采集处理器（4）；所述压力传感器网络（1）由均匀布置在复合材料机构上的多个压电传感器（11）组成；

所述压力传感器网络（1）经压电传感器配置机构（2）连接至电荷放大器（3），所述压电传感器配置机构（2）包括撞击监测配置模块（21）和损伤监测配置模块（22），所述撞击监测配置模块（21）用于从布置在复合材料结构中的整个压力传感器网络（1）中选择用于对所述复合材料结构进行撞击监测的压电传感器（11），所选择的压电传感器（11）用于当所述复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器通过所选择的压电传感器（11）同步采集撞击响应信号，并根据所述撞击响应信号进行撞击监测得到撞击事件参数；所述损伤监测配置模块（22）用于根据所述撞击事件参数确定损伤监测区域，并从所述整个压力传感器网络（1）中选择用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器（11）；

所述电荷放大器（3）连接至数据采集处理器（4），所述电荷放大器（3）用于对所述损伤监测区域进行损伤监测的压电传感器（11）所输出的接收信号进行放大处理，并输出传感信号给所述数据采集处理器（4）；所述数据采集处理器（4）用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，得到接收波形信号；对所述接收波形信号进行预处理，得到预处理后的数据矩阵；对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离后的信号；对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。

2.根据权利要求1所述的复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，所述信号采集器包括撞击响应信号调理单元和多通道信号同步采集单元，撞击响应信号调理单元与用于撞击监测的多个压电传感器（11）相连，撞击响应信号调理单元用于对多个压电传感器（11）输出的多路撞击响应信号分别进行滤波和放大，多通道信号同步采集单元用于对撞击响应信号调理单元输出的多路信号进行模数转化并同步采集。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，所述数据采集处理器（4）包括原始波形信号提取单元（41）、信号预处理单元（42）、稀疏盲源分离单元（43）和信号后处理单元（44），原始波形信号提取单元（41）、信号预处理单元（42）、稀疏盲源分离单元（43）和信号后处理单元（44）依次相连；所述原始波形信号提取单元（41）用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，输出接收波形信号；所述信号预处理单元（42）用于对所述接收波形信号进行预处理，输出预处理后的数据矩阵；所述稀疏盲源分离单元（43）用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，输出分离后的信号；所述后处理单元（44）用于对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。

4.根据权利要求3所述的复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，所述所述信号预处理单元（42）包括带通滤波器子单元（421）、有效数据提取子单元（422）、中心化子单元（423）和预白化子单元（424）；所述带通滤波器子单元（421）用于对所述接收波形信号进行低频载荷信号滤除处理，并输出无载荷接收信号；所述有效数据提取子单元（422）用于对所述带通滤波器子单元（421）输出的无载荷接收信号进行有效的接收数据段截取处理，并输出有效接收信号；所述中心化子单元（423）用于对所述有效数据提取子单元（422）输出的有效接收信号进行中心化处理，并输出中心化接收信号；所述预白化子单元（424）用于对所述中心化子单元（423）输出的中心化接收信号进行预白化处理，并输出所述预处理后的数据矩阵。

5.根据权利要求4所述的复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，所述稀疏盲源分离单元（43）包括稀疏表示子单元（431）、混合矩阵估计子单元（432）、信号估计子单元（433）和信号重构子单元（434）；所述稀疏表示子单元（431）用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏表示，并输出稀疏混合信号；所述混合矩阵估计子单元（432）用于对所述稀疏表示子单元（431）输出的稀疏混合信号进行混合矩阵估计，并输出稀疏混合矩阵；所述信号估计子单元（433）用于对所述混合矩阵估计子单元（432）输出的稀疏混合矩阵和所述稀疏表示子单元（431）输出的稀疏混合信号进行信号估计，并输出稀疏源信号；所述信号重构子单元（434）用于对所述信号估计子单元（433）输出的稀疏源信号进行信号重构，并得到所述分离后的信号。

6.根据权利要求5所述的复合材料结构的损伤监测系统，其特征在于，所述数据采集处理器（4）还包括损伤类型分析单元（45），损伤类型分析单元（45）连接所述后处理单元（44），损伤类型分析单元（45）用于分析所述分离信号的时频特性并将所述分离信号的时频特性与己知的各种损伤类型及损伤程度的接收信号的时频特性进行比较，以确定所述分离信号对应的损伤类型及损伤程度。