CN108896659B

CN108896659B - 一种扩大结构健康监测范围的方法及***

Info

Publication number: CN108896659B
Application number: CN201810722433.6A
Authority: CN
Inventors: 张昶; 刘磊
Original assignee: Jiaxing Bochuan Technology Co ltd
Current assignee: Jiaxing Bochuan Technology Co ltd
Priority date: 2017-06-11
Filing date: 2018-06-10
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2038-06-10
Also published as: CN108896659A

Abstract

本发明公开了一种扩大结构健康监测范围的方法及***，该方法包括：对被检测结构进行多次扫描，其中每一次扫描包括：发射激励信号至结构；每一次检测到激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集激励信号传输至结构后的响应信号；根据每一次收集的响应信号，对结构的状态进行分析，获取分析结果；将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果。在不增加传感器的个数、不增加致动器的个数，以及在不升级存储器容量的情况下实现对结构更大范围的监测。

Description

一种扩大结构健康监测范围的方法及***

技术领域

本发明涉及大数据处理技术领域，具体涉及一种扩大结构健康监测范围的方法及***。

背景技术

结构健康监测(Structural Health Monitoring，简称SHM)***涉及工程结构的损伤探测和特征分析过程。损伤可能包括结构***的材料和/或几何特性的改变，以及边界条件和***连接性的改变，这些改变会对结构***的性能产生不利影响。监视过程可包括使用传感器阵列对***进行不间断地观测，并进行周期性动态响应测量值采样，从这些测量值中提取损伤敏感特征并对这些特征进行统计分析，从而确定***的实时健康状态。

目前，SHM***包括数据采集设备和至少一个处理设备，例如计算机，其与数据采集设备分离或与数据采集设备集成。数据采集设备通常安装在被监测的结构上或安装在被监测结构附近。在被动式SHM***中，数据采集设备包括原位传感器，可持续或定期接收变化。在主动式SHM***中，数据采集设备不仅包括原位传感器，还包括致动器。致动器生成激励信号并将激励信号发送到结构，而原位传感器则接收激励信号产生的结构响应。***针对接收到的信号进行分析以确定结构的状态。当结构正常时的响应信号被用作基准数据。当结构有缺陷或发生变化时，响应信号将与基准数据不同。一个原位致动器发出激励信号，一个原位传感器接收结构响应信号。致动器和传感器可以集成在一起，也可以是分开的设备并作为组件加以应用，使用致动器发送激励信号以及传感器接收信号。

采用现有技术的SHM***只能覆盖有限的空间。当要监测的结构大于其极限时，就需要增加致动器和传感器。这一解决方案增加了SHM***的安装复杂性、重量、尺寸和成本。另一种解决方案是增加SHM***的存储容量，以延长数据采集的最长时间，从而达到更远监测距离。但是，由于SHM***(尤其是实时SHM***)中使用的存储器单元的尺寸和速度要求，该解决方案也会增加大量成本。因此，市场存在需求，要在不增加额外致动器和传感器，或者不升级存储器容量的情况下扩展SHM***的监测范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扩大结构健康监测范围的方法及***，用以解决现有在不增加额外致动器和传感器，或者不升级存储器容量的情况下无法扩展SHM***的监测范围的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种扩大结构健康监测范围的方法，该方法包括：对被检测结构进行多次扫描，其中每一次扫描包括：发射激励信号至结构；

每一次检测到激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集激励信号传输至结构后的响应信号；

根据每一次收集的响应信号，对结构的状态进行分析，获取分析结果；

将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果。

本发明具有如下优点：如果首次扫描时，传感器在激励信号传送至结构后立即收集相应信号，扫描覆盖了原始的监测区域。而在下一次扫描时，随着收集延迟的存在，扫描的起始点随着收集延迟的存在而向后移动，即虽然扫描覆盖的监测区域整体向后偏移。那么，每一次根据收集的响应信号对结构的状态进行分析后，将总的分析结果进行叠加，即可以获取对结构更大范围的监测。而且，是在不增加传感器的个数、不增加致动器的个数，以及在不升级存储器容量的情况下的前提下实现的。

为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种扩大结构健康监测范围的***，该***包括：传感器、致动器、处理器、存储器；

处理器用于控制致动器发出激励信号至被检测的结构；

控制传感器在每一次检测到激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集激励信号传输至结构后的响应信号；

根据每一次收集的响应信号，对结构进行分析，获取分析结果；

将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果；

存储器用于，存储每一次的分析结果以及最终的检测结果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种扩大结构健康监测范围方法流程示意图；

图2为本发明提供的一种包括一个致动器和一个传感器的示例性配置结构示意图；

图3为本发明提供的另一种包括一个致动器和一个传感器的示例性配置结构示意图；

图4为本发明提供的一种包括两个致动器和两个传感器的示例性配置结构示意图；

图5为本发明提供的一种包括多个致动器和多个传感器的示例性配置结构示意图；

图6为本发明提供的一种致动器和多个传感器可以发送/接收激励信号以覆盖二维圆形区域的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种扩大结构健康监测范围***结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本发明实施例1提供了一种扩大结构健康监测范围方法流程示意图。具体如图1所示，该方法可以包括：对被检测结构进行多次扫描。每一次扫描过程中，在激励信号传输到结构时，可以在信号到达传输结构后就开始收集响应信号。也可以在设定相应的预设收集延迟后，按照预设收集延迟收集激励信号后传输至结构后的响应信号。

具体的详细说明如下：

步骤110，发射激励信号至结构。

步骤120，每一次检测到激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集激励信号传输至结构后的响应信号。

步骤130，根据每一次收集的响应信号，对结构的状态进行分析，获取分析结果。

步骤140，将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果。

可选的，激励信号可以是超声波形。而每一次扫描的收集延迟都可以是依次递增的，即第i+1次扫描时的预设收集延迟大于第i次扫描时的预设收集延迟，其中，i为大于或者等于1的正整数。其目的就是为了能够扩大扫描的范围。具体的效果体现可以从下面的例子中体现的淋漓尽致。具体如下：

在一个具体的例子中，假设在监控过程中，对被监控结构进行连续多次扫描。无收集延迟的扫描覆盖了SHM***的原始监测区域。具有收集延迟的扫描覆盖扩展监测区域。扫描结果的组合扩大了SHM***的监测范围。

如果数据采集中无收集延迟，或者激励信号传送至结构后立即开始收集响应信号，则扫描的最大距离L0可以由以下公式展示：

L0＝(T_S-T_w)×v/2 (1)

其中，测量距离L处的点(0＜＝L＜＝L₀)被覆盖在数据采集中，L是致动器及传感器与结构中兴趣点之间的距离，v是穿过结构的信号速度，T_w是致动信号的持续时间(窗口)，Ts是信号持续时间，在该时间内传感器需要进行数据收集。信号速度v在均匀结构中是恒定的。对于非均匀结构，信号速度v可能随着不同的方向和不同的位置而变化。实际中，Ts可以通过实验测量获得或者通过结构模型获得，并且等式(1)中的信号速度v可以是到达兴趣点的平均信号速度。

如果传感器在收到激励信号后以收集延迟d进行信号收集，即传感器在收集响应信号之前等待时间d，则发生数据获取的开始距离为：

因此，由于收集延迟d，检测距离从L0增加到Ld+L0，并且覆盖Ld和Ld+L0之间的区域。

如果选择以下收集延迟

(3)

则Ld1＝L0，且测量距离变为L(L0＜＝L＜＝2L0)。因此，最远测量距离变成2L0。

如果对结构进行两次扫描，一次扫描没有收集延迟，另一次具有由公式(3)指定的收集延迟，将结果组合，则监测范围翻倍变成2L0。由此，测量距离变为L(0＜＝L＜＝2L0)。图2示出了包括致动器200和传感器202的示例性配置。致动器200生成作为激励信号的超声波201。在没有收集延迟机制的情况下，传感器202的监测范围为L0。增加收集延迟机制后，根据上述原理，监测范围可增加到2L0。该收集延迟机制允许通过多次扫描和增加收集延迟来扩大监测范围。

为了进一步增加监测范围，可以执行具有以下收集延迟的附加扫描：

结合前两次扫描，监测范围增加了三倍。得到的测量距离变为L(0＝L＜＝3L0)。

此外，可以执行更多附加扫描。在一个实施例中，每个附加扫描的收集延迟如下：

其中，n＝1，2，3，...。这样，Ldn＝nL0。由此，当组合所有扫描结果时，测量距离变为L(0＜＝L＜＝nL0)。

应该注意的是，当使用收集延迟d1，d2，...，dn时，它们的值可能不一定由等式(3)，(4)和(5)确定。收集延迟的值取决于实际需要。例如，收集延迟的值可小于公式(5)所定义的值。在这种情况下，两个扫描区域会产生重叠。重叠扫描区域可用于探测具有更多细节的区域。

而对每一次扫描区域进行分析，获取的分析结果相叠加，就是最终的检测结果。

本发明实施例提供的一种扩大结构健康监测范围方法，如果首次扫描时，传感器在激励信号传送至结构后立即收集相应信号，扫描覆盖了原始的监测区域。而在下一次扫描时，随着收集延迟的存在，扫描的起始点随着收集延迟的存在而向后移动，即虽然扫描覆盖的监测区域整体向后偏移。那么，每一次根据收集的响应信号对结构的状态进行分析后，将总的分析结果进行叠加，即可以获取对结构更大范围的监测。而且，是在不增加传感器的个数、不增加致动器的个数，以及在不升级存储器容量的情况下的前提下实现的。

实施例2

在实施例1的基础上，考虑到随着监测范围的扩大，激励信号传输的更远，反射的激励信号可能经历更多的能量损失。可以调整增益以补偿损失并增强反射的结构响应信号。例如，可以为每次扫描预设不同的增益。此外，可以安排SHM***根据信号的特性来自动调整信号增益。

具体的，在步骤120之后，还可以包括：步骤150，对响应信号采取不同的增益补偿，以提高有效信号的强度。

具体的流程包括：将响应信号的振幅绝对最大值与预设数值区间的最大值和最小值进行比较；

当响应信号的振幅绝对最大值小于最小值时，增加响应信号的增益；

或者，当响应信号的振幅绝对最大值大于最大值时，减少响应信号的增益；

或者，当响应信号的振幅绝对最大值位于预设数值区间内时，则对响应信号不做增益补偿处理。

在一个具体的例子中，对增益进行调整，使信号的振幅绝对最大值处于数据采集输入范围的特定区间内。例如，预设数值区间可设定在从40％到75％的范围内。区间下限确保信号足够强，区间上限为信号变化提供足够空间而不达到饱和。根据实际应用情况，下限和上限可具有其他值。应注意，可使用各种方法对收集到的信号进行过滤以克服背景噪音。因此，可对振幅绝对最大值进行平滑处理。例如，可以使用指数加权移动平均法来平滑数据。自动增益调整程序介绍如下。在接收到反射的结构响应信号后，将信号的振幅绝对最大值与区间的下限和上限进行比较。如果振幅绝对最大值低于下限，则增加增益以提升信号。如果振幅绝对最大值高于上限，则降低增益以降低信号功率。

在一个实施例中，如果振幅绝对最大值低于下限，则增益根据以下公式增加

g_t+l＝g_t+0.5×|g_t-g_t-1| (6)

其中，g_t+l为：在t+1次调整的增益；g_t为t次调整的增益，g₀＝0，g₁＝0.5g_max；g_max为最大增益；t＝1，2，...为增益调整次数。

如果振幅绝对最大值高于上限，则按以下公式减少

g_t+l＝g_t-0.5×|g_t-g_t-1| (7)

直到振幅绝对最大值落入该区间内。应注意，自动增益调整可以通过不同的方法来执行，并且增益调整值可不同于公式(6)和(7)所定义的值。

实施例3

虽然，本发明的上述实施例中，均是以一个致动器和传感器为例进行说明的。但是并不代表本申请仅能应用到仅有一个致动器和一个传感器为例的***中。当然，***如果内存足够，同样可以设置一个或多个致动器，或者一个或多个传感器。具体实施例如下，在上述任一个实施例的基础上，本实施例中将介绍***中包含一个或多个致动器，或者包含一个或多个传感器的情况。致动器和传感器可以如上实施例的集成，也可以是分离的。

将使用一个或多个不相连的致动器和传感器来就增加SHM***检测范围的原理进行说明。需注意，脉冲回波模式适用于上述实施例和以下将阐述的实施例。

在一个例子中，如图3所示，SHM***可包括一个致动器300和一个传感器301。致动器和传感器之间间隔一定距离，作为一组并排放置。致动器300发射穿过结构的超声波302。传感器301接收反射的激励信号。假定检测范围为d。当目标是诸如杆或管的一维结构时，致动器300和传感器301可以安装在结构的一端。超声波可沿一个方向传播到结构的另一端并在被反射后返回。该***可具有实现多次扫描的延迟机制，处理反射的激励信号并组合扫描的结果。扫描可能会增加收集延迟，以延长监测范围从而覆盖结构的整个长度。该***还可以有一个补偿机制，该机制自动调整每次扫描的增益，并补偿每种情况下的能量损失。扫描测量结果合并后，可覆盖更大的区域，并可在不增加SHM***存储器容量或增加额外致动器和传感器的情况下，监视结构的更大区域。

在另一个例子中，SHM***可以包括一个致动器，多个传感器，一套延迟机制和一套补偿机构。致动器和传感器可作为一套组件，以指定的方向和间距放置在一个结构中。应注意，设备间距可以有相同或不同的值。传感器可以同时或相继采集数据。***可使用延迟机制执行多次扫描以扩大监测范围。扫描可能会增加收集延迟。反射的激励信号可以通过补偿机制进行增益调整来补偿。***通过分析由传感器收集的反射激励信号的相位和振幅，来确定结构状态以及二维或三维变化。同样，由于使用多次扫描和增加收集延迟，监测范围可增加并且结构中的检测区域可能会增大。

在又一个例子中，SHM***可包括多个致动器、传感器、延迟机制和补偿机制。可将致动器和传感器以特定方向放置在结构的特定位置中，并作为一个整体一起工作。图4示出了致动器400、402以及传感器401的示例性构造。致动器的朝向各不相同，并向不同的方向产生超声波403和404。再次假设监测范围为d。致动器与传感器401的间距可以是相同的或不同的。致动器400和402在不同时间传输波，并且波可具有相同或不同的能量水平。通过多个致动器，***可观察到结构的二维或三维变化。可对结构反射激励信号之间的相位差和幅度差进行分析。同样，***可使用延迟机制和补偿机制来进行增量收集延迟扫描，补偿反射的激励信号，并且增大监测范围以覆盖结构中更大的区域，而无需任何昂贵的升级。

在另一个例子中，SHM***可以包括多个致动器、多个传感器、延迟机制和补偿机制。致动器和传感器可作为组件一起工作，并以预定朝向安装在结构的指定位置中。致动器与相应传感器的间距可根据实际需要来定义。图5是该实施例的一个例子。致动器500、502和504分别传输超声波506、507和508。波在二维平面中向不同方向传播。致动器也可以放置成在三维空间中产生波。传感器501、503和505分别与致动器配对。再次，d代表监测距离。致动器可以在相同或不同的时间以相同或不同的能量级传输波。传感器可以依次或并行接收反射的激励信号。该***可用于识别二维或三维的结构变化。可对结构反射激励信号之间的相位差和幅度差进行分析。同样，***可以使用延迟机制和补偿机制来进行多次增量收集延迟扫描，并执行适当的增益调整来扩大监测范围。通过将多次扫描的测量结果与收集延迟相结合，***可以增大监测范围并覆盖更大区域，而无需升级内存或添加额外致动器和传感器。

在另一个例子中，SHM***可具有位于结构指定区域中的多个组。每个组可包括致动器和传感器配置，例如一个致动器和一个传感器、一个致动器和多个传感器、多个致动器和一个传感器，或多个致动器和多个传感器，或者任何两个或更多配置的组合。每个组可以监视结构的指定区域。所有小组的测量结果可能覆盖结构的不同区域。组之间可能会有重叠形成冗余覆盖。同样，每个组或***可能有延迟机制和补偿机制。延迟机制用于执行增量收集延迟的多次扫描。补偿机制用于为反射激励信号提供适当增益。通过组合扫描测量结果可以扩展每个组的监测范围。该***可覆盖结构中的额外区域，而无需增加存储容量或安装更多致动器和传感器。

在前述实施例中，可使用波束形成技术来微调超声波的特性和指向，使兴趣区域可分别接收最佳功率的激励信号。可依据结构中和被监测区域位置内的波形速度或信号传输速度，设计延迟机制，自动调整收集延迟。

在另一个例子中，致动器和传感器可以发送/接收激励信号(例如，超声波形)以覆盖二维圆形区域。图6示出了一个示例，致动器601和传感器602被配置在一起，发送和接收超声波波形以覆盖二维圆形区域。也就是说，波形以360度均匀射出。假定致动器601和传感器602的监测范围是具有半径d的圆形区域，本发明可通过使用上述具有收集延迟的多次扫描，将监测范围扩展到半径2d、3d甚至更大半径的圆形区域。当要监测的结构为薄平板时，此配置非常有效。应注意，当不同角度或不同位置的波形速度不同时，该方法同样适用。在此情况下，应使用实验方法来测量不同方向和位置的波形速度。

在另一个例子中，致动器和传感器可以发送/接收激励信号(例如，超声波形)以覆盖三维球形区域。具体而言，将致动器和传感器配置在一起，发送和接受超声波波形以覆盖三维球形区域。也就是说，波形在三维方向上以360度均匀射出。与上述实施例类似，通过使用具有收集延迟的多次扫描，本发明可以将致动器和传感器的监测范围从半径d扩展到2d、3d或更大半径。应注意，当不同角度或不同位置的波形速度不同时，该方法也同样适用。在此情况下，应使用实验方法来测量不同方向和位置的波形速度。

应注意，本发明不限于反射波或波形，还可以收集由穿透、折射或衍射产生的波或波形，并由SHM***收集以执行损伤分析。

实施例4

与上述实施例相对应的，本发明实施例还提供了一种扩大结构健康监测范围***，具体如图7所示，该***包括：传感器701、致动器702、处理器703、存储器704。

处理器703用于对被检测结构进行多次扫描，每一次扫描包括：

控制致动器702发射激励信号至被检测的结构；

控制传感器701在每一次检测到激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集激励信号传输至结构后的响应信号；

将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果；

存储器用于，存储每一次的分析结果以及最终的检测结果。

可选的，传感器701包括至少一个，致动器702包括至少一个。

可选的，处理器703具体用于：基于结构中的激励信号传输速度、传输激励信号的致动器702位置以及收集响应信号的传感器701位置，自动调整每一次扫描时的预设收集延迟。

本发明实施例提供的扩大结构健康监测范围***中各部件所执行的功能均已在上述实施例中做了详细的介绍，因此这里不做详细介绍。

本发明实施例提供的一种扩大结构健康监测范围***，如果首次扫描时，传感器701在激励信号传送至结构后立即收集相应信号，扫描覆盖了原始的监测区域。而在下一次扫描时，随着收集延迟的存在，扫描的起始点随着收集延迟的存在而向后移动，即虽然扫描覆盖的监测区域整体向后偏移。那么，每一次根据收集的响应信号对结构的状态进行分析后，将总的分析结果进行叠加，即可以获取对结构更大范围的监测。而且，是在不增加传感器701的个数、不增加致动器702的个数，以及在不升级存储器容量的情况下的前提下实现的。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种扩大结构健康监测范围的方法，其特征在于，所述方法包括：

对被检测结构进行多次扫描，其中每一次扫描包括：发射激励信号至结构；

每一次检测到所述激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集所述激励信号传输至所述结构后的响应信号；每一次扫描的收集延迟都是依次递增的，即第i+1次扫描时的预设收集延迟大于第i次扫描时的预设收集延迟，其中，i为大于或者等于1的正整数；

根据每一次收集的响应信号，对所述结构的状态进行分析，获取分析结果；

将所有的分析结果进行叠加，获取最终的检测结果按照预设收集延迟收集所述激励信号传输至所述结构后的响应信号之后，所述方法还包括：

对所述响应信号采取不同的增益补偿；

所述对所述响应信号采取不同的增益补偿，具体包括：

将所述响应信号的振幅绝对最大值与预设数值区间的最大值和最小值进行比较；

当所述响应信号的振幅绝对最大值小于所述最小值时，增加所述响应信号的增益，增益根据以下公式增加：

g_t+l＝g_t+0.5×|g_t-g_t-1|

其中，g_t+l为在t+1次调整的增益；g_t为t次调整的增益，g_t-1为t-1次调整的增益，g₀＝0，g₁＝0.5g_max；g_max为最大增益；t＝1，2，...为增益调整次数；

或者，当所述响应信号的振幅绝对最大值大于所述最大值时，减少所述响应信号的增益，按以下公式减少：

g_t+l＝g_t-0.5×|g_t-g_t-1|

直到振幅绝对最大值落入该区间内；

或者，当所述响应信号的振幅绝对最大值位于所述预设数值区间内时，则对所述响应信号不做增益补偿处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励信号包括超声波。

3.一种基于权利要求1所述扩大结构健康监测范围的方法的扩大结构健康监测范围的***，其特征在于，所述***包括：传感器、致动器、处理器、存储器；

所述处理器用于对被检测结构进行多次扫描，每一次扫描包括：

控制致动器发射激励信号至被检测的结构；

控制所述传感器在每一次检测到所述激励信号传输至结构时，按照预设收集延迟收集所述激励信号传输至所述结构后的响应信号；

根据每一次收集的响应信号，对所述结构进行分析，获取分析结果。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述传感器包括至少一个，所述致动器包括至少一个。

5.根据权利要求3或4所述的***，其特征在于，所述处理器具体用于：基于所述结构中的激励信号传输速度、传输激励信号的致动器位置以及收集响应信号的传感器位置，自动调整每一次扫描时的预设收集延迟。