一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Ｌａｍｂ波损伤监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Ｌａｍｂ波损伤监测方法，包括下列步骤：在结构中布置双元压电传感阵列；将Ｌａｍｂ波窄带信号加载到压电单元；将采集到的结构响应信号进行归一化处理；分离得到结构损伤散射信号；得到结构内部散射信号；判断得到结构的损伤情况。本方法可以实现对主动Ｌａｍｂ波激励下的内部散射信号与直接传感信号、边界反射信号的分离；不需要健康状态下的结构响应信号作为基准信号，可在任何时候对结构进行监测；无需更改或增加设备和参数，利用通用硬件系统就可以实现；实现方法简单，无需处理或计算信号中的损伤散射信号到达时刻等损伤特征参数就可以实现监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工程结构损伤监测方法，尤其涉及一种不需要先验测试信号作为损 伤监测基准的工程结构损伤监测方法，其采用双元压电传感阵列实现。二
技术介绍
随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起 人们的高度重视，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。 板类或壳类结构是工程结构的主要形式之一，对此类结构的在线损伤监测研究是结构健 康监测技术研究的热点。主动Lamb波技术是目前研究较多的一种板类或壳结构损伤监 测技术。在主动Lamb波损伤监测中，损伤引起的散射信号包含了损伤的相关信息，对 该信号进行分析和处理，就可以得出损伤的位置、范围、程度等参数，因此损伤散射信 y-的iF.确提取对损伤监测和评估尤为关键。但由于损伤散射信号一般能量较小，且与直 接传播信号、边界散射及模式变换信号具有相同的时频域特征，因此采用基于压电阵列 的主动Lamb波监测方法时，很难直接从传感信号中正确分离出损伤散射信号。目前， 绝大多数的主动Lamb波损伤监测方法均采用了基于基准信号的信号分离方法采用结 构健康状态下的响应信号为基准信号，用当前状态下的结构响应与基准信号相减，得到 损伤散射信号。但由于该方法需要健康信号作为基准，在真实条件下应用存在很大的问 题山于基准信号和当前结构响应信号的采集时间不同，存在一定的时间间隔，在真实 条件下很难保证结构和外部条件不发生变化，而细微的变化都将会引起结构响应信号的 变化，如环境温度、结构边界及应力状况、外部振动等，且驱动器/传感器性能也受到温 度等因素的影响，由于损伤散射信号能量本身就较弱，采用基于基准信号的方法时，损 伤散射信号很容易就淹没在结构和外部条件变化所引起的信号变化和噪声中，也就很难 实现损伤监测；同时，当采集基准信号之前结构中已经存在损伤时，基于基准信号的方 法无法提取出由该损伤产生的损伤散射信号，也就无法实现对它的监测。三
技术实现思路
1、 技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于双元压电传感阵列和时间 窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法。本方法设计采用双元压电传感阵列采集结构响 应信号，利用窗函数截取结构内部散射的Lamb波信号，并且利用时间反转理论中对波 源的聚焦原理，在无需任何基准信号或基准信息的前提下，实现对损伤的监测。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术的基于双元压电传感阵列的工程结构无基准主动 Lamb波损伤监测方法包括下列歩骤歩骤一在待监测结构中布置双元压电传感阵列，所述的双元压电传感阵列包括一 组压电单元，每个压电单元由两个相邻布置的第一、第二电压片组成；同时，将待监测 结构按照面积划分为一组微小单元，如lmmXlmm大小的正方形单元，按照划分的单 元建立图像矩阵，使得矩阵中的每一个点代表结构的一个微小单元，且各点在图像中的 位置对应微小单元的坐标；歩骤二将Lamb波窄带信号加载到第一个压电单元中的第一压电片，第一压电片 在结构中激发激励信号，同时，第二电压片作为传感器采集结构响应信号；歩骤三重复进行歩骤二，依次将Lamb波窄带信号加载到其余的压电单元上，采 集得到结构响应信号力(/=l AO，其中，iV为压电单元的个数；歩骤四将歩骤三所述的采集到的结构响应信号/; (/=l AO进行归一化处理，以消除各压电单元性能差异带来的误差；歩骤五将结构内部散射信号从所述的结构响应信号力(/=l AO分离出来，得到 结构损伤散射信号；所述的内部散射信号通过矩形时间窗函数0 S /z庙+ (w得到，始时刻，其中，t表示时间，^为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，A)为激励开 为每一压电单元中作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片之间的距离，^为Lamb波群速度，Z为激励信号时域脉宽，G,为时间窗函数的结束时刻，/屈,和/^分别为结构响应信号中第一个出现的边界散射信号的波源到作为激励器的第一 压电片、作为传感器的第二压电片的距离；本步骤中，结构损伤散射信号包含在传感结 构响应信号屮的内部散射信号部分，将内部散射信号部分从结构响应信号中截取出来， 则结构损伤散射信号也将被分离出來，因此可以采用时间窗函数的方法截取结构内部散 射信号。将歩骤二激励出的Lamb波波速、激励信号在时间域脉宽以及压电片与结构边 界的相对位置等参数设计时间窗函数，对于压电阵列中第/个位置的压电片对，时间窗 函数如上式表示；步骤六将歩骤四中所述的归一化后的结构响应信号与步骤五的时间窗函数一一相 乘，得到结构内部散射信号/',:步骤七用图像矩阵显示各内部散射信号的时间反转加载过程，即对步骤一所述的 图像矩阵中各点的象素值进行赋值，对于矩阵中的任意一点S(m，W)，在时反加载后的波 动幅值为/ = 1,2,A其中5'为图像矩阵，S(w，n)为图像矩阵S中的任意一点，w、"为该点在图像矩阵中的位置，可以反映对应微小单元的坐标，A为权重系数，/',为步骤六所述的第/个结构内 部散射信号，&,、 ^,分别为该象素点到第/个压电单元中第一压电片和第二压电片的距 离，v为Lamb波传播群波速；根据该波动幅值即可判断得到结构的损伤情况。为了消除矩形时间窗函数带来的毛刺，可以在矩形窗的开始和结束加入过渡带，可 用于过渡带的函数有很多，如高斯函数，当采用高斯函数时，步骤五中的时间窗函数改5写为0 w,_"1 《^ < ^r"恭2 ,2,"<,2,+7;o "2,+K其中，r表示时间，e为自然对数的底数，c是高斯函数系数，r,为窗函数过渡带宽度，fw为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，&为时间窗函数的结束时刻。本专利技术的基本原理是由于双元压电阵列布局中作为激励器的压电片和作为传感器 的压电片之间的距离非常小，采用激励传感方式得到的传感信号中直接路径传播信号存 在于信号的丌始阶段，而损伤散射信号的传播路径为激励器——损伤——传感器，其传 播路径距离远大于直接传播路径，所以和直接传播信号在时间上相距很远，发生混叠的 几率很小，采用时间窗函数将直接传播信号和边界反射去除后，将仅剩内部散射信号， 包括损伤散射信号。根据时间反转理论对波源的聚焦原理，在传感得到的结构响应信号 屮，除压电片直线路径传播信号及边界反射外仅损伤散射信号存在相同的波源——损 伤，而其他的散射信号、模式变换信号以及噪声则来源不一，因此将保留的信号时反加 载时，可实现损伤散射信号在损伤处的聚焦，而其他信号时反加载时由于不存在统一波 源而随机叠加，此时损伤处的信号能量将显著突出，从而无需提取损伤散射信号就可实 现对损伤的辨识。本专利技术方法由于无需基准信号而直接采用当前状态下结构响应信号， 实现对结构损伤的在线监测和成像，结构和外部条件发生变化而带来的影响将不复存在，有利于推动主动Lamb波结构健康监测技术的推广和应用。3、有益效果(1)本专利技术方法可以实现对主动Lamb波激励下的内部散射信号与 直接传感信号、边界反射信号的分离；(2)本专利技术方法可使得主动Lamb波监测不再需 要健康状态下的结构响应信号作为基准信号，直接采用当前采集到的信号实现对损伤的 监测，不受结构和外部条件发生变化而带来的影响；(3)本专利技术的方法由于不依靠健康 状态下测得的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Ｌａｍｂ波损伤监测方法，其特征在于包括下列步骤：　步骤一：在结构中布置双元压电传感阵列，所述的双元压电传感阵列包括一组压电单元，每个压电单元由两个相邻布置的第一、第二电压片组成；同时，将待监测结构按照面积划分为一组微小单元，按照划分的单元建立图像矩阵，使得矩阵中的每一个点代表结构的一个微小单元，且各点在图像中的位置对应一个微小单元的坐标；　步骤二：将Ｌａｍｂ波窄带信号加载到第一个压电单元中的第一压电片，第一压电片在结构中激发激励信号，同时，第二电压片作为传感器采集结构响应信号；　步骤三：重复进行步骤二，依次将Ｌａｍｂ波窄带信号加载到其余的压电单元上，采集得到结构响应信号ｆ↓［ｉ］（ｉ＝１～Ｎ），其中，Ｎ为压电单元的个数；　步骤四：将步骤三所述的采集到的结构响应信号ｆ↓［ｉ］（ｉ＝１～Ｎ）进行归一化处理，以消除各压电单元性能差异带来的误差；　步骤五：将内部散射信号从所述的结构响应信号ｆ↓［ｉ］（ｉ＝１～Ｎ）分离出来，得到结构损伤散射信号；所述的内部散射信号通过矩形时间窗函数＊＊＊　得到，其中，ｔ表示时间，ｔ↓［１ｉ］为每一压电单元位置的时间窗函数的开始时刻，ｔ↓［０］为激励开始时刻，ｌ↓［ＡＳｉ］为每一压电单元中作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片之间的距离，ｃ↓［ｇ］为Ｌａｍｂ波群速度，Ｌ为激励信号时域脉宽，ｔ↓［２ｉ］为时间窗函数的结束时刻，ｌ↓［Ａｂｉ］和ｌ↓［Ｓｂｉ］分别为结构响应信号中第一个出现的边界散射信号的波源到作为激励器的第一压电片、作为传感器的第二压电片的距离；　步骤六：将步骤四中所述的归一化后的结构响应信号与步骤五的时间窗函数一一相乘，得到结构内部散射信号ｆ’↓［ｉ］：　ｆ’↓［ｉ］＝ｆ↓［ｗｉ］×ｆ↓［ｉ］　步骤七：用图像矩阵显示各内部散射信号的时间反转加载过程，即对步骤一所述的图像矩阵中各点的象素值进行赋值，对于矩阵中的任意一点Ｓ（ｍ，ｎ），在时反加载后的波动幅值为：　Ｓ（ｍ，ｎ）＝＊Ａ↓［ｉ］ｆ′↓［ｉ］（Ｒ↓［ａｉ］＋Ｒ↓［ｓｉ］／ｖ），ｉ＝１，２，Λ　其中Ｓ为图像矩阵，Ｓ（ｍ，ｎ）为图像矩阵Ｓ中的任意一点，ｍ、ｎ为该点在图像矩阵中的位置，可以反映对应微小单元的坐标，Ａ↓［ｉ］为权重系数，ｆ’↓［ｉ］为步骤六所述的第ｉ个结构内部散射信号，Ｒ↓［ａｉ］、Ｒ↓［ｓｉ］分别为该象素点到第ｉ个压电单元中第一压电片和第二压电片的距离，ｖ为Ｌａ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，袁慎芳，邱雷，蔡建，苏永振，张逍越，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]