CN110789731A - 一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***及方法 - Google Patents

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张先辉
李新民
金小强
孙伟
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Abstract

本发明属于直升机健康状态与使用监测技术领域，公开了一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***及方法，包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；主控制器模块的信号输出端与波形发生模块的信号输入端连接，波形发生模块的信号输出端与通道控制模块的选择开关输入端连接，通道控制模块的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接，数据采集模块的信号输出端与所述通道控制模块的信号输入端连接，所述通道控制模块的选择开关输出端与波形采集模块的信号输入端连接，波形采集模块的信号输出端与主控制器模块的信号输入端连接，能够提高损伤散射信号的信噪比，实现高效的结构损伤监测。

Description

一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***及方法
技术领域
本发明属于直升机健康状态与使用监测技术领域，尤其涉及一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***及方法。
背景技术
常规构型直升机尾桁位于机身和斜梁之间，是机身和斜梁之间的重要承力结构。在主旋翼下洗流循环振动载荷和尾传动链路旋转振动载荷的共同作用下，直升机尾桁结构主要损伤模式体现为疲劳裂纹损伤，疲劳损伤多发生在材料内部且不易从表面发现，容易留下严重的隐患，关键部位的小损伤在受到较大的载荷或者极端恶劣的飞行状态时会发生突然性的扩展，以至结构的承载特性瞬间失效，因此及早或及时发现关键结构部位的早期损伤，使结构的健康情况始终处于被监测的状态，可为飞机的安全、经济使用和及时维护提供重要依据。
目前，常用的结构健康监测方法主要有基于结构振动响应分析的损伤诊断方法，但该方法依赖于结构模型，对小损伤及损伤扩展不敏感，要求振动测点较多，并且对边界和环境的变化特别敏感；基于结构机械阻抗的损伤诊断方法，但只能通过传感器布置周围很小范围的结构阻抗变化来进行监测，不能监测距离传感器较远的损伤。对小损伤的监测灵敏度和精度都较低；基于结构载荷参数的损伤诊断方法，但对结构小损伤不敏感，只有当结构损伤大到改变了结构的参数分布才能对其进行监测；基于传感特性改变的损伤诊断方法，但传感器只能感受其布置点处结构的变化，不在其布置点的损伤不能监测到，只能监测结构表面损伤。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***及方法，提高损伤散射信号的信噪比，实现高效的结构损伤监测。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，所述***包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；
其中，所述主控制器模块的信号输出端与所述波形发生模块的信号输入端连接，所述波形发生模块的信号输出端与所述通道控制模块的选择开关输入端连接，所述通道控制模块的信号输出端与所述数据采集模块的信号输入端连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述通道控制模块的信号输入端连接，所述通道控制模块的选择开关输出端与所述波形采集模块的信号输入端连接，所述波形采集模块的信号输出端于所述主控制器模块的信号输入端连接。
本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：
(1)数据采集模块包含多个压电传感器，所述多个压电传感器分别布置在直升机尾桁上。
(2)所述通道控制模块为压电传感器选择电路，包含设置在每个压电传感器上的输入选择开关和输出选择开关。
(3)所述***还包括：测温模块，所述测温模块的温度信号输出端与所述主控制器模块的温度信号输入端连接，且所述测温模块用于获取直升机尾桁的温度。
(4)所述通道控制模块通过电缆与数据采集模块中的多个压电传感器连接。
(5)所述主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成。
技术方案二：
一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测方法，所述方法应用于如技术方案一所述的***中，将所述直升机尾桁结构划分为若干个单元点，记波形发生器的输出波形为激励信号，第一压电传感器发出激励信号时波峰所在的时刻为激励时刻，第二压电传感器接收反馈信号时波峰所在的时刻为接收时刻；
记所述若干个单元点上的某个点为虚拟损伤点；
获取激励时刻和接收时刻的时间间隔；
获取第一压电传感器到虚拟损伤点的第一距离，以及第二压电传感器到虚拟损伤点的第二距离，所述第一距离和所述第二距离的和为散射信号的传播距离；
根据所述时间间隔、所述传播距离以及Lamb波的传播速度，得到散射信号从虚拟损伤点发出的时刻，所述散射信号为激励信号在虚拟损伤点处的实际信号与健康信号的差；所述健康信号为直升机尾桁结构无损伤时在所述虚拟损伤点处检测到的信号；
将多个压电传感器依次分别作为第一压电传感器，得到所述虚拟损伤点处的多个散射信号；
将所述虚拟损伤点处的多个散射信号的信号幅值进行叠加，得到该虚拟损伤点处叠加后的信号幅值；
依次分别将所述若干个单元点作为虚拟损伤点，从而得到所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值；
确定所述所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值中最大值所在的虚拟损伤点为真实损伤点。
本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：
得到所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值具体为：
Figure BDA0002229760100000041
Figure BDA0002229760100000043
其中An为权值系数，fn为第n个散射信号，t0为激励时刻和接收时刻的时间间隔，
Figure BDA0002229760100000044
分别为虚拟损伤点到第一压电传感器和第二压电传感器的距离，v为Lamb波传播波速，fv为图像分辨率，
Figure BDA0002229760100000045
为第一压电传感器的横纵坐标，
Figure BDA0002229760100000046
为第二压电传感器的横纵坐标。
本发明通过一种直升机尾桁结构健康监测方法，克服复杂多反射结构中Lamb波监测时的模式混叠问题，提高损伤散射信号的信噪比，实现高效的结构损伤监测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***的电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于时间反转聚焦成像的直升机尾桁结构健康监测方法步骤如下：
(1)对于任意的Lamb波激励－传感监测通道，监测信号中从开始激励时刻到信号中任一个时刻点之间的时间间隔，对应着激励信号传播到达传感器所需要的时间；
(2)按照设定的微元大小，将待测结构划分为若干单元点，假设信号经过结构中的某一单元点散射后到达传感器，则这一点到激励器和传感器之间距离之和为该点散射信号的传播距离，结合Lamb波信号的传播速度可以得到该散射信号到达传感器的时刻；
(3)由于损伤是散射信号的二次波源，所有信号中均含有损伤引起的散射信号，因此对各通道分别分析赋值，则损伤处的信号幅值会叠加而显现出来，如时间反转聚焦，从而实现对损伤的监测和成像；
(4)所述***中波形采集模块用于采集波形在结构中传递后传感器接收的波形，将波形进行保存处理；
对于图像矩阵中的任意一点，如图1所示，其像素值赋值表达式如公式(1)和(2)所示。其中An为权值系数，取各损伤散射信号的归一化系数，fn为第n个损伤散射信号，对于时间反转方法而言则是时间反转后的损伤散射波动幅值，t0为输入激励信号并采集监测信号的时刻，
Figure BDA0002229760100000051
分别为该象素点到激励元件和传感元件的距离，v为Lamb波传播波速，fv为图像分辨率，
Figure BDA0002229760100000061
为激励器的横纵坐标，
Figure BDA0002229760100000062
为传感器的横纵坐标。所有涉及成像的各类参数都需要根据实验研究结果和实际监测情况择优设置。
Figure BDA0002229760100000063
Figure BDA0002229760100000064
Figure BDA0002229760100000065
本发明的优点是：在保证损伤和冲击定位精度的同时，实施过程简单易行，不需要对结构进行力学建模，直接利用压电传感器阵列获取的响应信号在软件上进行信号时间反转聚焦并生成图像的结构损伤，从而实现高效的结构损伤监测，更容易在实际工程中得到应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，所述***包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；
其中，所述主控制器模块的信号输出端与所述波形发生模块的信号输入端连接，所述波形发生模块的信号输出端与所述通道控制模块的选择开关输入端连接，所述通道控制模块的信号输出端与所述数据采集模块的信号输入端连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述通道控制模块的信号输入端连接，所述通道控制模块的选择开关输出端与所述波形采集模块的信号输入端连接，所述波形采集模块的信号输出端于所述主控制器模块的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，数据采集模块包含多个压电传感器，所述多个压电传感器分别布置在直升机尾桁上。
3.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，所述通道控制模块为压电传感器选择电路，包含设置在每个压电传感器上的输入选择开关和输出选择开关。
4.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，所述***还包括：测温模块，所述测温模块的温度信号输出端与所述主控制器模块的温度信号输入端连接，且所述测温模块用于获取直升机尾桁的温度。
5.根据权利要求2所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，
所述通道控制模块通过电缆与数据采集模块中的多个压电传感器连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测***，其特征在于，所述主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成。
7.一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测方法，所述方法应用于如权利要求1－6中任一项所述的***中，其特征在于，将所述直升机尾桁结构划分为若干个单元点，记波形发生器的输出波形为激励信号，第一压电传感器发出激励信号时波峰所在的时刻为激励时刻，第二压电传感器接收反馈信号时波峰所在的时刻为接收时刻；
记所述若干个单元点上的某个点为虚拟损伤点；
获取激励时刻和接收时刻的时间间隔；
获取第一压电传感器到虚拟损伤点的第一距离，以及第二压电传感器到虚拟损伤点的第二距离，所述第一距离和所述第二距离的和为散射信号的传播距离；
根据所述时间间隔、所述传播距离以及Lamb波的传播速度，得到散射信号从虚拟损伤点发出的时刻，所述散射信号为激励信号在虚拟损伤点处的实际信号与健康信号的差；所述健康信号为直升机尾桁结构无损伤时在所述虚拟损伤点处检测到的信号；
将多个压电传感器依次分别作为第一压电传感器，得到所述虚拟损伤点处的多个散射信号；
将所述虚拟损伤点处的多个散射信号的信号幅值进行叠加，得到该虚拟损伤点处叠加后的信号幅值；
依次分别将所述若干个单元点作为虚拟损伤点，从而得到所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值；
确定所述所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值中最大值所在的虚拟损伤点为真实损伤点。
8.根据权利要求7所述的一种基于Lamb波的直升机尾桁结构健康监测方法，得到所有虚拟损伤点处叠加后的信号幅值具体为：
Figure FDA0002229760090000031
Figure FDA0002229760090000032
Figure FDA0002229760090000033
其中An为权值系数，fn为第n个散射信号，t0为激励时刻和接收时刻的时间间隔，
Figure FDA0002229760090000034
分别为虚拟损伤点到第一压电传感器和第二压电传感器的距离，v为Lamb波传播波速，fv为图像分辨率，为第一压电传感器的横纵坐标，
Figure FDA0002229760090000036
为第二压电传感器的横纵坐标。
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