專利名稱：一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備以及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，尤其涉及一種無(wú)損地 對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備以及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
工程結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中由于工藝原因或使用載荷的作用，往往會(huì)產(chǎn)生一些 局部損傷，比如裂紋、凹坑、脫粘等等，這些損傷積累到一定程度就會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用。 為確保結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行，在其交付使用前或服役一段時(shí)間后都需要對(duì)之進(jìn)行損傷檢測(cè)。 比如橋梁在通車前需要進(jìn)行成橋試驗(yàn)以確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在使用期內(nèi)需要進(jìn)行定期的常 規(guī)檢測(cè)或不定期的特殊檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的損傷。再如機(jī)翼蒙皮等航空構(gòu)件， 只有其內(nèi)部的損傷小于規(guī)定的程度才能交付使用，而使用一段時(shí)間后，又需要對(duì)這些構(gòu)件 重新進(jìn)行損傷檢測(cè)以確保今后的飛行安全。通常對(duì)這些工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)不能另外造成這些工程結(jié)構(gòu)的損傷，因此，這種檢 測(cè)方法也稱為結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)大致可分為局部檢測(cè)和整體檢 測(cè)兩個(gè)類別(1)局部檢測(cè)技術(shù)通過(guò)人的肉眼觀察或借助于X射線、紅外線、超聲波、雷達(dá)和磁 渦流等方式進(jìn)行損傷探測(cè)。這類技術(shù)雖然對(duì)局部區(qū)域具有較高的損傷檢測(cè)精度，但如果事 先不知道損傷的大致區(qū)域，要用它們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行依次檢測(cè)是非常費(fèi)時(shí)的。 此外，有些工程結(jié)構(gòu)還存在利用局部檢測(cè)技術(shù)無(wú)法檢測(cè)到的死角。(2)整體檢測(cè)技術(shù)通過(guò)在工程結(jié)構(gòu)上布設(shè)傳感器來(lái)測(cè)量工程結(jié)構(gòu)在外加激勵(lì)下的 靜位移、速度、加速度等響應(yīng)，并以此反演出工程結(jié)構(gòu)中的損傷。如果事先在工程結(jié)構(gòu)中預(yù) 埋傳感器，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但此時(shí)只能利用工程結(jié)構(gòu)工作時(shí)的環(huán)境激 勵(lì)所激發(fā)出來(lái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行損傷反演。相對(duì)于局部檢測(cè)技術(shù)，整體檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效率 較高。但是整體檢測(cè)技術(shù)具有如下缺點(diǎn)。首先，如果外加激勵(lì)施加不當(dāng)，工程結(jié)構(gòu)的響應(yīng)可 能無(wú)法充分反映出損傷情況，從而影響檢測(cè)精度。比如，如果靜載荷較小，工程結(jié)構(gòu)中的裂 紋不能充分張開(kāi)，那么靜位移就對(duì)這種損傷不敏感。另外，由于損傷是工程結(jié)構(gòu)的局部特 征，它對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響往往只體現(xiàn)在較高階頻段上，因此如果外加激勵(lì)不能激發(fā)出 工程結(jié)構(gòu)的高階響應(yīng)，那么損傷反演的精度就較差，因此導(dǎo)致整體檢測(cè)所獲得的結(jié)果精度 較低。此外，整體法還存在著傳感器的合理布設(shè)、傳感器的耐久性、環(huán)境噪聲的干擾以及信 號(hào)的采集和傳輸?shù)葐?wèn)題。基于Cawley建立的敲擊力學(xué)模型的敲擊法可以檢測(cè)復(fù)合材料層合板中的損傷。 該敲擊力學(xué)模型認(rèn)為當(dāng)力錘敲擊到結(jié)構(gòu)損傷部位時(shí)，由于局部剛度的降低使得該處的敲擊 力時(shí)程信號(hào)較敲擊到完整部位時(shí)產(chǎn)生的敲擊力信號(hào)，峰值較小，寬度較大。據(jù)此，計(jì)算敲擊 力頻譜曲線和頻率坐標(biāo)軸所圍的面積，可以得到一個(gè)特征參數(shù)R，通過(guò)比較完好和損傷部位 的R值就可以識(shí)別出損傷。另外也可以直接比較損傷前后的敲擊力時(shí)程信號(hào)的寬度以識(shí)別 損傷。敲擊法也是一種局部檢測(cè)技術(shù)，它不需要把傳感器固定在結(jié)構(gòu)上，而且由于能夠采集到結(jié)構(gòu)局部剛度的變化，所以對(duì)損傷比較敏感。不過(guò)這種方法使用了整個(gè)頻段的敲擊力頻 譜信息，這就在一定程度上降低了損傷識(shí)別的精度，這是因?yàn)?1)損傷往往體現(xiàn)在敲擊力 的較高階頻段上，使用整個(gè)頻段信息會(huì)掩蓋對(duì)損傷敏感頻段的信息；(2)整個(gè)頻段的信息 中包含了環(huán)境噪聲的成份。另外敲擊力譜線所覆蓋的頻率范圍是由結(jié)構(gòu)剛度以及錘頭的剛 度決定的。為了獲得高階頻段譜線，雖然可以通過(guò)使用硬度較高的錘頭實(shí)現(xiàn)，但這并不能精 確地控制頻譜的范圍。即便能夠激發(fā)出高階頻譜，這些高頻成份在整個(gè)頻段上所占的比例 往往較小，這也會(huì)影響損傷檢測(cè)精度。最后，該方法要求事先知道完整結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，這 也對(duì)其使用帶來(lái)了不便?，F(xiàn)有的敲擊式損傷檢測(cè)儀器只能可靠地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)2mm厚度內(nèi)直 徑約大于10mm的損傷。在橋梁損傷檢測(cè)領(lǐng)域，楊永斌等人提出了一種利用行駛的車輛作為激勵(lì)、通過(guò)車 輛的加速度信號(hào)來(lái)提取橋梁基頻的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在橋梁上安裝傳感器， 而且測(cè)量過(guò)程不會(huì)影響橋梁的正常運(yùn)行。但是該方法沒(méi)有在車輛上安裝敲擊裝置，因此很 難激發(fā)出橋梁的較高頻響應(yīng)，所得的加速度信號(hào)對(duì)局部損傷不敏感，而僅根據(jù)橋梁的基頻 是很難檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的損傷的。因此，期望提供一種不需要事先知道工程結(jié)構(gòu)的完整特征信息、就可以方便、快速 且準(zhǔn)確地檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)中的損傷的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上 述問(wèn)題的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法及結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備。受上述行進(jìn)車輛檢測(cè)方法和敲擊檢測(cè)方法的啟示，本發(fā)明提供了一種通過(guò)安裝有 敲擊設(shè)備的可以行進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備來(lái)識(shí)別待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷的敲擊-掃描方法。通過(guò)為待檢 測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特定的敲擊力和檢測(cè)設(shè)備行進(jìn)方式，即使在充滿噪聲的環(huán)境中，檢測(cè)設(shè)備也可 以相當(dāng)靈敏地檢測(cè)出損傷，并且不需要待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的完整特征信息，因此，非常便于工程實(shí) 施。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種利用結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的方 法，其中該結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備包括敲擊裝置和傳感器，所述方法包括步驟使用所述結(jié)構(gòu) 損傷檢測(cè)設(shè)備沿著所述結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行掃描，其中在進(jìn)行掃描的同時(shí)，所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè) 設(shè)備中的敲擊裝置以包括預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊，該預(yù)定頻率接近所述結(jié)構(gòu)的自然頻 率；利用所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的傳感器感測(cè)在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處、由所述結(jié) 構(gòu)表面?zhèn)鬟f到所述敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)，其中所述傳感器感測(cè)的信號(hào)可以為位移、速度和 加速度中的至少之一；對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在所述結(jié)構(gòu)表面的 每個(gè)位置處的信號(hào)譜圖；從所述信號(hào)譜圖中截取與所述敲擊力的預(yù)定頻率相對(duì)應(yīng)的譜圖包 絡(luò)線；計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜 圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的相似程度；以及將損傷指示值發(fā)生突變的位置確定 為存在結(jié)構(gòu)損傷的位置。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備，包括敲擊裝置，用于 在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面上以具有預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊，其中所述預(yù)定頻率接近所述待檢 測(cè)結(jié)構(gòu)的自然頻率；以及傳感器，感測(cè)所述由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)，其中所述傳感器感測(cè)的響應(yīng)信號(hào)可以為位移、速度和加速度中的至少之一；其中所述敲擊 裝置和所述傳感器集成在一起，以便所述敲擊裝置在所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行敲擊的同 時(shí)，所述傳感器感測(cè)由所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到所述敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的還有一個(gè)方面，提供了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，包括根據(jù)本發(fā)明 的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備；以及信號(hào)處理部件，用于對(duì)所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的傳感器所感 測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理以確定待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的損傷位置，所述信號(hào)處理部件包括譜圖獲取 裝置，用于對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處 的信號(hào)譜圖；譜圖包絡(luò)線截取裝置，用于從所述信號(hào)譜圖中截取與所述敲擊力的預(yù)定頻率 相對(duì)應(yīng)的譜圖包絡(luò)線；損傷指示值計(jì)算裝置，用于計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷 指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的相似程 度；以及損傷位置確定裝置，用于基于所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值來(lái)確定所 述結(jié)構(gòu)中的損傷位置。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法、設(shè)備和系統(tǒng)可以設(shè)定敲擊力的大小和頻段，這 樣既有利于激發(fā)出損傷信息，又可以避開(kāi)環(huán)境噪聲的干擾，此外，本發(fā)明僅僅對(duì)由待檢測(cè)結(jié) 構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)中與敲擊力的頻段相對(duì)應(yīng)的頻段的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處 理，這可以提高檢測(cè)精度。另外，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法、設(shè)備和系統(tǒng)不需要事先知道無(wú)損結(jié)構(gòu)的 完整特征信息，更便于實(shí)施；并且適用于在航空航天、土木和機(jī)械等任何可能發(fā)生結(jié)構(gòu)材料 的各種形式損傷的領(lǐng)域中應(yīng)用。


通過(guò)閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明 的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明原理的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)化視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)100的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)200的俯視示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)200的沿圖3中的A向的正 視示意圖；圖5是MAC矩陣元素的分布圖；以及圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法的流程圖。 具體實(shí)施例下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。在具體描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，首先結(jié)合附圖闡述一下本發(fā)明的原理。圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明原理的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)化模型。如圖1所示，其中采 用了一個(gè)簡(jiǎn)化模型來(lái)說(shuō)明本發(fā)明所提出的敲擊-掃描方案的理論基礎(chǔ)。在這個(gè)模型中，將 結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備建模為在具有kv剛度的彈簧上的質(zhì)量塊M，并且該質(zhì)量塊上安裝有兩組 相對(duì)的不同軸轉(zhuǎn)輪W『，這些轉(zhuǎn)輪中的每個(gè)從初始角開(kāi)始以恒定角速度碭(i = 1,2,-",N)旋轉(zhuǎn)，以模擬敲擊力的發(fā)生器。此外，在該模型中，還將待檢測(cè)結(jié)構(gòu)模擬為長(zhǎng)度為L(zhǎng)的二 維簡(jiǎn)支梁，該簡(jiǎn)支梁被建模為具有彎曲剛度EI以及每單位長(zhǎng)度質(zhì)量為m的平面伯努利-歐 拉(Bernoulli-Euler)梁。結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備以恒定速度v移動(dòng)通過(guò)該梁。為了簡(jiǎn)化并仍 然保持該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，這里暫時(shí)省略了其他的實(shí)際因素，如阻尼和表面粗糙度等。然而，如 下面的數(shù)值模擬結(jié)果中所示的那樣，即使在將這些實(shí)際因素考慮在內(nèi)時(shí)，本發(fā)明所提出的 敲擊_掃描方案的仍然是有效的。為了獲得對(duì)結(jié)構(gòu)損傷靈敏的檢測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)，必須解決考慮了敲擊力的檢測(cè)設(shè) 備與結(jié)構(gòu)的交互作用問(wèn)題。根據(jù)圖1描述的簡(jiǎn)化模型，檢測(cè)設(shè)備和梁(即待檢測(cè)結(jié)構(gòu))的 動(dòng)力學(xué)方程可以描述為 其中yv和yB分別是根據(jù)靜態(tài)平衡位置而測(cè)量得到的檢測(cè)設(shè)備和梁的位移。這里 我們忽略由于檢測(cè)設(shè)備和梁的重力而引起的梁變形。因此，當(dāng)檢測(cè)設(shè)備處于整個(gè)梁上的不 同位置時(shí)，靜態(tài)平衡位置總是處于相同水平。此外，符號(hào)上的雙點(diǎn)表示相對(duì)于時(shí)間t的偏導(dǎo)
數(shù)；義1V)k表示在檢測(cè)設(shè)備的彈簧剛度和梁剛度kB之間的串聯(lián)等效剛度 可以將在接觸點(diǎn)處的梁剛度或者彈性常數(shù)kB計(jì)算為在接觸點(diǎn)處作用的載荷除以 在該點(diǎn)處產(chǎn)生的擾度的比值。使用材料力學(xué)的基本理論，可以容易得知在單位載荷下、在位
置X處的無(wú)損傷的梁的撓度為k^if 因此，在接觸點(diǎn)X = Vt處的梁剛度kB為 因?yàn)閗B沿著梁變化，所以等效剛度k也隨著位置x而改變。在方程⑴中的F(t)是施加到檢測(cè)設(shè)備上的敲擊力 以及f(t) 6 (x-vt)是在檢測(cè)設(shè)備和梁之間的接觸力。這里，5是克羅內(nèi)克 (KroneckeiOdelta函數(shù)，其指示接觸力的移動(dòng)。函數(shù)f(t)可以表述為 對(duì)于梁結(jié)構(gòu)，可以將力學(xué)損傷定義為剛度或者阻尼的突然變化(這可以由局部阻 抗來(lái)表示，或者可以有效地由瞬時(shí)剛度Z(x)來(lái)表示。根據(jù)方程(1)、(2)和(6)，可以得到 上式可以被重寫(xiě)為 由于敲擊力F和檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)量2A玩+ M為常數(shù)，因此3V相對(duì)于損傷的靈敏度系 數(shù)中，力的值起著關(guān)鍵的作用。使用模態(tài)疊加方法，梁的位移可以表示為 其中
，是第j個(gè)模態(tài)以及qBj (t)是對(duì)應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)。將方程(9)代入方程(2)中，在方程(2)兩端乘以約(X)，并且在整個(gè)梁長(zhǎng)度上進(jìn)
行積分，可以得到 其中《B1是梁的第j個(gè)自然角頻率 將方程
以及代入到方程(io)中，可以得出 通常3V g，否則就不能確保在檢測(cè)設(shè)備和梁之間的穩(wěn)固接觸。因此，方程(12) 可以近似為 利用方程(5)，可以通過(guò)Duhamel積分來(lái)求解方程(13) 其中 在方程(14)中，由于初始速度和位移因?yàn)樽枘岫焖偎p，因此可以被忽略。將 方程(14)代入到方程(9)中，可以獲得梁的位移
(19)此外，將方程(5)和(19)代入到方程(1)中，得到 其中Wv是檢測(cè)設(shè)備的自然角頻率 以及 (22)類似地，通過(guò)忽略檢測(cè)設(shè)備的初始位移和速度，可以通過(guò)Duhamel積分來(lái)從方程(20)中求解檢測(cè)設(shè)備的振動(dòng)位移 其中

+ (Ov ■ -SjCOv
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]πν L
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^ + 0jBj -妨
宇-、丫-妨
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Ψ^βΑ -4
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2 /In
因此，檢測(cè)設(shè)備的加速度為 N , .、2
=1
；=1
+
2
-霞一M
COf COS^COyt+COyCO^COyt-e^ 2<^2COS(d)/ + 6>0f.)
COi-COv^ + (Oy
\l/ 6 2 yiv Pj (/)=
其中巧(Z)和這( )可以容易地從方程(24)和(25)獲得
(Oy2 COS(COyt-O0j)
^-COy2 C0s((0yt + 60i)
L
J^v L
~ ,+^--COv
2 ,ν2
]πν\L
COS -COv
^ + ωλ + θ,,
2字+鴿-4
7 COS (郎+ 6 0,)
+一' ‘V
“1
LCOv2 COS (晰 +禮)J J^、 I L j2
^J^ (Df2 COs(O^t-O0j)
ω-ψ + ων
yVrvL 其中^和，可以分別容易地從方程(26Α)和(26Β)中獲得。根據(jù)方程(26)、 οων OCOv
(27)和(15-18)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土&即，尕《約7±^^時(shí)可以增強(qiáng)檢測(cè)設(shè)備的加速度
L
對(duì)損傷的靈敏度。這意味著最好使得敲擊頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自然頻率，然而，根據(jù)方程 (19)，還必須注意避免待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的發(fā)生共振現(xiàn)象。此外，通過(guò)將上述方程(26)轉(zhuǎn)換到頻率域中，可以發(fā)現(xiàn)，該方程中涉及到以下7個(gè)
頻率，
。由于￥的值通常
非常小，因此，其中僅僅ων、瑪和是主要的頻率。如上所述，結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致ων的改
變，而《,的改變又會(huì)改變?cè)诜匠?26)中的相應(yīng)頻率相關(guān)項(xiàng)的系數(shù)。也就是說(shuō)，在將上述
方程(26)轉(zhuǎn)換到頻率域中之后，各個(gè)相應(yīng)頻率處的幅值中包含了結(jié)構(gòu)損傷信息，通過(guò)分析
這些幅值，就可以獲得有關(guān)損傷的信息。本發(fā)明基于上述分析而做出。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)200。如圖2所示，結(jié)構(gòu)損 傷檢測(cè)系統(tǒng)200包括結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210和信號(hào)處理部件220。結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210 用于在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行掃描，在掃描的同時(shí)施加敲擊，并感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)?遞到結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)。信號(hào)處理部件220對(duì)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210所感測(cè)到 的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理以確定待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中有無(wú)損傷以及損傷的位置。結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210包括敲擊裝置212和傳感器214。敲擊裝置212用于在當(dāng) 結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面上進(jìn)行掃描的同時(shí)以具有一定頻率和大小的 力敲擊該待檢測(cè)結(jié)構(gòu)。如上理論分析所述，敲擊裝置212所施加的敲擊力的頻率應(yīng)當(dāng)接近 待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一，以便高靈敏度地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷。根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例，離散頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的某個(gè)自然頻率意指將離散頻率設(shè)置為待檢測(cè)結(jié) 構(gòu)的該自然頻率的士20%范圍之內(nèi)的某個(gè)值，更可取的是士 10%范圍之內(nèi)的某個(gè)值，以及 士5%范圍之內(nèi)的某個(gè)值?？蛇x地，敲擊力可以具有多個(gè)離散頻率，而多個(gè)離散頻率中的至 少一個(gè)頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)自然頻率中的至少一個(gè)。進(jìn)一步可選地是，敲擊力可以 具有一個(gè)或者多個(gè)頻段，而所述一個(gè)或者多個(gè)頻段中的至少一個(gè)涵蓋了接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的 多個(gè)自然頻率的至少一個(gè)的值。同時(shí)，為了防止出現(xiàn)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的共振，可以不將敲擊力的 頻率設(shè)置為剛好等于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自然頻率，或者敲擊力的頻率設(shè)置為在某個(gè)范圍內(nèi)快速變化，從而使得待檢測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的時(shí)間很短而不會(huì)導(dǎo)致待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷。傳感器214感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)。一般而言，待檢測(cè)結(jié) 構(gòu)表面在敲擊力的作用下會(huì)產(chǎn)生位移、速度和加速度響應(yīng)，由于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面和敲擊裝 置的相互作用，這些響應(yīng)會(huì)傳遞到敲擊裝置上，其瞬時(shí)值的大小反映待檢測(cè)結(jié)構(gòu)在敲擊位 置處的結(jié)構(gòu)特征，因此，當(dāng)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)損傷時(shí)，該位置處由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲 擊裝置的位移、速度或加速度響應(yīng)會(huì)與沒(méi)有損傷位置的響應(yīng)明顯不同。傳感器214可以是 能夠感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)的任何傳感器。例如，傳感器214可以 是能夠感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的位移、速度和加速度響應(yīng)之一的任何傳感 器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，傳感器214為用于感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置 的加速度響應(yīng)的加速度傳感器，這是因?yàn)?，在傳感?14所感測(cè)的加速度a和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng) b、結(jié)構(gòu)局部阻抗Z以及敲擊力F之間的關(guān)系存在如下關(guān)系 (小-^lz(小孕
MM其中，χ代表敲擊的位置，M是敲擊裝置的質(zhì)量，g是重力加速度。為了精確地感測(cè)出在敲擊裝置212的敲擊位置處被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，可以將傳感 器214和敲擊裝置212集成在一起。另外，結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210還包括承載裝置216，用于承載傳感器214和敲擊裝 置212，并且在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面上進(jìn)行掃描。信號(hào)處理部件220包括譜圖獲取裝置222、譜圖包絡(luò)線截取裝置224、損傷指示值 計(jì)算裝置226和損傷位置確定裝置228。譜圖獲取裝置222獲取傳感器214所感測(cè)到的傳感器信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)精度的要求， 可以將待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面劃分為具有一定大小的多個(gè)部分，而結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備210掃描 每個(gè)表面部分都需要一定時(shí)間，傳感器214所獲取的信號(hào)為在該段時(shí)間上的傳感器信號(hào)分 布。隨后，譜圖獲取裝置222對(duì)該傳感器信號(hào)在時(shí)間上的分布進(jìn)行變換處理以獲取該信號(hào) 在頻率域或者尺度域上的表示。這種變換處理可以利用現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的任何變換處理進(jìn) 行，例如該變換處理可以是短時(shí)傅立葉變換、小波變換或者Hilbert-Huang變換等。因此， 譜圖獲取裝置122獲取了在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置部分處的信號(hào)頻譜或尺度譜。譜圖包絡(luò)線截取裝置224從所述信號(hào)譜圖中截取與敲擊裝置的敲擊力頻率相對(duì) 應(yīng)的譜圖包絡(luò)線。由于敲擊力的至少一個(gè)頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率，因此， 譜圖包絡(luò)線截取裝置224所截取的譜圖包絡(luò)線應(yīng)當(dāng)涵蓋待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率。 在敲擊力具有某個(gè)頻段的情況下，所截取的譜圖包絡(luò)線具有與該敲擊力的頻段相對(duì)應(yīng)的頻 率范圍。上面所給出的、有關(guān)所截取的譜圖包絡(luò)線的頻率范圍的示例僅僅為示范性的。本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要所截取的譜圖包絡(luò)線的頻段與敲擊裝置的敲擊頻率相對(duì)應(yīng)， 并且適于在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中使用，則所有的頻率范圍都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。由于僅 僅對(duì)與敲擊頻段相對(duì)應(yīng)的譜圖進(jìn)行分析，可以減少由于處理全部頻段譜圖所需要的處理開(kāi) 銷，同時(shí)不影響檢測(cè)精度。另外由于環(huán)境噪聲的頻段一般不同于被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自然頻率，因 此不同于敲擊裝置的敲擊頻率，所以還可以顯著減少環(huán)境噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，從而提 高檢測(cè)的精度。損傷指示值計(jì)算裝置226基于所截取的譜圖包絡(luò)線來(lái)計(jì)算待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖 包絡(luò)線的相似程度。可以有多種方式來(lái)計(jì)算損傷指示值，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以如下所述來(lái) 計(jì)算損傷指示值，首先將譜圖包絡(luò)線轉(zhuǎn)換為譜圖向量，這可以通過(guò)獲取譜圖包絡(luò)線中的多 個(gè)頻率處的幅值作為譜圖向量的分量來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。譜圖向量的分量數(shù)量可以根據(jù)檢測(cè)精度 以及系統(tǒng)的處理性能等確定。分量對(duì)應(yīng)的頻率可以均勻分布在譜圖包絡(luò)線的頻段中，也可 以不均勻分布。但是，對(duì)于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)而言，每個(gè)位置處的頻率選擇方式應(yīng)當(dāng)是相同的。在生成了每個(gè)位置處的譜圖向量之后，損傷指示值計(jì)算裝置226計(jì)算反映當(dāng)前位
置處的譜圖向量和其他位置處的譜圖向量的相似程度的損傷指示值?？梢杂卸喾N方式來(lái)計(jì)
算兩個(gè)譜圖向量之間的相似程度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以將損傷指示值計(jì)算為 / 、 Y · γY ,丨 7 ！ In，其中，Yi和Yj分別表示在所述結(jié)構(gòu)上的當(dāng)前位置和其他位置處的譜圖向量，·表 示譜圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，|Yi+l和IYJ表示向量Yi和1的長(zhǎng)度，η為待檢測(cè)結(jié)構(gòu)所劃分的
單位檢測(cè)部分的數(shù)量。在Yi和Y」越相似，即包絡(luò)線i和包絡(luò)線j的形狀越相似時(shí)，
就越接近1。因此，針對(duì)某個(gè)譜圖向量Yi的損傷指示值可以是該譜圖向量Yi和所有其他譜 圖向量t相似度的總和的平均值。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以利用MAC系數(shù)來(lái)獲取損傷指示值。MAC系數(shù)矩陣 的計(jì)算公式為MAC{i,j) = ^-y其中，Yi和Y」分別表示在所述結(jié)構(gòu)上第i個(gè)和第j個(gè)部分的譜圖向量，·表示譜 圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，IYiI和IYjI表示向量1和Yj的長(zhǎng)度。MAC系數(shù)矩陣中的每個(gè)元素都 表示了兩個(gè)譜圖向量之間的相似程度，其中主對(duì)角線上的元素一定等于1。MAC系數(shù)矩陣的 第i行或第i列元素的大小就能反映出對(duì)應(yīng)于某個(gè)譜圖向量Yi的損傷情況，因而也就是該 譜圖向量Yi所對(duì)應(yīng)位置的損傷指示值。損傷位置確定裝置228基于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值來(lái)確定 待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的損傷位置。例如，損傷位置確定裝置128可以將損傷指示值發(fā)生突然下降 的位置確定為存在損傷的位置。因?yàn)槿绻Y(jié)構(gòu)沒(méi)有損傷，那么損傷指示值在空間的分布是 比較光滑的；如果某處的損傷指示值發(fā)生了突變，那么就意味著該處局部阻抗和其他地方 明顯不同，很可能出現(xiàn)了損傷，而突變的大小也就反映了損傷的嚴(yán)重程度。比如，取MAC系 數(shù)矩陣第一行元素的值為縱軸元素，并以所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置為橫軸畫(huà)一條曲線，如果結(jié)構(gòu) 沒(méi)有損傷，那么該曲線應(yīng)該是比較光滑的；如果曲線在某處突然下降，就說(shuō)明該處存在損 傷，下降的幅度越大，損傷也就越嚴(yán)重。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以將曲線的一階導(dǎo)數(shù) 值的絕對(duì)值超過(guò)預(yù)定閾值的位置確定為存在損傷的位置。圖3和4示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的、適于對(duì)類似于橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu) 損傷檢測(cè)的損傷檢測(cè)系統(tǒng)300的示意圖。在該實(shí)施例中，待檢測(cè)結(jié)構(gòu)為軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于垂直于軸向的截面的板結(jié)構(gòu)，該板結(jié)構(gòu)沿軸向的橫截面都非常相似。這種結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中 較為常見(jiàn)，例如公路橋梁，鐵路橋梁等都具有這種結(jié)構(gòu)。而且在工程實(shí)踐中，這類橋梁也經(jīng) 常需要進(jìn)行檢測(cè)以確保橋梁沒(méi)有損傷，或者在出現(xiàn)損傷后及時(shí)加以修復(fù)以防止由于橋梁斷 裂而出現(xiàn)事故。圖3和4所示的損傷檢測(cè)系統(tǒng)300非常適合于上述類似橋梁結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)。如 圖3所示，待檢測(cè)結(jié)構(gòu)為層合板5，其固定在地面上的三根鋼棒4上，并且離地具有一定間 隙以保證結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備310在層合板5上移動(dòng)時(shí)層合板5不接觸地面，從而層合板5 可以很好地模擬現(xiàn)實(shí)中的橋梁結(jié)構(gòu)。另外，為了測(cè)試檢測(cè)結(jié)構(gòu)，在層合板5中制造了損傷 6，該損傷表現(xiàn)為鋸縫。結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備310的承載裝置為鋼制小車1，其中的敲擊裝置 3可以在來(lái)自計(jì)算機(jī)11的控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生具有預(yù)定頻段的敲擊力。根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方式，該敲擊力為在20-100HZ之間快速掃描的等幅正弦控制信號(hào)所產(chǎn)生的、頻段 在20-100HZ之間的敲擊力。層合板5的前兩階自然頻率通常在20-100HZ之間，因此，該敲 擊力涵蓋了層合板5的自然頻率，從而如上所述，可以靈敏地檢測(cè)出在層合板5中的局部損 傷。結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備310中的傳感器2為加速度傳感器，其感測(cè)由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面 傳遞到敲擊裝置3的加速度信號(hào)，并且將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)11中的信號(hào)處理部件220進(jìn)行進(jìn) 一步處理。信號(hào)處理部件220的結(jié)構(gòu)和參考圖1所示的實(shí)施方式基本相同，這里就不再進(jìn) 行贅述。如圖3和4所示，在對(duì)層合板5進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備310置于層合板 5的中心處，并以大約V= 1.3cm/S的速度沿層合板5的長(zhǎng)度方向(即軸向)進(jìn)行掃描。在 掃描的同時(shí)，用上述頻段在20-100HZ之間的敲擊力來(lái)敲擊，并同時(shí)由加速度傳感器2采集 加速度信號(hào)以發(fā)送到信號(hào)處理部件220進(jìn)行進(jìn)一步處理。在該實(shí)施例中，以1. 3cm為單位來(lái)沿板長(zhǎng)度方向劃分層合板5，由于小車1的行進(jìn) 速度為1. 3cm/s，而且加速度傳感器采集信號(hào)的采樣率為1024次/秒。因此，譜圖獲取裝置 222按照1024個(gè)加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度獲取感測(cè)信號(hào)，并采用短時(shí)傅里葉變換方法獲得頻 譜圖。譜圖包絡(luò)線截取裝置224截取與敲擊力的頻段相對(duì)應(yīng)的、即20-100HZ頻段的頻譜包 絡(luò)線。損傷指示值計(jì)算裝置126選擇大小為20-100HZ的頻率作為頻譜向量中的分量相對(duì) 應(yīng)的頻率，即損傷指示值計(jì)算裝置226將頻譜包絡(luò)線向量化為長(zhǎng)度為101的向量。然后，損
傷指示值計(jì)算裝置126計(jì)算MAC系數(shù)矩陣
γ · γM4C(U) = j^|^|。隨后，損傷位置確定裝置228可以根據(jù)MAC系數(shù)矩陣的值來(lái)確定損傷位置。圖5示出了 MAC矩陣元素的分布圖，這是對(duì)尺寸為120X15X3cm的層合板中存在 人為制造的一條約20X8mm的鋸縫6的層合板進(jìn)行檢測(cè)所獲取的結(jié)果。從圖5中可以明顯 看出，中心鋼棒和鋸縫位置的MAC系數(shù)明顯低于其它位置的MAC系數(shù)，由此可以說(shuō)明本發(fā)明 方法能夠有效地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突然變化的位置，并可由此定位損傷。圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法的流程圖。如圖 6所示，該方法始于步驟S610，在該步驟S 610中，使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備沿 著待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行掃描，其中在進(jìn)行掃描的同時(shí)，結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的敲擊裝置以具有預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊。如上理論分析所述，敲擊裝置所施加的敲擊力的頻率 應(yīng)當(dāng)接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一，以便高靈敏度地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷。根 據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，離散頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的某個(gè)自然頻率意指將離散頻率設(shè)置為 待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的該自然頻率的士20%范圍之內(nèi)的某個(gè)值，更可取的是士 10%范圍之內(nèi)的某 個(gè)值，以及士5%范圍之內(nèi)的某個(gè)值?？蛇x地，敲擊力可以具有多個(gè)離散頻率，而多個(gè)離散頻 率中的至少一個(gè)頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)自然頻率中的至少一個(gè)。進(jìn)一步可選的是，敲 擊力可以具有一個(gè)或者多個(gè)頻段，而所述一個(gè)或者多個(gè)頻段中的至少一個(gè)涵蓋了接近待檢 測(cè)結(jié)構(gòu)的多個(gè)自然頻率的至少一個(gè)的值。同時(shí)，為了防止出現(xiàn)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的共振，可以不將 敲擊力的頻率設(shè)置為剛好等于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自然頻率，或者敲擊力的頻率設(shè)置為在某個(gè)范 圍內(nèi)快速變化，從而使得待檢測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的時(shí)間很短而不會(huì)導(dǎo)致待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷。隨后，在步驟S620中，利用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的傳感器來(lái)感測(cè)該 敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)。如上參考結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備所述，所感測(cè)的信號(hào)可以是能夠反映由 待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的在敲擊位置處的任何響應(yīng)信號(hào)。例如傳感器感測(cè)的信號(hào) 可以為位移、速度或加速度。特別的，傳感器所感測(cè)的信號(hào)為加速度信號(hào)更便于工程實(shí)施。 在步驟S630中，對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每 個(gè)位置處的信號(hào)譜。根據(jù)檢測(cè)精度的要求，需要將待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面分為多個(gè)部分。在每 個(gè)部分上感測(cè)到的信號(hào)是結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備掃描該部分所需時(shí)間上的分布，因此可以對(duì)信 號(hào)在時(shí)間域上分布進(jìn)行變換處理以獲取該信號(hào)在頻率域或尺度域上的表示。這種變換處理 可以利用現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的任何變換處理進(jìn)行，例如該變換處理可以是短時(shí)傅立葉變換、小 波變換或Hi Ibe八-Huang變換等。隨后，在步驟S640中，從信號(hào)譜圖中截取與敲擊裝置的敲擊力的預(yù)定頻率相對(duì)應(yīng) 的部分，并獲取所截取譜圖的包絡(luò)線。由于敲擊力的至少一個(gè)頻率接近待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至少 一個(gè)自然頻率，因此，所截取的譜圖包絡(luò)線應(yīng)當(dāng)涵蓋待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率。在敲 擊力具有某個(gè)頻段的情況下，所截取的譜圖包絡(luò)線具有與該敲擊力的頻段相對(duì)應(yīng)的頻率范 圍。上面所給出的、有關(guān)所截取的譜圖包絡(luò)線的頻率范圍的示例僅僅為示范性的。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要所截取的譜圖包絡(luò)線的頻段與敲擊裝置的敲擊頻率相對(duì)應(yīng)，并且 適于在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中使用，則所有的頻率范圍都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。。在步驟S650中，根據(jù)所截取的譜圖包絡(luò)線來(lái)計(jì)算待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處 的損傷指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的 相似程度?？梢杂卸喾N方式來(lái)計(jì)算損傷指示值。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以如下所述來(lái)計(jì)算損傷指示值1、將譜圖包絡(luò)線轉(zhuǎn)換為譜圖向量，這可以通過(guò)獲取譜圖包絡(luò)線中的多個(gè)頻率處的 幅值作為譜圖向量的分量來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。譜圖向量的分量數(shù)量可以根據(jù)檢測(cè)精度以及系統(tǒng)的 處理性能等確定。分量對(duì)應(yīng)的頻率可以均勻分布在譜圖包絡(luò)線的頻段中，也可以不均勻分 布。但是，對(duì)于待檢測(cè)結(jié)構(gòu)而言，每個(gè)位置處的頻率選擇方式應(yīng)當(dāng)是相同的；2、在生成了每個(gè)位置處的譜圖向量之后，計(jì)算反映當(dāng)前位置處的譜圖向量和其他 位置處的譜圖向量的相似程度的損傷指示值?？梢杂卸喾N方式來(lái)計(jì)算兩個(gè)譜圖向量之間的 相似程度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以將損傷指示值計(jì)算為 其中，Yi和Y」分別表示在所述結(jié)構(gòu)上的當(dāng)前位置和其他位置處的譜圖向量，·表
示譜圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，IYJ和IYJ表示向量Yi和1的長(zhǎng)度，η為待檢測(cè)結(jié)構(gòu)所劃分的單
位檢測(cè)部分的數(shù)量。|γ:|χ|‘ |在Yi和Y」越相似，即包絡(luò)線i和包絡(luò)線j的形狀越相似時(shí)，就
越接近1。因此，針對(duì)某個(gè)譜圖向量Yi的損傷指示值可以是該譜圖向量Yi和所有其他譜圖 向量Yj相似度的總和的平均值。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以利用MAC系數(shù)來(lái)獲取損傷指示值。MAC系數(shù)矩陣 的計(jì)算公式為 其中，Yi和Yj分別表示在所述結(jié)構(gòu)上第i個(gè)和第j個(gè)部分的譜圖向量，·表示譜 圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，IYiI和IYjI表示向量1和Yj的長(zhǎng)度。MAC系數(shù)矩陣中的每個(gè)元素都 表示了兩個(gè)譜圖向量之間的相似程度，其中主對(duì)角線上的元素一定等于1。MAC系數(shù)矩陣的 第i行或第i列元素的大小就能反映出對(duì)應(yīng)于某個(gè)譜圖向量Yi的損傷情況，因而也就是該 譜圖向量Yi所對(duì)應(yīng)位置的損傷指示值。在為待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置計(jì)算了損傷指示值之后，在步驟S660中，基于待 檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值來(lái)確定待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的損傷位置。例如，可以將 損傷指示值發(fā)生突然下降的位置確定為存在損傷的位置。比如，取MAC系數(shù)矩陣第一行元 素的值為縱軸元素，并以所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置為橫軸畫(huà)一條曲線，如果結(jié)構(gòu)沒(méi)有損傷，那么該 曲線應(yīng)該是比較光滑的；如果曲線在某處突然下降，就說(shuō)明該處存在損傷，下降的幅度越 大，損傷也就越嚴(yán)重。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以將該曲線的一階導(dǎo)數(shù)值的絕對(duì)值超過(guò) 預(yù)定閾值的位置確定為存在損傷的位置。應(yīng)當(dāng)注意的是，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)處理部件中，根據(jù)其要實(shí)現(xiàn) 的功能而對(duì)其中的部件進(jìn)行了邏輯劃分，但是，本發(fā)明不受限于此，可以根據(jù)需要對(duì)信號(hào)處 理部件中的各個(gè)部件進(jìn)行重新劃分或者組合，例如，可以將一些部件組合為單個(gè)部件，或者 可以將一些部件進(jìn)一步分解為更多的子部件。本發(fā)明的信號(hào)處理部件實(shí)施例可以以硬件實(shí)現(xiàn)，或者以在一個(gè)或者多個(gè)處理器上 運(yùn)行的軟件模塊實(shí)現(xiàn)，或者以它們的組合實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在實(shí)踐中 使用微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)處理部件中的 一些或者全部部件的一些或者全部功能。本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)為用于執(zhí)行這里所描述的方 法的一部分或者全部的設(shè)備或者裝置程序(例如，計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)。這樣 的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的程序可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，或者可以具有一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)的形 式。這樣的信號(hào)可以從因特網(wǎng)網(wǎng)站上下載得到，或者在載體信號(hào)上提供，或者以任何其他形 式提供。應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng) 域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在 未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這 樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。在列舉了若千裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個(gè)可以是通過(guò)同一個(gè)硬件 項(xiàng)來(lái)具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。
權(quán)利要求
一種利用結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中該結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備包括敲擊裝置和傳感器，所述方法包括步驟使用所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備沿著所述結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行掃描，其中在進(jìn)行掃描的同時(shí)，所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的敲擊裝置以包括預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊，該預(yù)定頻率接近所述結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一；利用所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的傳感器感測(cè)在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處、由所述結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到所述敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)，其中所述傳感器感測(cè)的信號(hào)可以為位移、速度和加速度中的至少之一；對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的信號(hào)譜圖；從所述信號(hào)譜圖中截取與所述敲擊力的預(yù)定頻率相對(duì)應(yīng)的譜圖包絡(luò)線；計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的相似程度；以及將損傷指示值發(fā)生突變的位置確定為存在結(jié)構(gòu)損傷的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述預(yù)定頻率的值為所述結(jié)構(gòu)的所述 一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一的士20%范圍之內(nèi)的某個(gè)值，更可取的是士 10%范圍之內(nèi)的 某個(gè)值，以及士5%范圍之內(nèi)的某個(gè)值。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述敲擊力具有多個(gè)離散頻率， 且多個(gè)離散頻率中的至少一個(gè)接近所述結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率。
4.如權(quán)利要求1或者2所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述敲擊力具有一個(gè)或者多個(gè) 頻段，且所述一個(gè)或者多個(gè)頻段中的至少一個(gè)涵蓋了接近所述結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率的 值。
5.如權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的方法，其中還包括步驟根據(jù)所述損傷指示值的 突變程度來(lái)確定損傷大小。
6.如權(quán)利要求1-4中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每 個(gè)位置處的損傷指示值的步驟包括為所述結(jié)構(gòu)表面中的所有位置，生成與所述位置處的譜圖包絡(luò)線相對(duì)應(yīng)的譜圖向量， 其中所述譜圖向量的每個(gè)分量為譜圖包絡(luò)線中某個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的譜值；以及為所述結(jié)構(gòu)表面中的每個(gè)位置，計(jì)算反映當(dāng)前位置處的譜圖向量和其他位置處的譜圖 向量的相似程度的損傷指示值。
7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述計(jì)算反映該位置處的譜圖向量和 其他位置處的譜圖向量的相似程度的損傷指示值包括( y.Y ]將損傷指示值計(jì)算為z k7, k；I / ，其中，^和、分別表示在所述結(jié)構(gòu)上的當(dāng)前位置和其他位置處的譜圖向量， 表示譜圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，lYj和|Yj|表示向量^和 Yj的長(zhǎng)度，以及n為所述結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)位置數(shù)量。
8.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述計(jì)算反映該位置處的譜圖向量和 其他位置處的譜圖向量的相似程度的損傷指示值包括計(jì)算MAC系數(shù)矩陣，其被計(jì)算為Y YMAC(i,j) = t '丨 二，其中，t和Y」分別表示在所述結(jié)構(gòu)上第i個(gè)和第j個(gè)部分的譜圖向量， 表示譜圖向 量的內(nèi)積運(yùn)算，lYj和|Yj|表示向量\和￥」的長(zhǎng)度；以及根據(jù)所述MAC系數(shù)矩陣中與該位置相對(duì)應(yīng)的行或者列元素的相對(duì)大小來(lái)確定該位置 的損傷指示值。
9.如權(quán)利要求1-8中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述結(jié)構(gòu)的形狀為細(xì)長(zhǎng) 型，沿所述結(jié)構(gòu)軸向的每個(gè)截面相似，所述敲擊裝置在所述結(jié)構(gòu)的表面上沿軸向進(jìn)行掃描， 所述傳感器感測(cè)所述結(jié)構(gòu)沿軸向方向每個(gè)位置處的響應(yīng)信號(hào)。
10.如權(quán)利要求1-8中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述傳感器為感測(cè)由 所述結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的加速度響應(yīng)的傳感器。
11.一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備，包括敲擊裝置，用于在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面上以具有預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊，其中所述預(yù) 定頻率接近所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一；以及傳感器，感測(cè)所述由待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)，其中所述傳感器感 測(cè)的響應(yīng)信號(hào)可以為位移、速度和加速度中的至少之一；其中所述敲擊裝置和所述傳感器集成在一起，以便所述敲擊裝置在所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表 面上進(jìn)行敲擊的同時(shí)，所述傳感器感測(cè)由所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到所述敲擊裝置的響應(yīng) 信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備，其中所述傳感器可以為加速度傳感器。
13.如權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備，其中所述預(yù)定頻率的值為所述待檢測(cè)結(jié) 構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一的士20%范圍之內(nèi)的某個(gè)值，更可取的是士 10%范圍之 內(nèi)的某個(gè)值，以及士5%范圍之內(nèi)的某個(gè)值。
14.如權(quán)利要求11-13中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備，其中所述敲擊力具有多 個(gè)離散頻率，且多個(gè)離散頻率中的至少一個(gè)接近所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)自然頻率。
15.如權(quán)利要求11-13中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，其中所述敲擊力具有一 個(gè)或者多個(gè)頻段，且所述一個(gè)或者多個(gè)頻段中的至少一個(gè)涵蓋了接近所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的至 少一個(gè)自然頻率的值。
16.一種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求11-15中的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備；以及信號(hào)處理部件，用于對(duì)所述結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備中的傳感器所感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理以 確定待檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的損傷位置，所述信號(hào)處理部件包括譜圖獲取裝置，用于對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在所述結(jié)構(gòu)表面 的每個(gè)位置處的信號(hào)譜圖；譜圖包絡(luò)線截取裝置，用于從所述信號(hào)譜圖中截取與所述敲擊力的預(yù)定頻率相對(duì)應(yīng)的 譜圖包絡(luò)線；損傷指示值計(jì)算裝置，用于計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值，該損傷指 示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的相似程度；以及損傷位置確定裝置，用于基于所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值來(lái)確定所述結(jié) 構(gòu)中的損傷位置。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述損傷指示值計(jì)算裝置為所述結(jié) 構(gòu)表面中的所有位置，生成與所述位置處的譜圖包絡(luò)線相對(duì)應(yīng)的譜圖向量，其中所述譜圖 向量的每個(gè)分量為譜圖包絡(luò)線中某個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的譜值；以及所述損傷指示值計(jì)算裝置為所述結(jié)構(gòu)表面中的每個(gè)位置，計(jì)算反映當(dāng)前位置處的譜圖 向量和其他位置處的譜圖向量的相似程度的損傷指示值。
18.如權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述損傷指示值計(jì)算裝置將損傷指 示值計(jì)算為其中，1和1分別表示在所述結(jié)構(gòu)上的當(dāng)前位置和其他位置處的譜圖向量， 表示譜 圖向量的內(nèi)積運(yùn)算，lYil和|Yj|表示向量1和￥」的長(zhǎng)度，以及n為所述結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)位置數(shù)量。
19.如權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述損傷指示值計(jì)算裝置被配置為 計(jì)算MAC系數(shù)矩陣，該MAC系數(shù)矩陣被計(jì)算為其中，t和Y」分別表示在所述結(jié)構(gòu)上第i個(gè)和第j個(gè)部分的譜圖向量， 表示譜圖向 量的內(nèi)積運(yùn)算，lYj和|Yj|表示向量\和￥」的長(zhǎng)度；以及根據(jù)所述MAC系數(shù)矩陣中與該位置相對(duì)應(yīng)的行或者列元素的相對(duì)大小來(lái)確定該位置 的損傷指示值。
20.如權(quán)利要求17-19中的任一個(gè)所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的 形狀為細(xì)長(zhǎng)型，沿所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)軸向的每個(gè)截面相似，所述敲擊裝置在所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu) 的表面上沿軸向進(jìn)行掃描，所述傳感器感測(cè)由所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到所述敲擊裝置在 所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)沿軸向方向每個(gè)位置處的響應(yīng)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，包括步驟使用敲擊裝置掃描結(jié)構(gòu)的表面，并且在掃描的同時(shí)以具有預(yù)定頻率的敲擊力進(jìn)行敲擊，該預(yù)定頻率接近所述結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)自然頻率之一；利用傳感器感測(cè)由所述待檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到敲擊裝置的響應(yīng)信號(hào)；對(duì)所述傳感器感測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行變換處理以獲取在所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的信號(hào)譜圖；從所述信號(hào)譜圖中截取與所述敲擊力的預(yù)定頻段相對(duì)應(yīng)的譜圖包絡(luò)線；計(jì)算所述結(jié)構(gòu)表面的每個(gè)位置處的損傷指示值，該損傷指示值反映了該位置處的譜圖包絡(luò)線與其他位置處的譜圖包絡(luò)線的相似程度；以及將其損傷指示值發(fā)生突變的位置確定為存在結(jié)構(gòu)損傷的位置。本發(fā)明還涉及利用該結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)系統(tǒng)以及其中使用的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)設(shè)備。
文檔編號(hào)G01N3/34GK101923027SQ20101019423
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者向志海, 張堯, 戴曉瑋, 陸秋海 申請(qǐng)人:清華大學(xué)