专利名称：利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法
技术领域：
本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种主动 健康监测中Lamb波结构损伤散射信号提�。佣肥迪止こ探峁顾鹕思嗖獾姆椒�。
背景技术：
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，必须对板类结构进行有效的 监测。结构损伤的在线监测要求相关信号发生和采集设备要相对简单，监测必须具有很 高的准确性和实时性。板类结构的损伤监测一般采用主动Lamb波的方法，即在结构表面或 内部集成一定数量的激励器和传感器(如压电元件)，除此之外，整个监测系统还包括信号 发生装置、功率放大器、信号放大器和数据采集设备等，在监测时首先向结构中激励一定的 波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波，采集到计算机中，通过对比结构 损伤前后响应信号的差异，获取结构损伤散射信号，再由计算机程序根据损伤散射波的到 达时刻、相位等信息确定损伤的位置和范围。根据Lamb波传播理论，Lamb波在板类结构内 的传播过程中存在频散及模式变换，不同频率的Lamb波信号的传播速度也不同。结构损伤 引起的Lamb波散射信号能量一般都非常�。爰だ髟诮峁怪屑だ腖amb波传播信号能 量往往相差一个数量级以上。而由于Lamb波在板结构中的传播无方向性，因此目前大都采 用结构损伤前后响应信号直接相减的方法来获取Lamb波损伤散射信号，此时，压电元件、 信号功率放大器以及数据采集设备受环境以及自身参数变化的影响将直接干扰损伤散射 信号的正确提取，很容易就产生偏差。这一问题对正确地分析声波传播过程以及提取损伤 散射信号的特征参数带来了困难，尤其是在复合材料板类结构损伤监测中，由于Lamb波信 号传播复杂，结构对信号吸收较快，使得这一问题变得更加复杂。例如目前飞行器结构采 用了大量的复合材料，且结构都很复杂，要研究飞行器结构的在线损伤监测，必须首先正确 提取损伤散射信号。因此，必须分析Lamb波的信号传播规律，正确提取Lamb波损伤散射信 号，以保证提取出与损伤相关的特征参数，确保监测结果的真实性、有效性和稳定性。基于以上考虑，本发明人针对现有的结构损伤散射信号提取方法进行研究改进， 本案由此产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术中的缺陷和不足，提供一种利 用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，其应用传感/激励阵列技术，在现有结构损 伤监测设备条件基础上，采用相关处理实现损伤监测系统中Lamb波损伤散射信号的提�。� 提高监测系统的准确性和稳定性。本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案是
一种利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，包括如下步骤(1)在待监测的工程结构上布置一组压电元件组成传感/激励阵列，其中，作为激励元 件的压电元件设为。，作为传感元件的压电元件设为Λ.，其中U= 1，2，3，…；
(2)采集工程结构在结构健康状态下所有激励/传感通道下的Lamb波健康基准信号 /A7i，其中厶 J·= 1，2，3，…；
(3)当结构发生损伤时，采集所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波响应信号 /。,.，其中厶)·=^』，…；
(4)提取所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波损伤散射信号，具体内容为
(41)将步骤(2)中得到的Lamb波健康基准信号ZSyi与步骤(3)中得到的结构损伤后 Lamb波响应信号f，Ji作互相关运算，得到运算结果的峰值时刻^和峰值大小Uji，并将峰 值大小Uji除以/S7y的自相关峰值，得到Lamb波健康基准信号的幅值大小Uji ；
(42) 将Lamb波健康基准信号f、与其对应幅值Uji相乘，得到结构损伤后Lamb波响 应信号中的健康信号部分；
(43)以结构损伤后Lamb波响应信号f、的时间序列为基准，并以该基准时间序列下 的时刻为信号fh，β的开始时刻，按照对应时刻点，将结构损伤后Lamb波响应信号f、 与信号fh ‘ Μ对应相减，得到Lamb波结构损伤散射信号fdJi0(5)根据前述步骤所得到的特征参数，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被 监测结构的健康情况。上述步骤(2)的详细步骤为
(21)在结构健康状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。上，在结构中激发激励信号；
(22)依次选取各压电元件作为传感元件，其中i=l，2，3，…，经电荷放大器将巧激 励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通 道下在结构健康状态下的Lamb波响应信号/^，其中i，j = 1,2,3,…；
(23)对前述每个Lamb波响应信号/^，其中i，J=1，2，3，…，根据其峰值大小分别进 行归一化处理，得到Lamb波健康基准信号/S"，其中i，j = 1,2,3,…。上述步骤(21)中，所述的激励信号为窄带信号。上述步骤(3)的详细步骤为
(31)当结构发生损伤时，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。上，在结构中激发窄带激励信号；
(32)依次选取各压电元件作为传感元件，其中i=l，2，3，…，经电荷放大器将巧激 励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通 道下在结构损伤时的Lamb波响应信号，其中i，J= 1,2,3,…。采用上述方案后，本发明所借用的基本原理是在确定了频厚积后，Lamb波传播 信号的传播特性基本确定，其速度等参数也就确定。结构中出现的损伤，相对于Lamb波传 播而言，是散射体，会对Lamb波传播信号进行散射。结构损伤前后的差别就是多了损伤这 一散射体，因此，对于Lamb波结构响应信号而言，结构损伤后的响应信号中即包含了结构 健康状态下的响应信号，又包含了损伤引起的散射信号。这两部分信号的来源与发生时刻 不同，而且前者的能量要比后者大的多。当环境或设备参数发生变化时，例如温度变化，必 然会引起响应信号幅值的变化，但并不会改变Lamb波信号的传播规律，即响应信号中各个波包的相对时刻和波峰不会改变，只是整个信号的幅值发生了变化。此时采用结构健康状 态下的Lamb波响应信号为基准信号，与损伤后的结构响应信号进行相关运算，根据相关运 算的规律，相关运算的结果表示两组信号的相关程度，基准信号与损伤后的结构响应信号 中健康响应信号部分实际是作自相关运算，完全相关，其相关值最大，因此最大相关值出现 的时刻必定是健康响应信号部分的出现时刻，同时最大相关值与基准信号的自相关最大值 的比值即为健康响应信号的幅值。进而得到损伤后的结构响应信号中健康响应信号部分， 按照对应时刻，将此部分信号减去后即得到了损伤引起的Lamb波散射信号。本发明可以有 效地消除环境以及设备参数变化对Lamb波损伤散射信号提取带来的干扰，有利于推动结 构健康监测技术的推广和应用。
图1是本发明中传感/激励阵列的布局示意图； 图2是本发明中窄带激励信号的波形时域图3a是本发明中某一通道下在图2所示窄带信号激励下结构健康状态下的Lamb波响 应信号波形图3b是对图3a中所示信号进行归一化后的波形图4是本发明中某一通道下在图2所示窄带信号激励下结构损伤时的Lamb波响应信 号波形图5是激励信号、图3a所示结构损伤后的Lamb波结构响应信号、以及图3a与图4所 示结构损伤前后的Lamb波响应信号直接对应相减得到的差信号三者之间的对比示意图； 图6a是本发明中将图4与图3b所示信号进行互相关运算的波形示意图； 图6b是从图6a所示相关运算结构中得到的结构健康状态响应信号幅值和发生时刻； 图6c是损伤后结构响应信号中包含的结构健康状态下的响应信号被分离出来后与原 信号的对比情况；
图7是采用本发明得到的Lamb波损伤散射信号的示意图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的实现过程进行详细说明。本发明提供一种利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，包括如下步骤
(1)在待监测的工程结构上布置一组压电元件组成传感/激励阵列，其中，作为激励元 件的压电元件设为巧，作为传感元件的压电元件设为Λ.，且U= 1，2，3，…；
在本实施例中，配合图1所示，取i=l，2，J=l，这3个压电元件均固定于试件上，所述 的试件为环氧玻璃纤维增强复合材料板，尺寸为SOOmmX 200mmX 2mm ；3个压电元件呈直线 排列，以试件的中心点为坐标原点，3个压电元件A、B、C的坐标分别为(50mm，0mm)、(0mm, 0mm)、(一 50mm, 0mm)，在本实施例中，采用压电元件A作为激励元件，另外两个压电元件B、C 作为传感元件，损伤类型选择典型的通孔损伤，实施例中在坐标为(0mm，35mm)位置用电钻 打出一个直径约4mm的孔，形成通孔损伤，分别采集和分析损伤前后两种状态下的响应信 号；
(2)采集结构健康状态下的Lamb波健康基准信号(/、.,.)，其详细内容为(21)在结构健康状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。(也即压电元件A)上，在结构中激发窄带激励信号，在本实施例中，所述的 窄带激励信号为正弦调制信号，中心频率为30KHZ，如图2所示；
(22)依次选取各压电元件Λ.( ，2)作为传感元件，经电荷放大器将。激励下的Lamb 波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通道下在结构 健康状态下的Lamb波响应信号(/},.) U, J= 1,2,3, ···)，如图3a即示出了户l，i=2时采 集得到的结构健康状态下的Lamb波响应信号(/12)；
(23)对 前述每个Lamb波响应信号(Z7y)Ur j = 1,2, ,,…)，根据其峰值大小分别进 行归一化处理，得到信号(/Ayi) Ur j = 1,2,3, ···)，即为Lamb波健康基准信号，户l，i=2 时的Lamb波健康基准信号可如图3b所示；
(3)当结构发生损伤时，重复步骤(21) (22)，得到所有激励/传感通道下结构损伤 后的Lamb波响应信号(/、)UrJ= 1,2,3,…)，其详细内容为
(31)当结构发生损伤时，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。上，在结构中激发窄带激励信号；
(32)依次选取各压电元件Λ.(i=l，2，3，…)作为传感元件，经电荷放大器将巧激励 下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通道 下在结构损伤时的Lamb波响应信号(/、)UrJ= 1,2,3,…)，j‘=l，i=2时的信号(广12) 如图4所示；
将图4与图3a进行对比可知，由于与结构健康状态下采集的信号相隔时间较长，环境 参数发生了改变(如温度)，从而影响了传感元件和放大器的参数，在信号的幅值上存在偏 差，具体来说，前期采集到的系统噪声信号相当，没有发生明显变化，这表明采集系统的参 数没有发生变化，而响应信号的幅值均存在一定程度的减小，根据损伤与激励/传感阵列 的位置关系，损伤散射信号不会影响到主波峰幅值，因此该情况下得到的结构损伤前后响 应信号无法直接相减。另一方面，如图5所示，是将激励信号、图3a所示结构损伤后的Lamb波结构响应 信号、以及图3a与图4所示结构损伤前后的Lamb波响应信号与(/、)相减得到的差 信号进行对比的情况，从图中可以看出，差信号的波形与损伤后结构响应信号基本相同，因 此此时的差信号实际上主要是由于压电片以及放大系统参数发生改变引起的偏差，不能正 确反映损伤引起的信号变化。(4)提取所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波损伤散射信号，仍然以P1为 激励、P2为传感时采集的信号为例，具体内容为
(41)将步骤(2)中得到的Lamb波健康基准信号(/力 )与步骤(3)中得到的结构损伤 后Lamb波响应信号U·，12)作互相关运算，得到运算结果的峰值时刻t12和峰值大小U12，如 图6a所示，并将峰值大小U12除以(/、》的自相关峰值，得到Lamb波健康基准信号的幅值 大小"⑵可参考图6b所示；
重复上述过程得到所有取值的%和Uji ；
(42)将Lamb波健康基准信号(/、》与其对应幅值U12相乘，得到结构损伤后Lamb波响 应信号中的健康信号部分(Jh ‘ 12\配合图6c所示，将该Hh ‘ 12)与原信号if，12)进行对比 可以看出，损伤前后结构响应信号的主波峰基本相当，消除了环境参数变化带来的影响；(43)以结构损伤后Lamb波响应信号(广的时间序列为基准，并以该基准时间序列 下的时刻为信号(Sh，12)的开始时刻，按照对应时刻点，将结构损伤后Lamb波响应信号 if' 12)与信号‘ 12)对应相减，得到Lamb波结构损伤散射信号(/‘)，见图7所示，此时 损伤散射信号波包显露出来；
重复上述过程，得到所有j、i取值的损伤散射信号(Sdji)0(5)根据前述步骤所得到的各损伤散射信号波包到达时刻、相位等特征参数，得出 损伤的位置和范围(可采用椭圆定位法、时间反转成像法等方法)，从而分析、判定被监测结 构的健康情况。需要说明的是，作为激励/传感阵列的压电元件的个数，可以根据待监测结构的 实际情况进行确定，理论上3个压电元件就可以组成一个监测单元，结构较大时根据情况 可通过布置多个压电元件组成传感网络，采用扫查的方式进行，网络中每一单元的监测具 体步骤相同。综上所述，本发明所提供的方法具有以下优点
(1)提高了基于主动Lamb波技术的结构损伤监测方法的准确性，有利于该项技术的实 用化；
(2)本发明的方法使得环境参数对监测系统和激励/传感阵列的影响得以消除，监测 过程中系统无需预热即可测量，提高了实时性；
(3)本发明的方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可 以实现；
(4)本发明实现方法简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识，只是针对结构 损伤前后的响应信号进行处理。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
权利要求
1.一种利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，其特征在于包括如下步骤(1)在待监测的工程结构上布置一组压电元件组成传感/激励阵列，其中，作为激励元 件的压电元件设为。，作为传感元件的压电元件设为Λ.，其中U= 1，2，3，…；(2)采集工程结构在结构健康状态下所有激励/传感通道下的Lamb波健康基准信号 /Xyi，其中 i，J·= 1，2，3，…；(3)当结构发生损伤时，采集所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波响应信号 /。,.，其中i，J·= 1，2，3，…；(4)提取所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波损伤散射信号，具体内容为(41)将步骤(2)中得到的Lamb波健康基准信号/Xyi与步骤(3)中得到的结构损伤后 Lamb波响应信号f，Ji作互相关运算，得到运算结果的峰值时刻^和峰值大小Uji，并将峰 值大小Uji除以/X7y的自相关峰值，得到Lamb波健康基准信号的幅值大小Uji ；(42)将Lamb波健康基准信号f、与其对应幅值Uji相乘，得到结构损伤后Lamb波响 应信号中的健康信号部分；(43)以结构损伤后Lamb波响应信号f、的时间序列为基准，并以该基准时间序列下 的时刻为信号fh，β的开始时刻，按照对应时刻点，将结构损伤后Lamb波响应信号f、 与信号fh ‘ Μ对应相减，得到Lamb波结构损伤散射信号fdji ；(5)根据前述步骤所得到的特征参数，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测 结构的健康情况。
2.如权利要求1所述的利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，其特征在于 所述步骤(2)的详细步骤为(21)在结构健康状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。上，在结构中激发激励信号；(22)依次选取各压电元件作为传感元件，其中i=l，2，3，…，经电荷放大器将巧激 励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通 道下在结构健康状态下的Lamb波响应信号/^，其中i，j = 1,2,3,…；(23)对前述每个Lamb波响应信号/^，其中i，J=1，2，3，…，根据其峰值大小分别进 行归一化处理，得到Lamb波健康基准信号/ "，其中i，j = 1,2,3,…。
3.如权利要求2所述的利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，其特征在于 所述步骤(21)中，所述的激励信号为窄带信号。
4.如权利要求1所述的利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，其特征在于 所述步骤(3)的详细步骤为(31)当结构发生损伤时，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作 为激励元件的。上，在结构中激发窄带激励信号；(32)依次选取各压电元件作为传感元件，其中i=l，2，3，…，经电荷放大器将巧激 励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到所有激励/传感通 道下在结构损伤时的Lamb波响应信号，其中i，J= 1,2,3,…。
全文摘要
本发明公开一种利用信号分解的Lamb波工程结构损伤监测方法，包括如下步骤采集工程结构在结构健康状态下的Lamb波健康基准信号fhji，其中，i，j＝1，2，3，…；当结构发生损伤时，采集所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波响应信号f’ji；利用相关运算提取所有激励/传感通道下结构损伤后的Lamb波损伤散射信号；根据前述步骤所得到的特征参数，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测结构的健康情况。此种方法在现有结构损伤监测设备条件基础上，采用相关处理实现损伤监测系统中Lamb波损伤散射信号的提�。岣呒嗖庀低车淖既沸院臀榷ㄐ�。
文档编号G01N29/04GK102128881SQ20101060009
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者江兵, 王强, 袁慎芳, 陈小惠 申请人:南京邮电大学
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