一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法技术

本发明专利技术公开了一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，通过对监测信号和最优基准信号进行重构处理，计算重构后的监测信号和基准信号间的相似性，根据相似性大小判断是否有损伤存在；若有损伤存在，对损伤潜在区域的传播路径求解损伤指数，结合损伤指数与结构受损情况的回归模型输出结构受损程度，本发明专利技术所提出的超声结构健康监测方法能够实现在温度变化环境下，对结构进行实时监测且信号的处理过程简单，能够快速输出结构检测结果。

A method of ultrasonic structural health monitoring in temperature changing environment

【技术实现步骤摘要】
一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法
本专利技术属于无损检测和结构健康监测
，尤其是一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法。
技术介绍
无损检测属于离线测量，可以利用手持或者大型的设备对结构的表面和内部的缺陷进行非破坏性判定。无损检测一般由专业人品定期到现场测量实现。而且有时候对于装在设备内部的复杂结构，需要进行耗时耗力的拆卸工作。基于超声导波的结构健康监测技术(SHM)把传感器安装在被监测的结构上，可以长期在线的监测结构状态。结构健康监测技术因为其在线监测，不需要对设备和结构进行拆卸的特性，被广泛应用于航天航空、高速列车、和船舶等领域，可有效提高结构运行过程中的安全性、降低设备的维护成本。在实际应用中，结构所处的工作环境往往温度跨度较大，而超声信号在传播过程中易受温度效应影响而产生相位偏离和幅值波动，这严重影响着监测系统的稳定性。因此，开发稳定高效的温度不敏感损伤指数显得尤为重要，能有助于预防安全事故的发生，避免不必要的经济损失。目前，超声导波无损检测的温度补偿方法主要有：最优基准法(OBS)、基准扩展法(BSS)、基于有限冲击响应数字滤波器的温度补偿法和基于物理模型的温度补偿法。其中，最优基准法依赖于多基准的采集，虽能快速有效地去除温度效应带来的干扰，但是前期工作过于繁复，对硬件设备的要求高，成本偏高；基准扩展法只要单个基准信号变成补偿一段温度范围内的超声信号，但是所补偿的区间过小，当温差较大时，在补偿过程中容易发生信号畸变现象，使得补偿失效；自适应滤波器温度补偿方案很好地削减了基准的采集量，但该方法在线计算量较大，并且当温差较大信号幅值受影响后，补偿效果受到限制；基于物理模型的温度补偿方案前期建模复杂，模拟信号与实测信号间仍存在着一定的差别，目前实际运用率还较低。传统的超声导波温度补偿方案适用于离线状态下的无损检测，通过使用较大的存储空间和性能良好的处理器能实现大数量的基准信号的存储与复杂的计算，以实现高精度的温度补偿。但在结构健康监测领域，需要对结构进行实时监测，数据存储、信号分析处理都要在超声采集分析仪中完成，而分析仪需要固定在结构上，需要分析仪的尺寸尽可能的小，这就限制了内部硬件的配置。因此在此前提下，需要预存的基准数据量尽可能的少，信号的处理过程尽可能的简单，才能实现结果的快速输出。
技术实现思路
为了解决现有技术中的不足，本专利技术提出了一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，能够在温度变化环境下，对结构进行实时监测且信号的处理过程简单，能够快速输出结构检测结果。本专利技术所采用的技术方案如下：步骤1，分别对监测信号和最优基准信号进行重构处理；步骤2，计算重构后的监测信号和基准信号间的相似性，根据相似性大小判断是否有损伤存在；步骤3，若有损伤存在，对损伤潜在区域的传播路径求解损伤指数，结合损伤指数与结构受损情况的回归模型输出结构受损程度；进一步，所述最优基准信号的选取方法为：在结构健康状态下，等温度间隔采集超声信号，并给超声信号进行温度标记，将所有带有温度标记的超声信号建立基准信号数据库；在监测过程中，通过筛选基准信号数据库中与当前监测信号温度最接近的超声信号作为与监测信号的最优基准信号；进一步，所述重构处理方法为：步骤1.1，分别对监测信号和参考信号进行滤波处理，去除环境噪声的影响；步骤1.2，对滤波后的信号分别进行排序重构：u'baseline(n)＝sort(ubaseline(n))u'damage(n)＝sort(udamage(n))其中，ubaseline(n)和udamage(n)分别为滤波后的基准信号和监测信号，sort(x)为排序函数，u'baseline(n)和u'damage(n)分别为排序重构后的基准信号和监测信号。进一步，所述步骤2的过程为：步骤2.1，计算监测信号和基准信号间的相似性：其中，为基准信号的均值，为监测信号的均值。步骤2.2，设定损伤判断阈值Threshold，若R≤Threshold说明有损伤存在，否则，结构健康；进一步，所述步骤3的过程为：步骤3.1，计算重构后的基准信号u'baseline(n)和监测信号u'damage(n)的差值信号；步骤3.2，再对差值信号和基准信号依次进行Hilbert变换，求得各自对应的包络信号；步骤3.3，根据重构后的基准信号、差值信号和对应的包络信号求得损伤指数；步骤3.4，根据各传播路径间的损伤指数大小判断损伤所在区域。进一步，结构健康时，若ΔT≥Δd，则将当前最优基准信号输入基准信号数据库中，实现对基准信号数据库更新，其中，ΔT是当前监测信号的采集温度与最优基准信号间的温差，dT为温度采集间隔。本专利技术的有益效果：首先，本专利技术的监测方法采用对信号排序重构并与基准信号进行相关性计算，能准确判断信号的波动是来自于温度效应的干扰还是损伤的影响，扩大了单个基准信号的补偿区间，结合最优基准法建立基准数据库，极大地减少了基准信号的采集与存储，并且扩展在线监测系统的适用温度范围。其次，通过损伤判断环节，能有效减小CPU的在线运算量，加快了结果的输出；最后，根据信号间的差异计算出相应的损伤指数，结合损伤等级回归模型能有效输出结构的受损程度。同时，本专利技术的监测方法还具有对基准信号数据库进行更新的功能。随着使用时间的推移，粘结层受到外界环境的影响会导致自身性能的衰减，本专利技术通过设置固定的温度采集间隔dT来更新已有的数据库。当扫描信号与筛选出的最优基准间的温度差ΔT大于dT，并且计算得到的信号相似度R>Threshold时，将扫描信号存储至基准信号库中，扩展适用的温度范围。附图说明图1为一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法的流程图；图2为传感器监测网络示意图；图3为滤波前后的时域信号图；图4为不同温度下基准信号间的差异和损伤信号与基准信号间的差异图；图5为基于排序重构后的基准信号与损伤信号；图6为经过损伤预判后的损伤指数图；图7为损伤指数和损伤等级回归模型。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术为了采集结构的超声信号而构建了基于压电陶瓷传感器的超声信号采集系统，该超声信号采集系统具体包括：超声采集分析仪、超声传感器和温度传感器，在超声分析仪中输入激励频率和功放倍数，通过超声传感器进行信号的激励和接收，并通过温度传感器所采集到的温度信息对接收信号u(n)进行标记，进而获得带有温度标记的超声信号。在本实例中，使用Broadsens公司生产的D110C型号超声分析仪，超声分析仪内部包含集成信号发生器模块、信号功率放大器模块、CPU在线计算模块和17路超声传感器通道，每一路支持1发4收，共17本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，分别对监测信号和最优基准信号进行重构处理；/n步骤2，计算重构后的监测信号和基准信号间的相似性，根据相似性大小判断是否有损伤存在；/n步骤3，若有损伤存在，对损伤潜在区域的传播路径求解损伤指数，结合损伤指数与结构受损情况的回归模型输出结构受损程度。/n

【技术特征摘要】
1.一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别对监测信号和最优基准信号进行重构处理；
步骤2，计算重构后的监测信号和基准信号间的相似性，根据相似性大小判断是否有损伤存在；
步骤3，若有损伤存在，对损伤潜在区域的传播路径求解损伤指数，结合损伤指数与结构受损情况的回归模型输出结构受损程度。


2.根据权利要求1所述一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，其特征在于，所述最优基准信号的选取方法为：在结构健康状态下，等温度间隔采集超声信号，并给超声信号进行温度标记，将所有带有温度标记的超声信号建立基准信号数据库；在监测过程中，通过筛选基准信号数据库中与当前监测信号温度最接近的超声信号作为与监测信号的最优基准信号。


3.根据权利要求1所述一种温度变化环境下的超声结构健康监测方法，其特征在于，所述重构处理方法为：
步骤1.1，分别对监测信号和参考信号进行滤波处理；
步骤1.2，对滤波后的信号分别进行排序重构：
u'baseline(n)＝sort(ubaseline(n))
u'damage(n)＝sort(udamage(n))
其中，ubaseline(n)和udamage(n)分别为滤波后的基准信号和监测信号，sort(x)为排序函数，u'b...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈榕，赵俊杰，张昶，
申请(专利权)人：北京博感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11