一种基于误差函数的结构冲击定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于误差函数的结构冲击定位方法，利用复Morlet小波变换提取应力波信号的窄带Lamb波信号并计算模值，根据模的最大峰值测量应力波的波达时刻，然后求两两传感器的波达时间差，构建基于波达时间差的误差函数，以监测区域内各点误差函数的值作为像素值进行成像，搜索监测区域内每个坐标点的像素值，像素值最小的位置即为预测的冲击位置。该方法具有无需求取波速，无需结构先验知识的优点，在铝板和复合材料加筋板上对方法进行了验证，结果表明该方法简单有效且定位精度较高。结果表明该方法简单有效且定位精度较高。结果表明该方法简单有效且定位精度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于误差函数的结构冲击定位方法


[0001]本专利技术涉及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于误差函数的结构冲击定位方法。

技术介绍

[0002]工程结构在服役过程中不可避免的会遭受到外物的冲击，从而对结构造成损伤，直接威胁结构安全性和完整性。人工定期对结构进行检测费时、费力，且维护成本较高。因此，对重要工程结构进行实时在线的冲击监测，对维护结构的健康安全具有重要意义。结构冲击监测技术是利用传感器(一般为压电传感器)和数据采集系统采集冲击应力波信号，并通过特定的算法来实现冲击定位和载荷重构。实现精确冲击定位有利于缩小结构损伤检测范围，提高检测效率。目前常见的冲击定位算法包括三角测量方法、时间反转法和基于数据驱动的方法等。其中，三角测量方法根据应力波波速、波达时间、冲击位置与传感器间的距离三者之间的关系建立非线性方程组，然后利用优化方法求解非线性方程组来实现冲击定位，但受到噪声和边界反射的影响，波速很难测定，该方法受到限制；时间反转法虽不需要结构的先验知识就能实现冲击定位，但是结构受到冲击造成损伤时，结构冲击响应的传递函数会发生改变，该方法不再适用；基于数据驱动的方法需要大量数据样本，且需要提取信号的多种特征训练模型才能实现冲击定位。

技术实现思路

[0003]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于误差函数的结构冲击定位方法，步骤如下：
[0004]1)标记压电传感器的位置坐标
[0005]建立直角坐标系，标记结构上监测区域内的传感器的位置坐标。
[0006]2)复Morlet小波变换提取窄带Lamb波信号
[0007]监测区域内发生冲击事件时，压电传感器将接收到冲击应力波信号，采用复Morlet小波变换提取窄带Lamb波信号。
[0008]3)计算窄带Lamb波信号模值，测量波达时刻
[0009]计算窄带Lamb波信号模值，根据模的最大峰值测量波达时刻。
[0010]4)求波达时间差
[0011]利用测量的波达时刻，求两两传感器的时间差。
[0012]5)构建误差函数
[0013]根据冲击源与传感器间的距离、应力波从冲击源传播到传感器的时间和冲击源到传感器方向的波速三者之间的关系，构建基于波达时间差的误差函数。
[0014]6)冲击成像定位
[0015]以监测区域内各点的误差函数值作为各点的像素值进行成像，搜索监测区域内每个坐标点的像素值，像素值最小的位置即为预测的冲击位置。
[0016]由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于误差函数的结构冲击定位方法，该方法通过构建基于波达时间差的误差函数，以监测区域各点的误差函数值作为各点的像素值对监测区域进行冲击成像，像素值最小的位置即为预测的冲击位置。该算法十分简单，不需要结构的先验知识，不需要求取波速，只需要传感器的位置坐标和波达时间差就能对结构实现冲击成像定位。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本申请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。
[0018]图1为基于误差函数的冲击定位原理示意图
[0019]图2为本专利技术方法的流程图
[0020]图3(a)为冲击应力波典型信号示意图
[0021]图3(b)为测量波达时刻示意图
[0022]图4为铝板冲击成像定位结果
[0023]图5为复合材料加筋板冲击成像定位结果
具体实施方式
[0024]为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0025]如图1所示的一种基于误差函数的结构冲击定位方法，具体包括如下步骤：
[0026]1)标记压电传感器位置坐标
[0027]若在结构尺寸为a
×
b的监测区域内布置了n个压电传感器，建立直角坐标系，传感器P
i
的位置坐标记为(Px
i
,Py
i
)，i＝1,2,
…
,n。
[0028]2)复Morlet小波变换提取窄带Lamb波信号
[0029]监测区域内发生冲击事件时，压电传感器接收到的冲击应力波典型信号如图3(a)所示，将传感器的信号记为S
i
(t)，i＝1,2,
…
,n。对于信号S(t)的复Morlet连续小波变换定义如下：
[0030][0031]其中，a为伸缩因子，b为平移因子，”<>”表示内积，
”‑”
表示共轭，ψ(t)为复Morlet母小波函数：
[0032][0033]式中，f
c
为母小波中心频率，f
b
为母小波带宽。
[0034]令ω
c
＝2πf
c
，ω
b
＝2πf
b
，可以推导出复Morlet连续小波函数的Fourier变换结果为：
[0035][0036]根据式(3)可知，信号S(t)的复Morlet小波变换代表了该信号在时间t＝b，频率ω＝ω
c
/a以及频带为ω1,ω2∈[ω
c
/a
‑
ω
b
/2a,ω
c
/a+ω
b
/2)的时频成分。调节尺度因子a和小波带宽f
b
，就可以利用复Morlet小波变换提取冲击应力波信号中的窄带Lamb波信号。
[0037]3)计算窄带Lamb波信号模值，测量波达时刻
[0038]如图3(b)所示，计算窄带Lamb波信号的模值，根据模的最大峰值测量冲击应力波的波达时刻。
[0039]4)求波达时间差
[0040]如果应力波到达i,j,k,l号传感器的时刻分别为TOA
i
、TOA
j
、TOA
k
和TOA
l
。则应力波到达i,j号传感器间的时间差为：
[0041]Δt
ij
＝TOA
i
‑
TOA
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0042]应力波到达k,l号传感器间的时间差为：
[0043]Δt
kl
＝TOA
k
‑
TOA
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0044]5)构建误差函数
[0045]根据冲击源C与传感器间的距离L、应力波从冲击源C传播到传感器的时间t和冲击源到传感器方向的波速Cg三者之间的关系，对于传感器P
i
,P
j
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于误差函数的结构冲击定位方法，其特征在于包括：建立直角坐标系，标记在结构监测区域内的压电传感器的位置坐标；当结构表面发生冲击事件时，压电传感器接收冲击造成的应力波信号，采用复Morlet小波变换提取窄带Lamb波信号；计算窄带Lamb波信号模值，根据模的最大峰值测量波达时刻；利用测量的波达时刻，求两两传感器的时间差；根据冲击源与传感器间的距离、应力波从冲击源传播到传感器的时间和冲击源到传感器方向的波速三者之间的关系，构建基于波达时间差的误差函数；以监测区域内各点的误差函数值作为各点的像素值进行成像，搜索监测区域内每个坐标点的像素值，像素值最小的位置即为预测的冲击位置。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：提取窄带Lamb波信号时：将传感器的信号记为S
i
(t)，i＝1,2,
…
,n，对于信号S(t)的复Morlet连续小波变换定义如下：其中a为伸缩因子，b为平移因子，”<>”表示内积，
””
表示共轭，ψ(t)为复Morlet母小波函数：式中，f
c
为母小波中心频率，f
b
为母小波带宽；令ω
c
＝2πf
c
，ω
b
＝2πf
b
，推导出复Morlet连续小波函数的Fourier变换结果为：根据式(3)可知，信号S(t)的复Morlet小波变换代表了该信号在时间t＝b，频率ω＝ω
c
/a以及频带为ω1,ω2∈[ω
c
/a
‑
ω
b
/2a,ω
c
/a+ω
b
/2)的时频成分，调节尺度因子a和小波带宽f
b
，利用复Morlet小波变换提取冲击应力波信号中的窄带Lamb波信号，计算窄...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雷，邓德双，马书义，徐浩，武亦凡，张嘉晨，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：