CN104374830A

CN104374830A - 一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法

Info

Publication number: CN104374830A
Application number: CN201410697078.3A
Authority: CN
Inventors: 孙亚杰; 袁慎芳; 张永宏; 刘青山; 季赛
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2015-02-25

Abstract

本发明公开了一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，通过在监测结构上布置压电线阵，从而得到各激励-传感通道的损伤散射信号，再向损伤信号附加时间延迟，确定损伤的方向，最后根据信号到达时刻 t 确定损伤位置。本发明采用近场相控阵结构监测方法，能够识别出复杂结构中的微小损伤，且弥补了远场相控阵在监测距离上的局限性。

Description

一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法

技术领域

本发明属于工程结构健康监测技术领域，特别涉及了一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法。

背景技术

工程结构健康监测技术用来监测、诊断和预示连续运行工程***的状态和故障，保证工程设备安全运行，及时准确识别损伤将对保证工程***安全运行、减少或避免灾难性事故具有非常重要的意义。航空智能结构的健康监测技术需要在损伤发生的初期，实时在线监测结构状态，识别结构中的损伤并进行准确定位，但大多数检测设备复杂，成本高，费工费时，对一些性能比较复杂的材料结构，如复合材料结构，由于受噪声等影响，一些小的损伤还不能很好地检测到。相控阵结构健康监测技术是通过控制每个压电元件的发射和接收的时间延迟进而控制Lamb波波束扫描，实现对结构的多方位扫描，识别结构中存在的损伤，Lamb波波束的聚焦可以大大提高信号的信噪比。相控阵理论要求监测对象位于传感器阵列远场，进行结构健康监测的方法，该方法在其限定的监测距离范围内可以成功识别结构中损伤，对原理性探索工作具有很大的帮助。但远场超声相控阵，在监测距离方面有一定的限制，因此研究近场超声相控阵结构健康监测方法，可以弥补远场超声相控阵在监测距离的局限性。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明旨在提供一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，采用近场相控阵结构监测方法，能够识别出复杂结构中的微小损伤，且弥补了远场相控阵在监测距离上的局限性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，包括以下步骤：

(1)在待监测结构上布置由M个压电片组成的压电线阵，M个压电片依次定义序号0～M-1；

(2)在结构健康状态下，将Lamb波窄带信号依次施加于压电线阵中的M个压电片，当将Lamb波窄带信号施加于某一压电片时，该压电片作为激励器在结构中激发出激励信号，而其余M-1个压电片均作为传感器分别接收结构中传播的响应信号，将1个激励器与1个传感器合称为1个激励-传感通道，则一共获得M×(M-1)个激励-传感通道的响应信号；

(3)在结构损伤状态下，重复步骤(2)；

(4)将步骤(2)得到的M×(M-1)个激励-传感通道的响应信号作为基准信号，将步骤(3)得到的M×(M-1)个激励-传感通道的响应信号与对应的基准信号相减，得到M×(M-1)个激励-传感通道的损伤散射信号；

(5)在压电线阵近场监测范围内，各激励-传感通道的损伤散射信号在角度监测范围内每间隔Δθ，且在距离监测范围内每间隔Δε时进行相应的时间延迟，该时间延迟称为角度-距离上的时间延迟，得到各激励-传感通道在监测范围内每个角度-距离上的时间延迟后的损伤散射信号；其中，所述角度监测范围是[0°，180°]，距离监测范围是[0，L]，第i个压电片作为激励器的激励-传感通道的角度-距离上的时间延迟为：

Δ t_{i} (r, θ) = \frac{r - \sqrt{r^{2} + {(i \cdot d)}^{2} - 2 \cdot r \cdot i \cdot d \cdot \cos θ}}{c}

上式中，r为监测点与坐标原点之间的距离，θ为监测点到坐标原点连线与x轴的夹角，c为Lamb波在结构中的波速，d为压电线阵中相邻两压电片之间的距离；

(6)将各激励-传感通道的同一角度-距离上的时间延迟后的损伤散射信号进行累加合成，得到各角度-距离上的合成信号，并进行归一化处理；

(7)比较各角度-距离上的归一化合成信号，幅值最大的合成信号所在的角度即为损伤所在的方向，然后由幅值最大的合成信号的到达时刻以及该方向Lamb波波速计算出损伤所在位置的半径，从而确定损伤的位置。

其中，步骤(1)中压电线阵的压电片个数M为9。

其中，步骤(2)中所述激励信号为窄带信号。

其中，在步骤(5)中，所述角度间隔Δθ为1°；所述L＝3λ，λ为Lamb波的波长，距离间隔Δε为1mm。

其中，步骤(5)中所述Lamb波的波速c是指Lamb波在结构中仅激发出A0模式时的传播群速度。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明可以实现对传感阵列近场的结构损伤的有效监测与评估，克服远场相控阵结构健康监测在监测距离方面的局限性，有利于Lamb波相控阵结构健康监测的实用化；

(2)本发明可以实现近场相控阵Lamb波信号的定向聚焦，使得损伤散射信号在结构损伤处聚焦，从而可以抑制边界反射和其他噪声，进而提高Lamb波损伤散射信号的信噪比；

(3)本发明利用现有的Lamb波监测设备即可实现，在实现过程中无需增减设备或修改参数，简单易行。

附图说明

图1是本发明中的近场相控阵原理图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明实施例中试件结构与传感阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例中窄带激励信号时域图；

图5是本发明实施例中典型传感器响应信号与损伤散射信号时域图，包括(a)、(b)、(c)3幅图，依次为0号压电片为激励器、1号压电片为传感器时的健康结构的响应信号、损伤结构的响应信号和损伤散射信号；

图6是本发明实施例中典型时间延迟信号时域图，包括(a)～(h)8幅图，依次表示0号压电片作为激励器、其他压电片作为传感器的损伤散射信号S₀₁～S₀₈，在0°方向10mm距离经过时间延迟的示意图；

图7是本发明实施例中各扫描方向-距离合成信号的最大能量图；

图8是本发明实施例中归一化合成信号绝对值包络图；

图9是本发明实施例中近场超声相控阵监测图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明中的近场相控阵原理图，将M个压电片依次标上序号0～M-1，并线性排列成压电线阵，以压电线阵所在直线作为x轴，以第0压电片所在位置为原点建立直角坐标系。P(r,θ)点接收到的信号为各压电片激发出的激励信号在结构中传播后信号的累加，r为P(r,θ)点到坐标原点的距离，θ为坐标原点到P(r,θ)点的波束指向与x轴的夹角。那么P(r,θ)点接收到的信号为：

S_{P} (r, θ) = k_{1} Σ_{i = 0}^{M - 1} S_{e} (t - \frac{r_{i}}{c}) = K_{1} Σ_{i = 0}^{M - 1} S_{e} (t - \frac{r - {Δr}_{i}}{c}) = K_{1} Σ_{i = 0}^{M - 1} S_{e} (t - \frac{r}{c} + Δ t_{i} (r, θ)) - - - (1)

式(1)中，i为压电片序号，i＝0,1,2,..,M-1，K₁为发射过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；S_e(t)表示激励信号；r_i为第i压电片到P(r,θ)点距离；c为Lamb波在结构中的传播速度；Δr_i为第i压电片的激励信号到达P(r,θ)点与坐标原点到达P(r,θ)点之间的距离差；Δt_i(r,θ)为第i压电片到达P(r,θ)点与坐标原点到达P(r,θ)点之间的时间差。

为了使各激励信号同时到达P(r,θ)点，则需对各压电片激发的激励信号在时间上进行一定的补偿。若对每个压电片激发的激励信号附加相应的时间延迟Δt_i(r,θ)，那么P(r,θ)点接收到的信号能量达到最大，此时P(r,θ)点接收到的聚焦信号可以表示为：

S_{P} (t) = K_{1} \cdot M \cdot S_{e} (t - \frac{r}{c}) - - - (2)

通过控制每个压电片激发的激励信号的时间延迟，控制Lamb波信号按预定的角度进行偏转，实现在一定范围内对结构的定向扫描监测。

由互易性可知，在相同条件下，接收和发射是一致的，即通过控制各传感器响应信号的时间延迟可以接收预定偏转角度方向上的目标信息。压电片接收P(r,θ)点反射信号时，第i压电片作为传感器接收P(r,θ)点反射的信号为：

S_{i} (r, θ) = k_{2} S_{P} (t - \frac{r}{c} + Δ t_{i} (r, θ)) - - - (3)

式(3)中，K₂为接收过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；S_P(t)为式(3)所示P(r,θ)点处接收的聚焦信号；Δt_i(r,θ)为第i压电片作为传感器接收信号时，点P(r,θ)到第i压电片与点P(r,θ)到坐标原点之间的时间差。

对第i压电片接收的θ方向的响应信号附加Δt_i(r,θ)的时间延迟，其表达式为：

S_{i} (t) = K_{2} S_{P} (t - \frac{r}{c}) - - - (4)

波束指向θ方向的信号为各压电片接收的θ方向信号的累加，即：

S (t) = Σ_{i = 0}^{m - 1} K_{2} S_{P} (t - \frac{r}{c}) = K_{2} \cdot M \cdot S_{P} (t - \frac{r}{c}) = K_{1} \cdot K_{2} \cdot M^{2} \cdot S_{e} (t - \frac{2 r}{c}) = K \cdot M^{2} \cdot S_{e} (t - \frac{2 r}{c}) - - - (5)

式(5)中，K＝K₁·K₂为发射和接收两个过程中信号幅值总的衰减系数。

压电线阵的近场中，阵元激发的信号在空间干涉形成一个聚焦特性的波束，信号波束在一定角度范围内进行扫描时，利用接收到的回波信号幅值进行测量，当波束对准目标时，回波信号能量最强，当波束偏离目标时回波信号减弱。根据接收回波最强时的波束指向，确定目标的方向。这就是目标角测量的基本原理。

利用超声相控阵技术，由目标所在角度的信号可以确定出损伤所在位置的极径，即已知目标所在方向上的信号，则可以知道信号到达时刻t，在测出结构Lamb波波速的情况下，可以计算监测目标(损伤)到坐标原点的距离为：

r^{*} = \frac{c \cdot t}{2} - - - (6)

根据上述理论，设计出本发明的一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，包括以下步骤：

(1)在待监测结构上布置由M个压电片组成的压电线阵；

(3)在结构损伤状态下，重复步骤(2)；

Δ t_{i} (r, θ) = \frac{r - \sqrt{r^{2} + {(i \cdot d)}^{2} - 2 \cdot r \cdot i \cdot d \cdot \cos θ}}{c}

上式中，i表示作为激励器(发射过程)或传感器(接收过程)的压电片序号，r为监测点与近场相控阵坐标原点之间的距离，θ为监测点到近场相控阵坐标原点连线与x轴的夹角，c为Lamb波在结构中的波速，d为压电线阵中相邻两压电片之间的距离；

上述步骤如图2所示。

本实例采用工程结构中常用的玻璃纤维增强复合材料板，尺寸为2000mm×1000mm×3mm。在复合材料结构中布置9个PZT压电片(序号0～8)组成线阵，相邻两个压电片之间的距离为12mm，每个压电片的直径为8mm，厚度为0.48mm。本实施例以第4压电片作为监测区域的坐标原点，通过加载质量块模拟损伤，质量块加载位置为(60°，50mm)。实验试件与压电线阵的结构示意图如图3所示。

实验中采用的激励信号为5波峰正弦调制信号，如图4所示，中心频率为40KHz，峰峰值为±10V，实验中采样频率为1.6MHz。

在结构健康状态和损伤状态下采集传感器响应信号，压电阵列中的每个阵元轮流作为激励器，当其中一个压电片作为激励器，其他压电片则作为传感器，因此，由9个压电阵元组成的压电线阵在结构健康状态和损伤状态分别得到9×8＝72个传感信号。

结构健康状态下采集的传感器响应信号作为参考信号，结构加载后传感器响应信号与之相减得到损伤散射信号，图5包括(a)、(b)、(c)3幅图，依次为0号压电片为激励器、1号压电片为传感器时的健康结构的响应信号、损伤结构的响应信号和损伤散射信号，图(c)所示损伤散射信号是因为结构中损伤的存在而引起的，由图(c)可以看到由损伤引起的损伤散射信号能量微弱，且损伤引起的散射信号能量较小，混叠在其他信号中。

各激励/传感通道的损伤散射信号在θ∈[0°,180°]范围内每隔1°以及r∈[0mm,160mm]范围内每隔1mm进行相应的时间延迟，得到各激励/传感通道在每个角度-距离上的时间延迟后的损伤散射信号。时间延迟根据下式计算得到，

Δ t_{i} (r, θ) = \frac{r - \sqrt{r^{2} + {(i \cdot d)}^{2} - 2 \cdot r \cdot i \cdot d \cdot \cos θ}}{c}

上式中，i表示作为激励器(发射过程)或传感器(接收过程)的压电片序号，i＝0,1,2,…,8，相邻阵元之间间距d为12mm，Lamb波在玻璃纤维增强复合材料板中的波速c为1.2km/s。图6包括(a)～(h)8幅图，依次表示0号压电片作为激励器、其他压电片作为传感器的损伤散射信号S₀₁～S₀₈，在0°方向10mm距离经过时间延迟的示意图，0°方向10mm距离的差信号S₀₁～S₀₈的时间延迟为：Δt₀₁(r,θ)＝0.007ms，Δt₀₂(r,θ)＝-0.003ms，Δt₀₃(r,θ)＝-0.013ms，Δt₀₄(r,θ)＝-0.023ms，Δt₀₅(r,θ)＝-0.033ms，Δt₀₆(r,θ)＝-0.043ms，Δt₀₇(r,θ)＝-0.053ms，Δt₀₈(r,θ)＝-0.063ms，计算结果中负值表示将信号向左移动，正值表示将信号向右移动，将时间延迟附加到损伤散射信号中即得到相应角度-距离的延迟后的损伤散射信号。

每个角度-距离上的信号进行累加合成该角度-距离上的总合成信号，图7为各角度-距离对应的合成信号最大能量对应图。然后，为了避免成像后的监测图像成斑点状，取延迟累加后合成信号的绝对值包络线，并且为了使图像的灰度级规划为[0,1]之间，对各合成信号绝对值包络进行归一化处理，即合成信号每点的幅值与所有信号的最大幅值相比较得到该点的相对幅值，图8为最大能量信号对应的0°～180°范围内归一化合成信号绝对值包络图。比较各个角度-距离上的信号，能量较强的信号所在的角度即为损伤所在的方向，然后由能量最大合成信号的到达时刻及该方向Lamb波波速计算出损伤所在位置的半径，从而最终确定出损伤所在的位置。不同扫描距离0°～180°范围内归一化合成信号绝对值包络的幅值按照其角度画在同一个图上得到损伤图像，如图9所示。图9中的坐标表示监测区域的坐标，每点的像素值对应信号中该点的归一化幅值，图像的灰度从暗到亮对应能量从弱到强。近场超声相控阵原理监测的碳纤维盒段结构中载荷位置为(60°，48mm)，与真实加载载荷位置(60°，50mm)相比较，其角度误差与距离误差为(0°，2mm)。

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。

Claims

1.一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)在结构损伤状态下，重复步骤(2)；

(5)在压电线阵近场监测范围内，各激励-传感通道的损伤散射信号在角度监测范围内每间隔Δθ，且在距离监测范围内每间隔Δε时进行相应的时间延迟，该时间延迟称为角度-距离上的时间延迟，得到各激励-传感通道在监测范围内每个角度-距离上的时间延迟后的损伤散射信号；其中，所述角度监测范围是[0°，180°]，距离监测范围是[0，L]，所述角度-距离上的时间延迟为：

{Δt}_{i} (r, θ) = \frac{r - \sqrt{r^{2} + {(i \cdot d)}^{2} - 2 \cdot r \cdot i \cdot d \cdot \cos θ}}{c}

上式中，i表示作为激励器或传感器的压电片序号，r为监测点与近场相控阵坐标原点之间的距离，θ为监测点到近场相控阵坐标原点连线与x轴的夹角，c为Lamb波的波速，d为压电线阵中相邻两压电片之间的距离；

2.根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于：步骤(1)中所述压电线阵的压电片个数M为9。

3.根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于：步骤(2)中所述激励信号为窄带信号。

4.根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述角度间隔Δθ为1°；所述L＝3λ，λ为Lamb波的波长，距离间隔Δε为1mm。

5.根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于：步骤(5)中所述Lamb波的波速c是指Lamb波在结构中仅激发出A0模式时的传播群速度。