一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，该方法具体为：在均匀结构件上布置一组PZT压电传感器，组成激励器‑传感器监测通道；采集所有监测通道的结构Lamb波响应信号；选择所有等效的监测通道，其传播距离基本相同，并提取等效通道的直达波幅值表达式；以任意压电片为归一化基准1，根据等效监测通道组合下的Lamb波直达波信号传递函数，求解得到归一化压电片补偿系数矩阵；采用计算得到的归一化补偿系数矩阵对原信号进行补偿。本发明专利技术方法能一定程度上缓解由于传感器性能偏差、安装工艺偏差等引起的信号偏差，实现对结构响应信号的一致性补偿，减小响应信号的偏差，提高监测结果的准确性。

Signal consistency compensation method for piezoelectric array Lamb wave damage monitoring

The invention discloses a piezoelectric array Lamb wave damage signal consistency compensation method in monitoring, the specific method is: in the uniform structure arranged on a set of PZT piezoelectric sensors, actuators composed of sensor monitoring channel; collecting all monitoring channel structure of Lamb wave response signal; the choice of monitoring channel all equivalent. The propagation distance is basically the same, and extract the amplitude values of the channel direct equivalent expressions; with arbitrary piezoelectric patches for normalization of 1, according to the functions of the combination of equivalent monitoring channel under Lamb wave direct wave signal transmission, obtained normalized piezoelectric compensation coefficient matrix; the normalized compensation coefficient matrix calculated to compensate the original signal. The method of the invention can to some extent alleviate the deviation of signal sensor performance deviation, deviation caused by the installation process, to achieve the consistency of compensation structure response signal, reducing response signal deviation, improve the accuracy of the monitoring results.

【技术实现步骤摘要】
一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法
本专利技术涉及一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，具体涉及Lamb波损伤监测中压电阵列机电耦合系数归一化补偿矩阵的求解，从而对Lamb波损伤监测信号一致性补偿的方法。
技术介绍
随着Lamb波损伤监测技术的不断发展，Lamb波损伤监测技术的应用不断增多，人们开始研究Lamb波损伤监测技术的补偿方法。为了获得更加有效的损伤信号，得到更加精确的损伤监测结果，必须对Lamb波损伤监测技术进行补偿。现有的Lamb波损伤监测系统一般包括传感器阵列、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。信号采集到计算机中，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，再由计算机计算得出损伤的位置和范围。由于压电陶瓷片加工过程和安装工艺存在差异，采用压电传感阵列检测损伤，各传感器最终表现出来的性能会有所差异。这些直接反映在信号能量上的不一致，而信号能量将直接反映结构损伤的程度、范围等信息。因此，传感器性能差异将会直接影响损伤的定位误差和损伤评估。此外，结构损伤引起的Lamb波散射信号能量一般都非常小，与激励器在结构中激励的Lamb波传播信号能量往往相差一个数量级以上，这给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，损伤散射信号的提取变得更加困难。考虑以上几点，消除传感器性能差异对Lamb波响应信号的影响是十分必要的。目前，现有的有关Lamb波损伤监测技术研究中还缺乏针对多传感器性能一致性补偿方面的成果。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，利用压电阵列中等距离传播通道直达波传递函数相同的特点，提出窄带激励下的压电传感器机电耦合系数归一化补偿，实现对结构响应信号的一致性补偿。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，包括如下步骤：步骤1，在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列；步骤2，在压电激励/传感阵列中，选择不同的传感器分别作为激励元件和传感元件，组建激励-传感监测通道，采集结构件健康状态下所有监测通道的结构Lamb波响应信号；步骤3，将激励元件和传感元件之间间距相同的监测通道视为等效通道，并归类到同一个等效通道组合中，令各等效通道组合下的结构Lamb波响应信号组合为Up，各等效通道组合下的Lamb波传播传递函数为Gp，提取各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|Up|，p为激励元件与传感元件之间间距；步骤4，根据各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|Up|以及不同的p值，联列方程组|Up|＝|I(ω)|·|Gp|·|Kp|，I(ω)为激励信号，Ki、分别为激励元件以及到其距离为p的传感元件的机电耦合系数，i＝1,2,…,N，j≠i,j＝1,2,…,N，N为传感器的总个数；令任意一个传感器的机电耦合系数为1，对同一方程组内所有方程作相比运算，消除各方程中的相同项|I(ω)|·|Gp|，进而求解上述方程组得到压电激励/传感阵列中其他传感器之间的相互比值，即归一化补偿系数矩阵；步骤5，利用归一化补偿系数矩阵，对所有监测通道的结构Lamb波响应信号进行补偿，实现信号的幅值补偿。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤2的具体过程为：步骤21，在压电激励/传感阵列中，选择传感器Pi作为激励元件，在结构件健康状态下，将Lamb波超声激励信号加载到传感器Pi上，i＝1,2,…,N，N为传感器的总个数，在结构件中激发激励信号；步骤22，依次选取传感器Pj作为传感元件，j≠i,j＝1,2,…,N，采集激励下的结构Lamb波响应信号，得到激励元件为Pi、传感元件为Pj的监测通道下的结构Lamb波响应信号Uij。作为本专利技术的一种优选方案，所述Lamb波超声激励信号为窄带信号。作为本专利技术的一种优选方案，所述结构Lamb波响应信号Uij的表达式为：Uij＝I(ω)·KiKjGij，其中，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，j≠i，N为传感器的总个数，Ki和Kj分别为激励元件和传感元件的机电耦合系数，Gij为Lamb波传播传递函数。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤5的具体过程为：归一化补偿系数矩阵对应每个传感器的补偿系数，利用各个监测通道的结构Lamb波响应信号幅值除以其对应的激励元件和传感元件的补偿系数，实现信号的幅值补偿。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术一定程度上消除了传感器性能偏差、安装工艺偏差等引起的压电传感器机电耦合系数差异对Lamb波激励和传感的影响，提高了Lamb波损伤监测的准确性。2、本专利技术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。3、本专利技术实现方法简单，只需提取Lamb波损伤监测系统中的一组等效通道的Lamb波响应信号，解出归一化补偿系数，再对信号进行运算，无需对系统进行其他操作。4、本专利技术针对特定系统求解得出的补偿系数矩阵，运用于自身，针对性强，可靠性高。附图说明图1是本专利技术中实验试件及压电线阵图。图2是本专利技术中窄带激励信号的波形时域图。图3是本专利技术中选择等效通道的方法示意图。图4是本专利技术选取的等效通道直达波幅值方程组求解得到的各压电片补偿系数。图5(a)是本专利技术选取的等效通道在图2所示窄带信号激励下的Lamb波结构响应信号波形图。图5(b)是对图5(a)中所示信号进行一致性补偿后的波形图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。一种Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，包括如下步骤：(1)在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列，以及激励-传感通道；在本实施例中，采用一块T6061铝板作为实验结构，其尺寸为600mm*600mm*2mm。在结构上安装了13片压电传感器，如图1所示，以垂直中心线为对称轴、间隔30mm线性排列，线阵距离边界100mm。13片压电传感器构成的线阵组成了多个激励-传感通道。(2)采集工程机构健康状态下所有激励-传感监测通道的结构Lamb波响应信号Uij＝I(ω)·KiKjGij，其中i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，j≠i，N为传感器的总个数，Ki和Kj分别为激励器和传感器的机电耦合系数，Gij为Lamb波传播传递函数；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波超声激励信号加载到作为激励元件的Pi上，在结构中激发激励信号；上述Lamb波超声激励信号为窄带信号，如图2所示。(22)依次选取压电元件Pj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，得到激励元件为Pi、传感元件为Pj的监测通道下的结构Lamb波响应信号Uij；(23)重复步骤(21)、(22)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列；步骤2，在压电激励/传感阵列中，选择不同的传感器分别作为激励元件和传感元件，组建激励‑传感监测通道，采集结构件健康状态下所有监测通道的结构Lamb波响应信号；步骤3，将激励元件和传感元件之间间距相同的监测通道视为等效通道，并归类到同一个等效通道组合中，令各等效通道组合下的结构Lamb波响应信号组合为U

【技术特征摘要】
1.一种压电阵列Lamb波损伤监测中的信号一致性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在待检测的均匀结构件上布置PZT传感器，组成压电激励/传感阵列；步骤2，在压电激励/传感阵列中，选择不同的传感器分别作为激励元件和传感元件，组建激励-传感监测通道，采集结构件健康状态下所有监测通道的结构Lamb波响应信号；步骤3，将激励元件和传感元件之间间距相同的监测通道视为等效通道，并归类到同一个等效通道组合中，令各等效通道组合下的结构Lamb波响应信号组合为Up，各等效通道组合下的Lamb波传播传递函数为Gp，提取各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|Up|，p为激励元件与传感元件之间的距离；步骤4，根据各等效通道组合中的结构Lamb波响应信号直达波幅值|Up|以及不同的p值，联列方程组|Up|＝|I(ω)|·|Gp|·|Kp|，I(ω)为激励信号，Ki、分别为激励元件以及到其距离为p的传感元件的机电耦合系数，i＝1,2,…,N，j≠i,j＝1,2,…,N，N为传感器的总个数；令任意一个传感器的机电耦合系数为1，对同一方程组内所有方程作相比运算，消除各方程中的相同项|I(ω)|·|Gp|，进而求解上述方程组得到压电激励/传感阵列中其他传感器之间的相互比值，即归一化补偿系数矩阵；步骤5，利用归一化补偿系数矩阵，对所有监测通道的结构Lamb波响应信号进行补偿，实现信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，仲鹏达，潘蕊怡，沈熠韬，郝海晨，岳东，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32