专利名称：一种结构损伤检测系统、设备以及结构损伤检测方法
技术领域：
本发明涉及结构损伤检测系统、设备及结构损伤检测方法，尤其涉及一种无损地 对工程结构的损伤进行检测的结构损伤检测系统、设备以及结构损伤检测方法。
背景技术：
工程结构在制造和使用过程中由于工艺原因或使用载荷的作用，往往会产生一些 局部损伤，比如裂纹、凹坑、脱粘等等，这些损伤积累到一定程度就会影响结构的正常使用。 为确保结构能够正常运行，在其交付使用前或服役一段时间后都需要对之进行损伤检测。 比如桥梁在通车前需要进行成桥试验以确保达到设计要求，在使用期内需要进行定期的常 规检测或不定期的特殊检测，以便及时发现结构中出现的损伤。再如机翼蒙皮等航空构件， 只有其内部的损伤小于规定的程度才能交付使用，而使用一段时间后，又需要对这些构件 重新进行损伤检测以确保今后的飞行安全。通常对这些工程结构进行检测不能另外造成这些工程结构的损伤，因此，这种检 测方法也称为结构无损检测技术。现有的结构无损检测技术大致可分为局部检测和整体检 测两个类别(1)局部检测技术通过人的肉眼观察或借助于X射线、红外线、超声波、雷达和磁 涡流等方式进行损伤探测。这类技术虽然对局部区域具有较高的损伤检测精度，但如果事 先不知道损伤的大致区域，要用它们对工程结构的每个区域进行依次检测是非常费时的。 此外，有些工程结构还存在利用局部检测技术无法检测到的死角。(2)整体检测技术通过在工程结构上布设传感器来测量工程结构在外加激励下的 静位移、速度、加速度等响应，并以此反演出工程结构中的损伤。如果事先在工程结构中预 埋传感器，还可以实现对损伤情况的实时监测，但此时只能利用工程结构工作时的环境激 励所激发出来的结构响应进行损伤反演。相对于局部检测技术，整体检测技术的检测效率 较高。但是整体检测技术具有如下缺点。首先，如果外加激励施加不当，工程结构的响应可 能无法充分反映出损伤情况，从而影响检测精度。比如，如果静载荷较�。こ探峁怪械牧� 纹不能充分张开，那么静位移就对这种损伤不敏感。另外，由于损伤是工程结构的局部特 征，它对结构动态特性的影响往往只体现在较高阶频段上，因此如果外加激励不能激发出 工程结构的高阶响应，那么损伤反演的精度就较差，因此导致整体检测所获得的结果精度 较低。此外，整体法还存在着传感器的合理布设、传感器的耐久性、环境噪声的干扰以及信 号的采集和传输等问题。基于Cawley建立的敲击力学模型的敲击法可以检测复合材料层合板中的损伤。 该敲击力学模型认为当力锤敲击到结构损伤部位时，由于局部刚度的降低使得该处的敲击 力时程信号较敲击到完整部位时产生的敲击力信号，峰值较�。矶冉洗�。据此，计算敲击 力频谱曲线和频率坐标轴所围的面积，可以得到一个特征参数R，通过比较完好和损伤部位 的R值就可以识别出损伤。另外也可以直接比较损伤前后的敲击力时程信号的宽度以识别 损伤。敲击法也是一种局部检测技术，它不需要把传感器固定在结构上，而且由于能够采集到结构局部刚度的变化，所以对损伤比较敏感。不过这种方法使用了整个频段的敲击力频 谱信息，这就在一定程度上降低了损伤识别的精度，这是因为(1)损伤往往体现在敲击力 的较高阶频段上，使用整个频段信息会掩盖对损伤敏感频段的信息；(2)整个频段的信息 中包含了环境噪声的成份。另外敲击力谱线所覆盖的频率范围是由结构刚度以及锤头的刚 度决定的。为了获得高阶频段谱线，虽然可以通过使用硬度较高的锤头实现，但这并不能精 确地控制频谱的范围。即便能够激发出高阶频谱，这些高频成份在整个频段上所占的比例 往往较�。庖不嵊跋焖鹕思觳饩�。最后，该方法要求事先知道完整结构的特征参数，这 也对其使用带来了不便。现有的敲击式损伤检测仪器只能可靠地检测出结构2mm厚度内直 径约大于10mm的损伤。在桥梁损伤检测领域，杨永斌等人提出了一种利用行驶的车辆作为激励、通过车 辆的加速度信号来提取桥梁基频的方法。这种方法的优点是不需要在桥梁上安装传感器， 而且测量过程不会影响桥梁的正常运行。但是该方法没有在车辆上安装敲击装置，因此很 难激发出桥梁的较高频响应，所得的加速度信号对局部损伤不敏感，而仅根据桥梁的基频 是很难检测出结构的损伤的。因此，期望提供一种不需要事先知道工程结构的完整特征信息、就可以方便、快速 且准确地检测工程结构中的损伤的结构损伤检测方法及结构损伤检测设备。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上 述问题的结构损伤检测方法及结构损伤检测设备。受上述行进车辆检测方法和敲击检测方法的启示，本发明提供了一种通过安装有 敲击设备的可以行进的检测设备来识别待检测结构的损伤的敲击-扫描方法。通过为待检 测结构设计特定的敲击力和检测设备行进方式，即使在充满噪声的环境中，检测设备也可 以相当灵敏地检测出损伤，并且不需要待检测结构的完整特征信息，因此，非常便于工程实 施。根据本发明的一个方面，提供了一种利用结构损伤检测设备来检测结构损伤的方 法，其中该结构损伤检测设备包括敲击装置和传感器，所述方法包括步骤使用所述结构 损伤检测设备沿着所述结构的表面进行扫描，其中在进行扫描的同时，所述结构损伤检测 设备中的敲击装置以包括预定频率的敲击力进行敲击，该预定频率接近所述结构的自然频 率；利用所述结构损伤检测设备中的传感器感测在所述结构表面的每个位置处、由所述结 构表面传递到所述敲击装置的响应信号，其中所述传感器感测的信号可以为位移、速度和 加速度中的至少之一；对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在所述结构表面的 每个位置处的信号谱图；从所述信号谱图中截取与所述敲击力的预定频率相对应的谱图包 络线；计算所述结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱 图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度；以及将损伤指示值发生突变的位置确定 为存在结构损伤的位置。根据本发明的另一个方面，提供了一种结构损伤检测设备，包括敲击装置，用于 在待检测结构表面上以具有预定频率的敲击力进行敲击，其中所述预定频率接近所述待检 测结构的自然频率；以及传感器，感测所述由待检测结构表面传递到敲击装置的响应信号，其中所述传感器感测的响应信号可以为位移、速度和加速度中的至少之一；其中所述敲击 装置和所述传感器集成在一起，以便所述敲击装置在所述待检测结构表面上进行敲击的同 时，所述传感器感测由所述待检测结构表面传递到所述敲击装置的响应信号。根据本发明的还有一个方面，提供了一种结构损伤检测系统，包括根据本发明 的结构损伤检测设备；以及信号处理部件，用于对所述结构损伤检测设备中的传感器所感 测到的信号进行处理以确定待检测结构中的损伤位置，所述信号处理部件包括谱图获取 装置，用于对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在所述结构表面的每个位置处 的信号谱图；谱图包络线截取装置，用于从所述信号谱图中截取与所述敲击力的预定频率 相对应的谱图包络线；损伤指示值计算装置，用于计算所述结构表面的每个位置处的损伤 指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程 度；以及损伤位置确定装置，用于基于所述结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定所 述结构中的损伤位置。根据本发明的结构损伤检测方法、设备和系统可以设定敲击力的大小和频段，这 样既有利于激发出损伤信息，又可以避开环境噪声的干扰，此外，本发明仅仅对由待检测结 构表面传递到敲击装置的响应中与敲击力的频段相对应的频段的响应信号进行进一步处 理，这可以提高检测精度。另外，根据本发明的结构损伤检测方法、设备和系统不需要事先知道无损结构的 完整特征信息，更便于实施；并且适用于在航空航天、土木和机械等任何可能发生结构材料 的各种形式损伤的领域中应用。
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中图1是用于说明本发明原理的结构损伤检测设备的简化视图；图2是根据本发明一个实施例的结构损伤检测系统100的示意图；图3是根据本发明另一个实施例的结构损伤检测系统200的俯视示意图；图4是根据本发明另一个实施例的结构损伤检测系统200的沿图3中的A向的正 视示意图；图5是MAC矩阵元素的分布图；以及图6示意性地示出了根据本发明一个实施例的结构损伤检测方法的流程图。 具体实施例下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。在具体描述本发明的实施例之前，首先结合附图阐述一下本发明的原理。图1是用于说明本发明原理的结构损伤检测设备的简化模型。如图1所示，其中采 用了一个简化模型来说明本发明所提出的敲击-扫描方案的理论基础。在这个模型中，将 结构损伤检测设备建模为在具有kv刚度的弹簧上的质量块M，并且该质量块上安装有两组 相对的不同轴转轮W『，这些转轮中的每个从初始角开始以恒定角速度砀(i = 1,2,-",N)旋转，以模拟敲击力的发生器。此外，在该模型中，还将待检测结构模拟为长度为L的二 维简支梁，该简支梁被建模为具有弯曲刚度EI以及每单位长度质量为m的平面伯努利-欧 拉(Bernoulli-Euler)梁。结构损伤检测设备以恒定速度v移动通过该梁。为了简化并仍 然保持该问题的实质，这里暂时省略了其他的实际因素，如阻尼和表面粗糙度等。然而，如 下面的数值模拟结果中所示的那样，即使在将这些实际因素考虑在内时，本发明所提出的 敲击_扫描方案的仍然是有效的。为了获得对结构损伤灵敏的检测设备动态响应，必须解决考虑了敲击力的检测设 备与结构的交互作用问题。根据图1描述的简化模型，检测设备和梁(即待检测结构)的 动力学方程可以描述为 其中yv和yB分别是根据静态平衡位置而测量得到的检测设备和梁的位移。这里 我们忽略由于检测设备和梁的重力而引起的梁变形。因此，当检测设备处于整个梁上的不 同位置时，静态平衡位置总是处于相同水平。此外，符号上的双点表示相对于时间t的偏导
数；义1V)k表示在检测设备的弹簧刚度和梁刚度kB之间的串联等效刚度 可以将在接触点处的梁刚度或者弹性常数kB计算为在接触点处作用的载荷除以 在该点处产生的扰度的比值。使用材料力学的基本理论，可以容易得知在单位载荷下、在位
置X处的无损伤的梁的挠度为k^if 因此，在接触点X = Vt处的梁刚度kB为 因为kB沿着梁变化，所以等效刚度k也随着位置x而改变。在方程⑴中的F(t)是施加到检测设备上的敲击力 以及f(t) 6 (x-vt)是在检测设备和梁之间的接触力。这里，5是克罗内克 (KroneckeiOdelta函数，其指示接触力的移动。函数f(t)可以表述为 对于梁结构，可以将力学损伤定义为刚度或者阻尼的突然变化(这可以由局部阻 抗来表示，或者可以有效地由瞬时刚度Z(x)来表示。根据方程(1)、(2)和(6)，可以得到 上式可以被重写为 由于敲击力F和检测设备的质量2A玩+ M为常数，因此3V相对于损伤的灵敏度系 数中，力的值起着关键的作用。使用模态叠加方法，梁的位移可以表示为 其中
，是第j个模态以及qBj (t)是对应的模态坐标。将方程(9)代入方程(2)中，在方程(2)两端乘以約(X)，并且在整个梁长度上进
行积分，可以得到 其中《B1是梁的第j个自然角频率 将方程
以及代入到方程(io)中，可以得出 通常3V g，否则就不能确保在检测设备和梁之间的稳固接触。因此，方程(12) 可以近似为 利用方程(5)，可以通过Duhamel积分来求解方程(13) 其中 在方程(14)中，由于初始速度和位移因为阻尼而快速衰减，因此可以被忽略。将 方程(14)代入到方程(9)中，可以获得梁的位移
(19)此外，将方程(5)和(19)代入到方程(1)中，得到 其中Wv是检测设备的自然角频率 以及 (22)类似地，通过忽略检测设备的初始位移和速度，可以通过Duhamel积分来从方程(20)中求解检测设备的振动位移 其中
+ (Ov ■ -SjCOv
cos
]πν L
c0Bj
COy
COS
L
-OJ^
ιπν
^ + 0jBj -妨
宇-、丫-妨
cos (吟
Ψ^βΑ -4
〒-aBj\J.
5
2 /In
因此，检测设备的加速度为 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)和这( )可以容易地从方程(24)和(25)获得
(Oy2 COS(COyt-O0j)
^-COy2 C0s((0yt + 60i)
L
J^v L
~ ,+^--COv
2 ,ν2
]πν\L
COS -COv
^ + ωλ + θ,,
2字+鸽-4
7 COS (郎+ 6 0,)
+一' ‘V
“1
LCOv2 COS (晰 +礼)J J^、 I L j2
^J^ (Df2 COs(O^t-O0j)
ω-ψ + ων
yVrvL 其中^和，可以分别容易地从方程(26Α)和(26Β)中获得。根据方程(26)、 οων OCOv
(27)和(15-18)，可以发现，当土&即，尕《約7±^^时可以增强检测设备的加速度
L
对损伤的灵敏度。这意味着最好使得敲击频率接近待检测结构的自然频率，然而，根据方程 (19)，还必须注意避免待检测结构的发生共振现象。此外，通过将上述方程(26)转换到频率域中，可以发现，该方程中涉及到以下7个
频率，
。由于￥的值通常
非常�。虼耍渲薪鼋靓卅�、玛和是主要的频率。如上所述，结构损伤会导致ων的改
变，而《,的改变又会改变在方程(26)中的相应频率相关项的系数。也就是说，在将上述
方程(26)转换到频率域中之后，各个相应频率处的幅值中包含了结构损伤信息，通过分析
这些幅值，就可以获得有关损伤的信息。本发明基于上述分析而做出。图2示出了根据本发明一个实施例的结构损伤检测系统200。如图2所示，结构损 伤检测系统200包括结构损伤检测设备210和信号处理部件220。结构损伤检测设备210 用于在待检测结构表面上进行扫描，在扫描的同时施加敲击，并感测由待检测结构表面传 递到结构损伤检测设备的响应信号。信号处理部件220对结构损伤检测设备210所感测到 的响应信号进行处理以确定待检测结构中有无损伤以及损伤的位置。结构损伤检测设备210包括敲击装置212和传感器214。敲击装置212用于在当 结构损伤检测设备210在待检测结构的表面上进行扫描的同时以具有一定频率和大小的 力敲击该待检测结构。如上理论分析所述，敲击装置212所施加的敲击力的频率应当接近 待检测结构的一个或者多个自然频率之一，以便高灵敏度地检测出结构损伤。根据本发明 的一个实施例，离散频率接近待检测结构的某个自然频率意指将离散频率设置为待检测结 构的该自然频率的士20%范围之内的某个值，更可取的是士 10%范围之内的某个值，以及 士5%范围之内的某个值。可选地，敲击力可以具有多个离散频率，而多个离散频率中的至 少一个频率接近待检测结构的多个自然频率中的至少一个。进一步可选地是，敲击力可以 具有一个或者多个频段，而所述一个或者多个频段中的至少一个涵盖了接近待检测结构的 多个自然频率的至少一个的值。同时，为了防止出现待检测结构的共振，可以不将敲击力的 频率设置为刚好等于待检测结构的自然频率，或者敲击力的频率设置为在某个范围内快速变化，从而使得待检测结构发生共振的时间很短而不会导致待检测结构的损伤。传感器214感测由待检测结构表面传递到敲击装置的响应。一般而言，待检测结 构表面在敲击力的作用下会产生位移、速度和加速度响应，由于待检测结构表面和敲击装 置的相互作用，这些响应会传递到敲击装置上，其瞬时值的大小反映待检测结构在敲击位 置处的结构特征，因此，当待检测结构中出现损伤时，该位置处由待检测结构表面传递到敲 击装置的位移、速度或加速度响应会与没有损伤位置的响应明显不同。传感器214可以是 能够感测由待检测结构表面传递到敲击装置的响应的任何传感器。例如，传感器214可以 是能够感测由待检测结构表面传递到敲击装置的位移、速度和加速度响应之一的任何传感 器。根据本发明的一个实施例，传感器214为用于感测由待检测结构表面传递到敲击装置 的加速度响应的加速度传感器，这是因为，在传感器114所感测的加速度a和结构位移响应 b、结构局部阻抗Z以及敲击力F之间的关系存在如下关系 (小-^lz(小孕
MM其中，χ代表敲击的位置，M是敲击装置的质量，g是重力加速度。为了精确地感测出在敲击装置212的敲击位置处被检测结构的响应，可以将传感 器214和敲击装置212集成在一起。另外，结构损伤检测设备210还包括承载装置216，用于承载传感器214和敲击装 置212，并且在被检测结构的表面上进行扫描。信号处理部件220包括谱图获取装置222、谱图包络线截取装置224、损伤指示值 计算装置226和损伤位置确定装置228。谱图获取装置222获取传感器214所感测到的传感器信号。根据检测精度的要求， 可以将待检测结构的表面划分为具有一定大小的多个部分，而结构损伤检测设备210扫描 每个表面部分都需要一定时间，传感器214所获取的信号为在该段时间上的传感器信号分 布。随后，谱图获取装置222对该传感器信号在时间上的分布进行变换处理以获取该信号 在频率域或者尺度域上的表示。这种变换处理可以利用现有技术领域的任何变换处理进 行，例如该变换处理可以是短时傅立叶变换、小波变换或者Hilbert-Huang变换等。因此， 谱图获取装置122获取了在所述结构表面的每个位置部分处的信号频谱或尺度谱。谱图包络线截取装置224从所述信号谱图中截取与敲击装置的敲击力频率相对 应的谱图包络线。由于敲击力的至少一个频率接近待检测结构的至少一个自然频率，因此， 谱图包络线截取装置224所截取的谱图包络线应当涵盖待检测结构的至少一个自然频率。 在敲击力具有某个频段的情况下，所截取的谱图包络线具有与该敲击力的频段相对应的频 率范围。上面所给出的、有关所截取的谱图包络线的频率范围的示例仅仅为示范性的。本 领域技术人员应当理解，只要所截取的谱图包络线的频段与敲击装置的敲击频率相对应， 并且适于在后续数据处理中使用，则所有的频率范围都在本发明的保护范围之内。由于仅 仅对与敲击频段相对应的谱图进行分析，可以减少由于处理全部频段谱图所需要的处理开 销，同时不影响检测精度。另外由于环境噪声的频段一般不同于被检测结构的自然频率，因 此不同于敲击装置的敲击频率，所以还可以显著减少环境噪声对检测结果的影响，从而提 高检测的精度。损伤指示值计算装置226基于所截取的谱图包络线来计算待检测结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图 包络线的相似程度。可以有多种方式来计算损伤指示值，根据本发明的一个实施例，可以如下所述来 计算损伤指示值，首先将谱图包络线转换为谱图向量，这可以通过获取谱图包络线中的多 个频率处的幅值作为谱图向量的分量来进行转换。谱图向量的分量数量可以根据检测精度 以及系统的处理性能等确定。分量对应的频率可以均勻分布在谱图包络线的频段中，也可 以不均勻分布。但是，对于待检测结构而言，每个位置处的频率选择方式应当是相同的。在生成了每个位置处的谱图向量之后，损伤指示值计算装置226计算反映当前位
置处的谱图向量和其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值。可以有多种方式来计
算两个谱图向量之间的相似程度。根据本发明的一个实施例，可以将损伤指示值计算为 / 、 Y · γY ,丨 7 ！ In，其中，Yi和Yj分别表示在所述结构上的当前位置和其他位置处的谱图向量，·表 示谱图向量的内积运算，|Yi+l和IYJ表示向量Yi和1的长度，η为待检测结构所划分的
单位检测部分的数量。在Yi和Y」越相似，即包络线i和包络线j的形状越相似时，
就越接近1。因此，针对某个谱图向量Yi的损伤指示值可以是该谱图向量Yi和所有其他谱 图向量t相似度的总和的平均值。根据本发明的另一个实施例，可以利用MAC系数来获取损伤指示值。MAC系数矩阵 的计算公式为MAC{i,j) = ^-y其中，Yi和Y」分别表示在所述结构上第i个和第j个部分的谱图向量，·表示谱 图向量的内积运算，IYiI和IYjI表示向量1和Yj的长度。MAC系数矩阵中的每个元素都 表示了两个谱图向量之间的相似程度，其中主对角线上的元素一定等于1。MAC系数矩阵的 第i行或第i列元素的大小就能反映出对应于某个谱图向量Yi的损伤情况，因而也就是该 谱图向量Yi所对应位置的损伤指示值。损伤位置确定装置228基于待检测结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定 待检测结构中的损伤位置。例如，损伤位置确定装置128可以将损伤指示值发生突然下降 的位置确定为存在损伤的位置。因为如果结构没有损伤，那么损伤指示值在空间的分布是 比较光滑的；如果某处的损伤指示值发生了突变，那么就意味着该处局部阻抗和其他地方 明显不同，很可能出现了损伤，而突变的大小也就反映了损伤的严重程度。比如，取MAC系 数矩阵第一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构 没有损伤，那么该曲线应该是比较光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损 伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。根据本发明的一个实施例，可以将曲线的一阶导数 值的绝对值超过预定阈值的位置确定为存在损伤的位置。图3和4示出了根据本发明另一个实施例的、适于对类似于桥梁的结构进行结构 损伤检测的损伤检测系统300的示意图。在该实施例中，待检测结构为轴向长度远大于垂直于轴向的截面的板结构，该板结构沿轴向的横截面都非常相似。这种结构在工程实践中 较为常见，例如公路桥梁，铁路桥梁等都具有这种结构。而且在工程实践中，这类桥梁也经 常需要进行检测以确保桥梁没有损伤，或者在出现损伤后及时加以修复以防止由于桥梁断 裂而出现事故。图3和4所示的损伤检测系统300非常适合于上述类似桥梁结构的损伤检测。如 图3所示，待检测结构为层合板5，其固定在地面上的三根钢棒4上，并且离地具有一定间 隙以保证结构损伤检测设备310在层合板5上移动时层合板5不接触地面，从而层合板5 可以很好地模拟现实中的桥梁结构。另外，为了测试检测结构，在层合板5中制造了损伤 6，该损伤表现为锯缝。结构损伤检测设备310的承载装置为钢制小车1，其中的敲击装置 3可以在来自计算机11的控制信号的控制下产生具有预定频段的敲击力。根据本发明的 一个实施方式，该敲击力为在20-100HZ之间快速扫描的等幅正弦控制信号所产生的、频段 在20-100HZ之间的敲击力。层合板5的前两阶自然频率通常在20-100HZ之间，因此，该敲 击力涵盖了层合板5的自然频率，从而如上所述，可以灵敏地检测出在层合板5中的局部损 伤。结构损伤检测设备310中的传感器2为加速度传感器，其感测由待检测结构表面 传递到敲击装置3的加速度信号，并且将其发送到计算机11中的信号处理部件220进行进 一步处理。信号处理部件220的结构和参考图1所示的实施方式基本相同，这里就不再进 行赘述。如图3和4所示，在对层合板5进行检测时，将结构损伤检测设备310置于层合板 5的中心处，并以大约V= 1.3cm/S的速度沿层合板5的长度方向(即轴向)进行扫描。在 扫描的同时，用上述频段在20-100HZ之间的敲击力来敲击，并同时由加速度传感器2采集 加速度信号以发送到信号处理部件220进行进一步处理。在该实施例中，以1. 3cm为单位来沿板长度方向划分层合板5，由于小车1的行进 速度为1. 3cm/s，而且加速度传感器采集信号的采样率为1024次/秒。因此，谱图获取装置 222按照1024个加速度信号的数据长度获取感测信号，并采用短时傅里叶变换方法获得频 谱图。谱图包络线截取装置224截取与敲击力的频段相对应的、即20-100HZ频段的频谱包 络线。损伤指示值计算装置126选择大小为20-100HZ的频率作为频谱向量中的分量相对 应的频率，即损伤指示值计算装置226将频谱包络线向量化为长度为101的向量。然后，损
伤指示值计算装置126计算MAC系数矩阵
γ · γM4C(U) = j^|^|。随后，损伤位置确定装置228可以根据MAC系数矩阵的值来确定损伤位置。图5示出了 MAC矩阵元素的分布图，这是对尺寸为120X15X3cm的层合板中存在 人为制造的一条约20X8mm的锯缝6的层合板进行检测所获取的结果。从图5中可以明显 看出，中心钢棒和锯缝位置的MAC系数明显低于其它位置的MAC系数，由此可以说明本发明 方法能够有效地检测出结构刚度发生突然变化的位置，并可由此定位损伤。图6示意性地示出了根据本发明一个实施例的结构损伤检测方法的流程图。如图 6所示，该方法始于步骤S610，在该步骤S 610中，使用根据本发明的结构损伤检测设备沿 着待检测结构的表面进行扫描，其中在进行扫描的同时，结构损伤检测设备中的敲击装置以具有预定频率的敲击力进行敲击。如上理论分析所述，敲击装置所施加的敲击力的频率 应当接近待检测结构的一个或者多个自然频率之一，以便高灵敏度地检测出结构损伤。根 据本发明的一个实施例，离散频率接近待检测结构的某个自然频率意指将离散频率设置为 待检测结构的该自然频率的士20%范围之内的某个值，更可取的是士 10%范围之内的某 个值，以及士5%范围之内的某个值。可选地，敲击力可以具有多个离散频率，而多个离散频 率中的至少一个频率接近待检测结构的多个自然频率中的至少一个。进一步可选的是，敲 击力可以具有一个或者多个频段，而所述一个或者多个频段中的至少一个涵盖了接近待检 测结构的多个自然频率的至少一个的值。同时，为了防止出现待检测结构的共振，可以不将 敲击力的频率设置为刚好等于待检测结构的自然频率，或者敲击力的频率设置为在某个范 围内快速变化，从而使得待检测结构发生共振的时间很短而不会导致待检测结构的损伤。随后，在步骤S620中，利用根据本发明的结构损伤检测设备中的传感器来感测该 敲击装置的响应信号。如上参考结构损伤检测设备所述，所感测的信号可以是能够反映由 待检测结构表面传递到敲击装置的在敲击位置处的任何响应信号。例如传感器感测的信号 可以为位移、速度或加速度。特别的，传感器所感测的信号为加速度信号更便于工程实施。 在步骤S630中，对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在待检测结构表面的每 个位置处的信号谱。根据检测精度的要求，需要将待检测结构的表面分为多个部分。在每 个部分上感测到的信号是结构损伤检测设备扫描该部分所需时间上的分布，因此可以对信 号在时间域上分布进行变换处理以获取该信号在频率域或尺度域上的表示。这种变换处理 可以利用现有技术领域的任何变换处理进行，例如该变换处理可以是短时傅立叶变换、小 波变换或Hi Ibe八-Huang变换等。随后，在步骤S640中，从信号谱图中截取与敲击装置的敲击力的预定频率相对应 的部分，并获取所截取谱图的包络线。由于敲击力的至少一个频率接近待检测结构的至少 一个自然频率，因此，所截取的谱图包络线应当涵盖待检测结构的至少一个自然频率。在敲 击力具有某个频段的情况下，所截取的谱图包络线具有与该敲击力的频段相对应的频率范 围。上面所给出的、有关所截取的谱图包络线的频率范围的示例仅仅为示范性的。本领域 技术人员应当理解，只要所截取的谱图包络线的频段与敲击装置的敲击频率相对应，并且 适于在后续数据处理中使用，则所有的频率范围都在本发明的保护范围之内。。在步骤S650中，根据所截取的谱图包络线来计算待检测结构表面的每个位置处 的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的 相似程度。可以有多种方式来计算损伤指示值。根据本发明的一个实施例，可以如下所述来计算损伤指示值1、将谱图包络线转换为谱图向量，这可以通过获取谱图包络线中的多个频率处的 幅值作为谱图向量的分量来进行转换。谱图向量的分量数量可以根据检测精度以及系统的 处理性能等确定。分量对应的频率可以均勻分布在谱图包络线的频段中，也可以不均勻分 布。但是，对于待检测结构而言，每个位置处的频率选择方式应当是相同的；2、在生成了每个位置处的谱图向量之后，计算反映当前位置处的谱图向量和其他 位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值。可以有多种方式来计算两个谱图向量之间的 相似程度。根据本发明的一个实施例，可以将损伤指示值计算为 其中，Yi和Y」分别表示在所述结构上的当前位置和其他位置处的谱图向量，·表
示谱图向量的内积运算，IYJ和IYJ表示向量Yi和1的长度，η为待检测结构所划分的单
位检测部分的数量。|γ:|χ|‘ |在Yi和Y」越相似，即包络线i和包络线j的形状越相似时，就
越接近1。因此，针对某个谱图向量Yi的损伤指示值可以是该谱图向量Yi和所有其他谱图 向量Yj相似度的总和的平均值。根据本发明的另一个实施例，可以利用MAC系数来获取损伤指示值。MAC系数矩阵 的计算公式为 其中，Yi和Yj分别表示在所述结构上第i个和第j个部分的谱图向量，·表示谱 图向量的内积运算，IYiI和IYjI表示向量1和Yj的长度。MAC系数矩阵中的每个元素都 表示了两个谱图向量之间的相似程度，其中主对角线上的元素一定等于1。MAC系数矩阵的 第i行或第i列元素的大小就能反映出对应于某个谱图向量Yi的损伤情况，因而也就是该 谱图向量Yi所对应位置的损伤指示值。在为待检测结构表面的每个位置计算了损伤指示值之后，在步骤S660中，基于待 检测结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定待检测结构中的损伤位置。例如，可以将 损伤指示值发生突然下降的位置确定为存在损伤的位置。比如，取MAC系数矩阵第一行元 素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该 曲线应该是比较光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越 大，损伤也就越严重。根据本发明的一个实施例，可以将该曲线的一阶导数值的绝对值超过 预定阈值的位置确定为存在损伤的位置。应当注意的是，在本发明的结构损伤检测设备的信号处理部件中，根据其要实现 的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对信号处 理部件中的各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者 可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。本发明的信号处理部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上 运行的软件�？槭迪郑蛘咭运堑淖楹鲜迪�。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中 使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的信号处理部件中的 一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方 法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样 的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形 式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形 式提供。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领 域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在 未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这 样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来 实现。在列举了若千装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件 项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
权利要求
一种利用结构损伤检测设备来检测结构的损伤的结构损伤检测方法，其中该结构损伤检测设备包括敲击装置和传感器，所述方法包括步骤使用所述结构损伤检测设备沿着所述结构的表面进行扫描，其中在进行扫描的同时，所述结构损伤检测设备中的敲击装置以包括预定频率的敲击力进行敲击，该预定频率接近所述结构的一个或者多个自然频率之一；利用所述结构损伤检测设备中的传感器感测在所述结构表面的每个位置处、由所述结构表面传递到所述敲击装置的响应信号，其中所述传感器感测的信号可以为位移、速度和加速度中的至少之一；对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在所述结构表面的每个位置处的信号谱图；从所述信号谱图中截取与所述敲击力的预定频率相对应的谱图包络线；计算所述结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度；以及将损伤指示值发生突变的位置确定为存在结构损伤的位置。
2.如权利要求1所述的结构损伤检测方法，其中所述预定频率的值为所述结构的所述 一个或者多个自然频率之一的士20%范围之内的某个值，更可取的是士 10%范围之内的 某个值，以及士5%范围之内的某个值。
3.如权利要求1或者2所述的结构损伤检测方法，其中所述敲击力具有多个离散频率， 且多个离散频率中的至少一个接近所述结构的至少一个自然频率。
4.如权利要求1或者2所述的结构损伤检测方法，其中所述敲击力具有一个或者多个 频段，且所述一个或者多个频段中的至少一个涵盖了接近所述结构的至少一个自然频率的 值。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中还包括步骤根据所述损伤指示值的 突变程度来确定损伤大小。
6.如权利要求1-4中的任一个所述的结构损伤检测方法，其中计算所述结构表面的每 个位置处的损伤指示值的步骤包括为所述结构表面中的所有位置，生成与所述位置处的谱图包络线相对应的谱图向量， 其中所述谱图向量的每个分量为谱图包络线中某个频率所对应的谱值；以及为所述结构表面中的每个位置，计算反映当前位置处的谱图向量和其他位置处的谱图 向量的相似程度的损伤指示值。
7.如权利要求6所述的结构损伤检测方法，其中所述计算反映该位置处的谱图向量和 其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值包括( y.Y ]将损伤指示值计算为z k7, k；I / ，其中，^和、分别表示在所述结构上的当前位置和其他位置处的谱图向量， 表示谱图向量的内积运算，lYj和|Yj|表示向量^和 Yj的长度，以及n为所述结构中的检测位置数量。
8.如权利要求6所述的结构损伤检测方法，其中所述计算反映该位置处的谱图向量和 其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值包括计算MAC系数矩阵，其被计算为Y YMAC(i,j) = t '丨 二，其中，t和Y」分别表示在所述结构上第i个和第j个部分的谱图向量， 表示谱图向 量的内积运算，lYj和|Yj|表示向量\和￥」的长度；以及根据所述MAC系数矩阵中与该位置相对应的行或者列元素的相对大小来确定该位置 的损伤指示值。
9.如权利要求1-8中的任一个所述的结构损伤检测方法，其中所述结构的形状为细长 型，沿所述结构轴向的每个截面相似，所述敲击装置在所述结构的表面上沿轴向进行扫描， 所述传感器感测所述结构沿轴向方向每个位置处的响应信号。
10.如权利要求1-8中的任一个所述的结构损伤检测方法，其中所述传感器为感测由 所述结构表面传递到敲击装置的加速度响应的传感器。
11.一种结构损伤检测设备，包括敲击装置，用于在待检测结构表面上以具有预定频率的敲击力进行敲击，其中所述预 定频率接近所述待检测结构的一个或者多个自然频率之一；以及传感器，感测所述由待检测结构表面传递到敲击装置的响应信号，其中所述传感器感 测的响应信号可以为位移、速度和加速度中的至少之一；其中所述敲击装置和所述传感器集成在一起，以便所述敲击装置在所述待检测结构表 面上进行敲击的同时，所述传感器感测由所述待检测结构表面传递到所述敲击装置的响应 信号。
12.如权利要求11所述的结构损伤检测设备，其中所述传感器可以为加速度传感器。
13.如权利要求11所述的结构损伤检测设备，其中所述预定频率的值为所述待检测结 构的一个或者多个自然频率之一的士20%范围之内的某个值，更可取的是士 10%范围之 内的某个值，以及士5%范围之内的某个值。
14.如权利要求11-13中的任一个所述的结构损伤检测设备，其中所述敲击力具有多 个离散频率，且多个离散频率中的至少一个接近所述待检测结构的至少一个自然频率。
15.如权利要求11-13中的任一个所述的结构损伤检测方法，其中所述敲击力具有一 个或者多个频段，且所述一个或者多个频段中的至少一个涵盖了接近所述待检测结构的至 少一个自然频率的值。
16.一种结构损伤检测系统，包括如权利要求11-15中的任一项所述的结构损伤检测设备；以及信号处理部件，用于对所述结构损伤检测设备中的传感器所感测到的信号进行处理以 确定待检测结构中的损伤位置，所述信号处理部件包括谱图获取装置，用于对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在所述结构表面 的每个位置处的信号谱图；谱图包络线截取装置，用于从所述信号谱图中截取与所述敲击力的预定频率相对应的 谱图包络线；损伤指示值计算装置，用于计算所述结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指 示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度；以及损伤位置确定装置，用于基于所述结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定所述结 构中的损伤位置。
17.如权利要求16所述的结构损伤检测系统，其中所述损伤指示值计算装置为所述结 构表面中的所有位置，生成与所述位置处的谱图包络线相对应的谱图向量，其中所述谱图 向量的每个分量为谱图包络线中某个频率所对应的谱值；以及所述损伤指示值计算装置为所述结构表面中的每个位置，计算反映当前位置处的谱图 向量和其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值。
18.如权利要求17所述的结构损伤检测系统，其中所述损伤指示值计算装置将损伤指 示值计算为其中，1和1分别表示在所述结构上的当前位置和其他位置处的谱图向量， 表示谱 图向量的内积运算，lYil和|Yj|表示向量1和￥」的长度，以及n为所述结构中的检测位置数量。
19.如权利要求17所述的结构损伤检测系统，其中所述损伤指示值计算装置被配置为 计算MAC系数矩阵，该MAC系数矩阵被计算为其中，t和Y」分别表示在所述结构上第i个和第j个部分的谱图向量， 表示谱图向 量的内积运算，lYj和|Yj|表示向量\和￥」的长度；以及根据所述MAC系数矩阵中与该位置相对应的行或者列元素的相对大小来确定该位置 的损伤指示值。
20.如权利要求17-19中的任一个所述的结构损伤检测系统，其中所述待检测结构的 形状为细长型，沿所述待检测结构轴向的每个截面相似，所述敲击装置在所述待检测结构 的表面上沿轴向进行扫描，所述传感器感测由所述待检测结构表面传递到所述敲击装置在 所述待检测结构沿轴向方向每个位置处的响应信号。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测结构的损伤的结构损伤检测方法，包括步骤使用敲击装置扫描结构的表面，并且在扫描的同时以具有预定频率的敲击力进行敲击，该预定频率接近所述结构的一个或者多个自然频率之一；利用传感器感测由所述待检测结构表面传递到敲击装置的响应信号；对所述传感器感测到的信号进行变换处理以获取在所述结构表面的每个位置处的信号谱图；从所述信号谱图中截取与所述敲击力的预定频段相对应的谱图包络线；计算所述结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度；以及将其损伤指示值发生突变的位置确定为存在结构损伤的位置。本发明还涉及利用该结构损伤检测方法的结构损伤检测系统以及其中使用的结构损伤检测设备。
文档编号G01N3/34GK101923027SQ20101019423
公开日2010年12月22日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者向志海, 张尧, 戴晓玮, 陆秋海 申请人:清华大学
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