CN112881529B - 基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，包括接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；对每次接收到的信号进行处理，获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。实施本发明，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

Description

基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统

技术领域

本发明涉及复合材料结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统。

背景技术

复合材料具有重量轻、强度高以及其他所需的机械性能，在工业中被广泛使用。但是，复合材料易于产生缺陷，在应用过程中可靠性降低，威胁到结构的安全性能，同时考虑到工业上应用的复合材料结构参数不一，大型复杂结构会使用材料参数不同的复合材料以实现结构的不同功能。因此，对于材料参数不同的复合材料结构，对其进行损伤监测非常重要。

近些年来，对复合材料结构进行损伤监测有了很多方法，各种技术的使用促进了对结构监测技术的发展。材料参数已知的复合材料结构，可以方便运用有限元分析技术进行模拟，在实际中也可以采取多种有效的损伤监测技术，如红外成像、声发射、电涡流等，结合定位算法即可对损伤位置进行估计。

但是，对于材料参数未知的复合材料结构，需要先进行材料参数获取的实验，再通过计算得到结构的材料参数之后，才能进行损伤监测。因此，有必要提出一种对材料参数未知的复合材料结构损伤在线监测方法，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，所述方法包括以下步骤：

S1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

S2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

S3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

其中，所述方法进一步包括：

采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

其中，对各阵元进行Lamb波信号激励均是通过函数产生器调取50KHz Lamb波信号函数之后，再利用放大器放大作用在相应一阵元上来实现的。

其中，所述预设的导向矢量公式为

其中，

a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量；θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；

且x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为光速，M为阵元总数；τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。

本发明实施例还提供了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，包括：

信号接收单元，用于接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

导向矢量阵获取单元，用于对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

损伤监测区域获取单元，用于将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

其中，还包括：

损伤点位置估计单元，用于采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

其中，所述预设的导向矢量公式为

其中，

a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量；θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；

且x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为光速，M为阵元总数；τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明利用利用激光压电技术，获取复合材料结构内部Lamb波传播情况，以激光头在各阵元每次激励时所形成的信号来获取各扫描点对所有阵元的导向矢量阵，并根据导向矢量阵的欧氏距离计算值来表示差异性，对损伤监测区域及冲击位置进行估计，从而无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法中复合材料结构损伤监测所搭建的激光实验装置布置图；

图3为本发明实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法中扫描点至阵元之间的直达路径无差异时间延迟示意图；

图4为本发明实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

发明人发现，通过压电传感器对复合材料结构进行激励，激光以非接触监测板内Lamb波传播情况时，波传播至损伤位置处会发生散射现象。因此，可以根据激光采集的Lamb波散射信号，经过信号处理技术提取信号特征后，结合定位算法对损伤位置进行估计。故，基于上述理论，发明人提出了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法。

如图1所示，为本发明实施例中，发明人提出了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，该方法用于未知材料参数的复合材料板上，该复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，具体包括以下步骤：

步骤S1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

具体过程为，对于一块未知参数的复合材料板，按照如图2所示搭建实验装置，在复合材料板上布置一列M(如7)个阵元的线阵传感器，由函数产生器调取50KHz Lamb波信号函数之后，再经放大器放大对每个阵元分别进行激励，每对一个阵元进行激励，激光头对预先设置的所有扫描点(N个)进行扫描一次。经过M次扫描，可以得到不同激励阵元得到的全局扫描信息(含有N个扫描点信号)。

步骤S2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

具体过程为，首先，考虑到导向矢量表示的是信号在空间中的信息，包含信号空间相位的全部信息，其中就包括时间延迟响应。鉴于在直达路径上时间延迟不会产生差异(如图3所示)，而对于信号发生散射(即损伤位置)的时间延迟会产生偏差，因此可以认为，对于信号传播路径上直达波的时间延迟与以往冲击点激励阵列传感器接收的信息是一致的。

此时，对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟。

其次，对于导向矢量，可以采用公式(1)表示：

a(ω₀)＝exp(-jω₀τ_ki) (1)

式中，k＝1...M；i＝1...N；

c为光速，λ为波长。

对于线阵来说，阵元间的相互延迟表达式，如公式(2)所示：

式中，τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟；x_k(k＝1，2，...，M)x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置；信号入射参数假设为θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角(即与线阵法线的夹角)。

因此，可以基于公式(2)，将公式(1)变换为关于方位角θ有关的导向矢量公式。如公式(3)所示：

其中，a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量。

在数学方法上，计算出波长和方位角，即能得到相应扫描点的导向矢量。而在激光压电阵列方法中，由于在直达路径上的直达波时间延迟无差异性特征，因此，可以利用在线性阵列M个阵元上激励获取的各扫描点直达波时间延迟作为导向矢量当中的τ_ki，从而得到激光压电阵列方法当中的导向矢量阵。

由此可见，将同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟代入导向矢量公式(3)中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵。

步骤S3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

具体过程为，获取完所有扫描点的导向矢量阵之后，由于导向矢量是一个带虚数单位的量，在比较处理时，取导向矢量虚数单位的实部量。因此，每一个扫描点可由该点对不同阵元激励的导向矢量中的实部单位表示，因为是线性阵列，所以可以描述为一列向量。通过对各列向量之间取欧式距离，可以得到不同扫描点之间的导向矢量差异信息，并根据该差异信息，可对激光压电技术采集到的待定位损伤点的阵列信号进行监测并估计冲击位置。

因此，将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且进一步可以获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域输出为损伤监测区域。

在本发明实施例中，导向矢量差异越小，则导向矢量的实部单位特征越相近，使得待定位损伤点的冲击位置在该扫描点的位置附近的可能性越大。因此，该方法进一步包括：

采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

基于图2和图3，对本发明实施例中提出的一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法的应用场景做进一步说明：

以一未知材料参数的复合材料结构板为例，尺寸为300mm×300mm×2mm，铺层信息及纤维方向不详，通过夹持装置夹持住该复合材料板，将其稳固直立放置，在其中心粘贴一列7阵元传感器阵列，通过图2连接激光压电设备，使激光束垂直打中该材料板上，在用户界面中调整激光焦距、距离、设置参考点等一系列操作，轻微拨动材料板，观察激光压电用户界面是否有信号图像产生，确保激光压电设备正常工作。主要步骤包括以下几个部分：

(1)压电激励：在设置完激光相关参数之后，在函数产生器中调取50KHz Lamb波信号函数，经放大器放大后作用在材料板正中心的压电传感器上，7个传感器依次分别单独激励；

(2)激光扫描：在对压电片完成激励后，激光束开始按照预先设置好的扫描点进行有序扫描。对不同传感器激励均需重新扫描一次，因此在本案例中激光束共计扫描7次；

(3)导向矢量阵的获取：对激光扫描到的信号进行处理后，得到同一空间位置下的各传感器接收信号的时间延迟量，将该时间延迟量带入导向矢量公式当中，得到各扫描点的导向矢量阵；

(4)损伤监测区域的获取：导向矢量是一个带虚部单位的虚数，在处理时取所有导向矢量的实部特征，每一个扫描点的导向矢量可用实部单位描述的向量来表示，通过对向量之间取欧式距离，可以得到不同扫描点之间的导向矢量差异信息，差异越小导向矢量的实部单位特征越相近，则冲击位置在该扫描点的位置附近的可能性越大，根据该差异信息，可对激光压电技术采集到的故障源信号进行监测并估计冲击位置。

如图4所示，为本发明实施例中，提供的一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，包括：

信号接收单元110，用于接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

导向矢量阵获取单元120，用于对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

损伤监测区域获取单元130，用于将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

其中，还包括：

损伤点位置估计单元，用于采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

其中，所述预设的导向矢量公式为

其中，

a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量；θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；

且x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为光速，M为阵元总数；τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明利用利用激光压电技术，获取复合材料结构内部Lamb波传播情况，以激光头在各阵元每次激励时所形成的信号来获取各扫描点对所有阵元的导向矢量阵，并根据导向矢量阵的欧氏距离计算值来表示差异性，对损伤监测区域及冲击位置进行估计，从而无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，所述方法包括以下步骤：

S1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

S2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

S3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

2.如权利要求1所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

3.如权利要求1所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，对各阵元进行Lamb波信号激励均是通过函数产生器调取50KHz Lamb波信号函数之后，再利用放大器放大作用在相应一阵元上来实现的。

4.如权利要求1或2所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，所述预设的导向矢量公式为

其中，a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量；θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数，λ为波长；

且x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为Lamb波波速，M为阵元总数；τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。

5.一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，其特征在于，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，包括：

信号接收单元，用于接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；

导向矢量阵获取单元，用于对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；

损伤监测区域获取单元，用于将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。

6.如权利要求5所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，其特征在于，还包括：

损伤点位置估计单元，用于采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。

7.如权利要求5或6所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，其特征在于，所述预设的导向矢量公式为

其中，a(θ_i)为第i个扫描点的导向矢量；θ_i(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数，λ为波长；

且x_k(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为Lamb波波速，M为阵元总数；τ_ki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。

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