專利名稱：一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板 類工程結(jié)構(gòu)主動(dòng)Lamb波損傷監(jiān)測(cè)的方法，尤其涉及一種基于弧形壓電陣列和合成波陣面的主動(dòng)Lamb波工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、可靠性要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測(cè)和診斷日益引起人們的高度重視，為了防止結(jié)構(gòu)損傷所帶來的災(zāi)難或損失，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測(cè)要求相關(guān)信號(hào)發(fā)生和采集設(shè)備要具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)必須具有很高的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。板類結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)一般采用主動(dòng)Lamb波的方法，主要通過損傷散射信號(hào)特征來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。首先，在結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部集成一定數(shù)量的激勵(lì)器和傳感器，如壓電元件，除此之外，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括信號(hào)發(fā)生裝置、功率放大器、信號(hào)放大器和數(shù)采設(shè)備等，在監(jiān)測(cè)時(shí)首先向結(jié)構(gòu)中激勵(lì)一定的波形，通過傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以及損傷產(chǎn)生的散射波，采集到計(jì)算機(jī)中，通過對(duì)比結(jié)構(gòu)損傷前后響應(yīng)信號(hào)的差異，獲取結(jié)構(gòu)損傷散射信號(hào)，計(jì)算機(jī)程序根據(jù)損傷散射波的到達(dá)時(shí)刻、相位等信息確定損傷的位置和范圍。在現(xiàn)有的主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)技術(shù)中，大多采用單一壓電片進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出的Lamb波能量有限，結(jié)構(gòu)損傷對(duì)激勵(lì)信號(hào)的波散射信號(hào)能量也就更加微弱，難易準(zhǔn)確捕獲。針對(duì)這一問題，一些先進(jìn)的信號(hào)處理理論和壓電陣列技術(shù)被應(yīng)用到現(xiàn)有的主動(dòng)Lamb 波監(jiān)測(cè)技術(shù)中，如相控陣技術(shù)、時(shí)間反轉(zhuǎn)理論等。這些技術(shù)和方法根據(jù)一些先進(jìn)信息處理理論，綜合利用各傳感信號(hào)之間的相關(guān)性，來分析和處理Lamb結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，提高監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，由于Lamb波傳播的特殊性，上述的方法在應(yīng)用過程中依然存在一定的問題，如相控陣技術(shù)基于遠(yuǎn)場(chǎng)理論，而主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)技術(shù)并不滿足這一點(diǎn)，同時(shí)單一線陣無法區(qū)分損傷處于線陣的哪一側(cè)，而時(shí)間反轉(zhuǎn)方法到目前為止還無法實(shí)現(xiàn)物理上的Lamb波損傷散射信號(hào)聚焦?；谝陨峡紤]，本發(fā)明人針對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究改進(jìn)，本案
由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的，在于提供一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其應(yīng)用弧形傳感器/激勵(lì)器陣列技術(shù)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)設(shè)備條件基礎(chǔ)上，采用合成波陣面方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的激勵(lì)信號(hào)，從而提高損傷散射信號(hào)的能量以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為了解決上述技術(shù)目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，包括下列步驟
(1)在結(jié)構(gòu)上布置一組壓電片組成弧形傳感/激勵(lì)陣列，各壓電片組成的弧形陣列與以弧形圓心為波源、以弧形半徑為傳播距離的波陣面重合；
(2)采集結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)；(3)采集結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)；
(4)提取合成波陣面激勵(lì)下所有激勵(lì)/傳感通道下的Lamb波損傷散射信號(hào)，具體內(nèi)容
為
(41)將步驟(2)中得到的Lamb波基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)與步驟(3)中得到的結(jié)構(gòu)損傷后Lamb 波響應(yīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)相減，得到相應(yīng)的差信號(hào)；
(42)將以某一壓電片作為傳感器的所有差信號(hào)相加，得到其在弧形壓電陣列合成陣面激勵(lì)下的損傷散射信號(hào)；
(43)依次選擇壓電陣列中的壓電片，得到合成波陣面激勵(lì)下的所有損傷散射信號(hào)；
(5)根據(jù)前述損傷散射信號(hào)，得出損傷的位置和范圍，從而分析、判定被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康情況。上述步驟(2)的詳細(xì)步驟為
(21)在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，選定一個(gè)壓電片作為激勵(lì)元件，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波超聲信號(hào)加載到該壓電片上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵(lì)信號(hào)；
(22)選定陣列中不同于前述激勵(lì)元件的另一個(gè)壓電片作為傳感器獲取所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將該結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)傳感、放大并采集進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)中，得到當(dāng)前狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)；
(23)依次選定陣列中的各壓電片作為激勵(lì)元件，得到所有激勵(lì)/傳感通道下的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)。上述Lamb波超聲信號(hào)為窄帶Lamb信號(hào)。上述步驟(3)的詳細(xì)步驟為
(21)當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，選定一個(gè)壓電片作為激勵(lì)元件，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波超聲信號(hào)加載到該壓電片上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵(lì)信號(hào)；
(22)選定陣列中不同于前述激勵(lì)元件的另一個(gè)壓電片作為傳感器獲取所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將該結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)傳感、放大并采集進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)中，得到當(dāng)前狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)；
(23)依次選定陣列中的各壓電片作為激勵(lì)元件，得到所有激勵(lì)/傳感通道下的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)。上述Lamb波超聲信號(hào)為窄帶Lamb信號(hào)。上述步驟(5)中，在計(jì)算信號(hào)傳播距離時(shí)，以弧形壓電陣列圓心為虛擬波源點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)于虛擬波源點(diǎn)和弧形陣列的位置，在監(jiān)測(cè)信號(hào)傳播距離上分別減去或加上弧形半徑。本發(fā)明的基本原理是利用多個(gè)壓電片組成的弧形壓電陣列進(jìn)行同相激勵(lì)，組成合成波陣面，該波陣面的能量將遠(yuǎn)大于弧形圓心處單一壓電元件激勵(lì)出的信號(hào)波陣面能量，進(jìn)而得到的損傷散射信號(hào)能量也將大大增強(qiáng)；同時(shí)，利用時(shí)分復(fù)用的原理，采用逐個(gè)激勵(lì)、再同相相加的方式，簡(jiǎn)化操作過程，并降低對(duì)設(shè)備的要求。本發(fā)明可以有效提高主動(dòng) Lamb波損傷監(jiān)測(cè)中損傷散射信號(hào)的能量，有利于消除環(huán)境以及設(shè)備參數(shù)變化對(duì)Lamb波損傷散射信號(hào)提取帶來的干擾，推動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。采用上述方案后，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明的方法增強(qiáng)了主動(dòng)Lamb波損傷監(jiān)測(cè)中的損傷散射信號(hào)信噪比，提高了結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性，有利于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化；
(2)相對(duì)于基于線陣的合成波陣面激勵(lì)方式，由于本發(fā)明消除了線陣的上下對(duì)稱性，可以克服線陣方式中存在的對(duì)稱面虛像問題；
(3)本發(fā)明的方法在實(shí)現(xiàn)過程中無需更改或增加設(shè)備和參數(shù)，利用現(xiàn)有硬件系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明中弧形壓電傳感器/激勵(lì)器陣列及合成波陣面原理示意圖中a、合成波陣面初試階段示意圖及虛擬波源；b、合成波陣面?zhèn)鞑ブ料掳肫矫骐A段的示意圖及虛擬波源；
圖2是由11片壓電陣列組成的弧形壓電傳感器/激勵(lì)器陣列及損傷位置示意圖； 圖中編號(hào)1 11為弧形壓電陣列中各元件的編號(hào)，0號(hào)壓電片位于弧形的圓心處，用于對(duì)比監(jiān)測(cè)效果；
圖3是中心頻率為50KHz的窄帶激勵(lì)信號(hào)波形時(shí)域圖； 圖4是1號(hào)壓電片采集得到的Lamb波損傷散射信號(hào)合成過程； 圖中/12表示壓電陣列中2號(hào)壓電片激勵(lì)、1號(hào)壓電片傳感得到的損傷散射信號(hào)，/12、 fn^f^依此類推；A為采用時(shí)分復(fù)用方式從1號(hào)壓電片得到的合成波陣面激勵(lì)下的損傷散射信號(hào)；
圖5是本發(fā)明方法與傳統(tǒng)單一壓電片方法得到的損傷散射信號(hào)對(duì)比； 圖6是采用本發(fā)明方法得到的損傷1成像監(jiān)測(cè)結(jié)果； 圖中“〇”表示壓電元件的位置，“*”表示損傷的實(shí)際位置； 圖7是采用本發(fā)明方法得到的損傷2成像監(jiān)測(cè)結(jié)果； 圖中“〇”表示壓電元件的位置，“*”表示損傷的實(shí)際位置。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的有益效果進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1和圖2所示，是本發(fā)明所采用的一個(gè)實(shí)施例的試件及壓電陣列布局，其中試件為環(huán)氧玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板，尺寸為IOOmmX IOOOmmX 2mm，采用P5壓電陶瓷片組成壓電陣列，壓電片直徑為8mm、厚度0. 48mm。以試件板中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在起始位置為正向χ軸、半徑為50mm的圓環(huán)上，以18度為間隔均勻布置了 11片壓電片組成弧形壓電陣列， 并在弧形圓心布置一片0號(hào)壓電片以作對(duì)比分析，所有的壓電片編號(hào)如圖2所示。在 (100mm, 100mm)和(0mm，一 100mm)位置通過加載的方式模擬兩處損傷的發(fā)生。本實(shí)施例包括下列步驟
(1)采集結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)
如圖2所示，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和區(qū)域布置11個(gè)壓電片組成弧形壓電傳感/激勵(lì)陣列。在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，選擇一個(gè)壓電片(Λ.) U =1，2，3，…，11)作為激勵(lì)元件，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將設(shè)定的窄帶激勵(lì)信號(hào)加載到該激勵(lì)元件上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)Lamb 波信號(hào)，該信號(hào)為正弦調(diào)制信號(hào)，中心頻率50KHz，如圖3所示；選定除前述壓電片(。)外的其它壓電片Λ. (i = l，2，3，…，11;且i興j‘)作為傳感器，經(jīng)電荷放大器放大將結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)采集到控制計(jì) 算機(jī)中，完成一組測(cè)量，得到一組健康基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)(A7)；也即激勵(lì)元件與傳感器均從1 11號(hào)壓電片中選出，且二者同時(shí)不為同一個(gè)壓電片。重復(fù)上述過程可以得到全部的健康基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)(/")。同時(shí)，為了對(duì)比，選擇弧形陣列圓心處的0號(hào)壓電片為激勵(lì)元件，重復(fù)上述過程， 采集獲取健康基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)(/,ο)。(2)采集結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)
當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，重復(fù)步驟(1)中的所有過程，得到所有激勵(lì)/傳感通道下的結(jié)構(gòu)損傷后的Lamb波響應(yīng)信號(hào)(廣“)。同時(shí)，為了對(duì)比，選擇弧形陣列圓心處的0號(hào)壓電片為激勵(lì)元件，重復(fù)上述過程， 采集獲取損傷信號(hào)(/~ )。(3)提取Lamb波損傷散射信號(hào)
將前述步驟中得到的健康狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)(Sij)與損傷狀態(tài)下的信號(hào)(廣“) 對(duì)應(yīng)相減，得到差信號(hào)(為P。將從第i個(gè)壓電傳感器上得到的所有差信號(hào)相加，得到來自弧形壓電陣列合成波陣面激勵(lì)下的損傷散射信號(hào)Csi)
權(quán)利要求
1.一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟(1)在結(jié)構(gòu)上布置一組壓電片組成弧形傳感/激勵(lì)陣列，各壓電片組成的弧形陣列與以弧形圓心為波源、以弧形半徑為傳播距離的波陣面重合；(2)采集結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)；(3)采集結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)；(4)提取合成波陣面激勵(lì)下所有激勵(lì)/傳感通道下的Lamb波損傷散射信號(hào)，具體內(nèi)容為(41)將步驟(2)中得到的Lamb波基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)與步驟(3)中得到的結(jié)構(gòu)損傷后Lamb 波響應(yīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)相減，得到相應(yīng)的差信號(hào)；(42)將以某一壓電片作為傳感器的所有差信號(hào)相加，得到其在弧形壓電陣列合成陣面激勵(lì)下的損傷散射信號(hào)；(43)依次選擇壓電陣列中的壓電片，得到合成波陣面激勵(lì)下的所有損傷散射信號(hào)；(5)根據(jù)前述損傷散射信號(hào)，得出損傷的位置和范圍，從而分析、判定被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康情況。
2.如權(quán)利要求1所述的一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(2)的詳細(xì)步驟為(21)在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，選定一個(gè)壓電片作為激勵(lì)元件，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波超聲信號(hào)加載到該壓電片上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵(lì)信號(hào)；(22)選定陣列中不同于前述激勵(lì)元件的另一個(gè)壓電片作為傳感器獲取所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將該結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)傳感、放大并采集進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)中，得到當(dāng)前狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)；(23)依次選定陣列中的各壓電片作為激勵(lì)元件，得到所有激勵(lì)/傳感通道下的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述Lamb波超聲信號(hào)為窄帶Lamb信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(3)的詳細(xì)步驟為(21)當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，選定一個(gè)壓電片作為激勵(lì)元件，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波超聲信號(hào)加載到該壓電片上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵(lì)信號(hào)；(22)選定陣列中不同于前述激勵(lì)元件的另一個(gè)壓電片作為傳感器獲取所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將該結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)傳感、放大并采集進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)中，得到當(dāng)前狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)；(23)依次選定陣列中的各壓電片作為激勵(lì)元件，得到所有激勵(lì)/傳感通道下的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下的Lamb波響應(yīng)信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述Lamb波超聲信號(hào)為窄帶Lamb信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(5)中，在計(jì)算信號(hào)傳播距離時(shí)，以弧形壓電陣列圓心為虛擬波源點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)于虛擬波源點(diǎn)和弧形陣列的位置， 在監(jiān)測(cè)信號(hào)傳播距離上分別減去或加上弧形半徑。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用合成波陣面激勵(lì)的工程結(jié)構(gòu)損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，步驟為采集結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)；采集結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)；提取合成波陣面激勵(lì)下所有激勵(lì)/傳感通道下的Lamb波損傷散射信號(hào)；根據(jù)前述損傷散射信號(hào)，得出損傷的位置和范圍，從而分析、判定被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康情況。此種方法應(yīng)用弧形傳感器/激勵(lì)器陣列技術(shù)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)設(shè)備條件基礎(chǔ)上，采用合成波陣面方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的激勵(lì)信號(hào)，從而提高損傷散射信號(hào)的能量以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102323337SQ201110157310
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者江兵, 王強(qiáng), 袁慎芳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)