CN108195326A - 一种基于经验模态分解的撞击定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于经验模态分解的撞击定位方法,通过布设在待测结构上设置的传感器阵列以及小球的自由落体运动，对应力波接收端采集到的撞击信号进行经验模态分解，得到有限多个本征模函数，再结合能量重心定位方法，确定撞击源的位置坐标。本发明公开的撞击定位方法是通过经验模态分解法与能量重心定位法的结合来确定撞击位置即非损伤定位。本发明公开的撞击定位方法与传统的傅里叶分析和小波分析相比精度更高。

Description

一种基于经验模态分解的撞击定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于经验模态分解的撞击定位方法，尤其涉及一种经验模态分解和能量重心定位联合作用下的撞击定位方法，属于被动式结构健康监测领域。
背景技术
撞击定位是结构健康监测技术中至关重要的一步。不管是各向同性还是各向异性结构，都不可避免会受到外来物体的撞击，严重时可能导致结构内部出现损伤，最终致使结构失效。遭到撞击之后，结构内部会产生应力波，应力波会以撞击源为起点沿结构向外扩散。如果在结构表面不同的位置粘贴一些传感器阵列，撞击产生的应力波便会被记录在各个传感器中，只要对传感器接收到的信号进行适当分析和处理，就能成功实现对撞击源的定位。
能够实现精确定位的前提是提取到真实可靠的特征信号。在以前的研究中，国内外都将重点放在了定位的方法上。比较典型的基于波达时间的定位方法，往往由于各向异性结构的频散问题难以提取到准确的波达时间；基于神经网络的定位方法需要大量的样本训练，费时费力。对于撞击信号的处理一般多用傅里叶变换和小波变换进行滤波以及提取信号特征。然而，这两种方法都需要利用特定的函数形式(傅里叶的三角函数，小波变换的小波基函数)对数据进行分解，且傅里叶变换不具备时域特征，小波变换容易产生虚假频率。因此目前需要一种不需要利用特定的函数形式对数据进行分解的具有自适应能力的先进的时频域信号处理方法以获得有效的撞击信号。
发明内容
根据现有问题，本发明公开了一种基于经验模态分解的撞击定位方法：该方法采用经验模态分解和能量重心法对撞击源进行定位，具体包括以下步骤：
S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由四个压电传感器组成的撞击监测区域，且区域中心位置坐标为(0,0)；
S2:将上述传感器分别记为是s1，s2，s3，s4，并将上述监测区域由内到外划分为49个小区域(0-48)；
S3：利用小球固定高度的自由落体运动使待测结构中产生应力波，应力波在监测区域中的某一点产生并迅速向外扩散传到所述压电传感器s1，s2，s3，s4，多通道信息采集系统将记录所述压电传感器接收到的撞击信号；
S4：按照S3的方式完成剩余监测区域的信号采集。每次撞击点均为S2所述小区域的中心位置；
S5：将采集到信号进行有效信号的提取，然后将有效信号分为四组、分别进行不同的分析：第一组信号不再作处理，第二组信号作经验模态分解，第三组作傅里叶分析，第四组作小波分析；
S6：通过S5中所述的处理后的信号，分别计算对应信号的能量p1，p2，p3，p4；
S7:利用所述四个压电传感器s1，s2，s3，s4的位置坐标以及S6所求的对应信号的能量p1，p2，p3，p4求出其能量重心位置坐标，即撞击源位置坐标。
进一步的，步骤S1中所述的待测结构为复合材料薄板结构。
进一步的，所述步骤S3中的小球自由落体运动由固定长度的塑料管完成且撞击事件不会致使结构出现损伤。
进一步的，步骤S5中所述的对信号进行经验模态分解得到有限多个本征模函数，取前五阶本征模函数进行定位且将误差最小的作为撞击源位置坐标。
本发明公开的一种基于经验模态分解的撞击定位方法，通过撞击定位方法能有效实现撞击源位置的识别，通过经验模态分解提高了传统信号处理后的定位精度，并且基于经验模态分解的撞击定位方法有效遏制了由能量重心定位法带来的额外误差。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中布置玻璃纤维复合材料板及撞击监测区域的平面图；
图2为本发明中撞击监测区域内部划分的平面图；
图3为本发明实施例中的一条撞击信号波形图；
图4为本发明实施例中的一条撞击信号进行经验模态分解后的波形图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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清楚完整的描述：
本发明公开了一种基于经验模态分解的撞击定位方法,采用经验模态分解和能量重心法相结合对撞击源进行定位，具体包括以下步骤：
S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由四个压电传感器组成的撞击监测区域，且区域中心位置坐标为(0,0)；
S2:将上述传感器分别记为是s1，s2，s3，s4，并将上述监测区域由内到外划分为49个小区域(0-48)；
S3：利用小球固定高度的自由落体运动使待测结构中产生应力波，应力波在监测区域中的某一点产生并迅速向外扩散传到所述压电传感器s1，s2，s3，s4，多通道信息采集系统将记录所述压电传感器接收到的撞击信号；
S4：按照S3的方式完成剩余监测区域的信号采集。每次撞击点均为S2所述小区域的中心位置；
S5：将采集到信号进行有效信号的提取，然后将有效信号分为四组、分别进行不同的分析：第一组信号不再作处理，第二组信号作经验模态分解，第三组作傅里叶分析，第四组作小波分析；
S6：得到S5中所述处理过的信号后，分别计算对应信号的能量p1，p2，p3，p4；
S7:利用所述四个压电传感器s1，s2，s3，s4的位置坐标以及S6所求的对应信号的能量p1，p2，p3，p4求出其能量重心位置坐标，即撞击源位置坐标。
进一步的，步骤S1中所述的待测结构为复合材料薄板结构。
进一步的，所述步骤S3中的小球自由落体运动由固定长度的塑料管完成且撞击事件不会致使结构出现损伤。
进一步的，步骤S5中所述的对信号进行经验模态分解得到有限多个本征模函数，取前五阶本征模函数进行定位且将误差最小的作为撞击源位置坐标。
实施例：
步骤1：取一块如图1所示复合材料薄板，本实例中选取厚度为0.3cm的玻璃纤维复合材料板，板1尺寸为123cm×103cm。板1上粘接有四个规格相同的压电传感器s1，s2，s3，s4，直径6.5mm，厚度0.25mm。四个传感器围成20cm×20cm的撞击监测区域2。所述撞击监测区域的中心与板1中心重合，为坐标原点，如图1所示。
步骤2：为方便记录数据，将所述撞击监测区域2由内到外有序划分为49个小的撞击区域，如图2所示；
步骤3：为了保证结构在试验中的稳定性，将步骤1中所述复合材料板1的四条边固定。利用小球的自由落体运动对板1中的监测区域2进行撞击。假定撞击源为点源，即每一次小球的落点均为各个小区域的中心；
步骤4：选取监测区域2中的某一撞击区域，利用多通道信息采集系统对步骤3中触发的撞击事件进行信号采集。一般地，信号超过预设阈值即定义为发生撞击事件，系统会自动采集信号。本实例中阈值设为0.25V，采样频率为40.54kHZ；
步骤5：按照步骤4的方式完成剩余小监测区域测的信号采集，典型的撞击信号如图3所示；
步骤6：选取某一个小监测区域采集到的撞击信号，将其作基本处理后分为四组，分别进行不同的分析：第一组信号不再作处理，第二组信号作经验模态分解，第三组作傅里叶分析，第四组作小波分析；
其中，信号作经验模态分解后可以用下式表示：
其中，s(t)为作基本处理后的撞击信号，c(t)为经验模态分解后的本征模函数，r(t)为分解后剩余的余项，n为筛选终止后获得的本征模函数的个数。典型的经验模态分解后的信号如图4所示(IMFi代表第i阶本征模函数，residue代表余项)；
本实例中的傅里叶变换采用快速傅里叶变换，小波变换采用db5小波基进行离散小波变换；
步骤7：按照步骤5和6，将剩余其他撞击区域的信号都分为四组进行处理；
步骤8：根据下式计算各个信号的能量：
其中，s(t)为处理后的撞击信号，t0，tn分别代表撞击信号的起始时间和终止时间。起始时间指信号值第一次超过预设的信号阈值。求出的信号能量分别为p1，p2，p3，p4；
步骤9：能量重心定位法确定撞击源位置坐标。利用四个传感器位置坐标和步骤8中所求信号能量p1，p2，p3，p4，按照下式估算出撞击源位置坐标：
其中，xi和yi分别代表四个传感器的横纵坐标，xc和yc代表估算出的当前撞击事件的位置坐标。
步骤10：按照步骤7,8,9将其他所有小撞击区域的位置坐标计算出来，与真实位置坐标进行比较，求出误差。本实例中的误差属于绝对误差，即估计撞击位置与真实撞击位置之间的直线距离。
下面是本实施例得到的定位结果(选取了10个代表性位置)：
表1原始信号定位结果
表2经验模态分解后定位结果
表3快速傅里叶变换后定位结果
表4离散小波变换后定位结果
根据表1和表2，经验模态分解可以应用于撞击定位并具有较好的定位精度，且有效遏制了由能量重心定位带来的额外误差；对比表2和表3，表4可知，信号经过经验模态分解后的定位结果要比传统的傅里叶分析和小波变换精度更高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于经验模态分解的撞击定位方法，其特征在于：该方法采用基于经验模态分解的信号处理方法和能量重心定位方法对撞击位置进行定位，具体包括以下步骤：
S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由四个压电传感器组成的撞击监测区域，设置该撞击监测区域的中心位置坐标为(0,0)；
S2:将上述传感器分别记为s1，s2，s3，s4，并将上述监测区域由内到外划分为49个小区域；
S3：利用小球固定高度的自由落体运动使待测结构中产生应力波，应力波在监测区域中的某一点产生并向外扩散传到所述压电传感器s1，s2，s3，s4，采用多通道信息采集系统记录所述压电传感器接收到的撞击信号；
S4：按照S3的方式完成剩余监测区域的信号采集，每次撞击点均为S2所述小区域的中心位置；
S5：将采集到信号进行有效信号的提取，然后将有效信号分为四组、分别进行不同的分析：第一组信号不再作处理，第二组信号作经验模态分解，第三组作傅里叶分析，第四组作小波分析；
S6：对S5中分析后的信号分别计算对应信号的能量p1，p2，p3，p4；
S7:利用所述四个压电传感器s1，s2，s3，s4的位置坐标以及S6所求的对应信号的能量p1，p2，p3，p4求出其能量重心位置坐标，即撞击源位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于经验模态分解的撞击定位方法，其特征还在于：步骤S5中所述信号经过经验模态分解后，统一取前五阶本征模函数进行定位,误差最小的作为撞击源位置坐标。
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