一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，仅对复合材料结构中与损伤关联的损伤监测区域进行损伤监测，而无需利用整个光纤光栅传感器网络对其覆盖的整个被测复合材料结构进行损伤监测，使得损伤监测的光纤光栅传感器的轮询次数极大减小，减小了需要采集并处理损伤信号的数量，有效提高了损伤监测效率，且本发明专利技术先利用小波包分析预处理复合材料损伤信号得到损伤信号能量谱，提取特征向量，准确有效，再结合所设计的BP神经络模型，通过训练得到具有复合材料损伤识别模式功能的网络，实现损伤智能识别，解决一些非线性的问题，可同时完成损伤识别、定位和程度大小判定，有效可行。

A method of damage detection and detection for composite materials based on wavelet analysis

The invention discloses a composite material based on wavelet analysis detection method for damage detection, damage monitoring area of only associated with the damage in the composite structure damage monitoring, without the need to cover the entire tested composite structure damage monitoring using the fiber Bragg grating sensor network, the number of polling of fiber grating sensor damage the monitoring of the reduced greatly reduces the need to collect and handle the number of damage signal, effectively improve the damage monitoring efficiency, and the invention uses wavelet packet analysis pretreatment composite damage signal obtained damage signal energy spectrum, feature extraction, accurate and effective, combined with the BP neural network model design, with recognition functional damage of composite materials obtained by training network, realize the intelligent recognition of damage to solve some nonlinear problems. At the same time, the identification, location and degree of the damage can be determined, which is effective and feasible.

【技术实现步骤摘要】
一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法
本专利技术涉及复合材料损伤检测领域，具体是一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法。
技术介绍
复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保留了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。伴随着科学技术的进步，复合材料在各个
的应用也越来越广泛，己经广泛于军事、航天、交通、电子电气、等领域。由于复合材料很容易遭受外来破坏而产生损伤，所以对复合材料进行损伤检测就显得很重要，目前对复合材料损伤信号高效的识别处理方法研究较少。现有技术中，对复合材料的检测一般采用声发射法，检测声波一般采用兰姆波，由于兰姆波对损伤较敏感，且分析较容易，一般采用短时傅立叶变换、小波变换及上述的HHT变换等方法。常规傅里叶分析理论在时频联合分析方面存在局限，只能简单的将时域信号转化为频域信号，而不能得到具体频率段数据出现的时间，这在数据处理中具有严重弊端；HHT变换在分解复杂信号时存在求解结果精度不高、计算时间长的不足，同时还存在边端效应、越界问题、停止准则和虚假低频成分过滤的问题。短时傅里叶变换在提取包络时对设定的频率处效果较好，对其他频率的信号处理效果较差。小波变换能将数据分为n段处理，但是单纯的小波变换不够智能，需要专业人士才能识别信号，检测不方便。另外，在对大面积的复合材料进行损伤监测时，由于监测面积大，需要布置数目较多的传感器组成大型传感器网络。在实际损伤监测中，一般要求对整个大型传感器网络进行扫查，并对扫查得到的大量兰姆波传感信号进行分析处理，使得损伤监测的任务量很大，执行效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，包括以下步骤：步骤S1：在被测复合材料结构中均匀布置多个光纤光栅传感器，以形成光纤光栅传感器网络；步骤S2：在传感器网络中选取多个用于对被测复合材料结构进行撞击监测的光纤光栅传感器，作为撞击监测光纤光栅传感器；步骤S3：当被测复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器同步采集撞击监测光纤光栅传感器的撞击响应信号；步骤S4：根据撞击响应信号进行撞击监测，获得撞击事件参数；步骤S5：根据撞击事件参数确定损伤监测区域；步骤S6：根据探伤检测区域的范围，从光纤光栅传感器网络中选取相应的光纤光栅传感器作为损伤监测光纤光栅传感器，并制定相应的扫查策略；步骤S7：按照扫查策略，利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器向所述损伤监测区域激发兰姆波检测信号；步骤S8：利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器采集损伤信号；步骤S9：构建提取损伤信号的小波分析算法，并获取小波包的能量谱；步骤S10：选取BP网络学习样本，经建立损伤识别BP神经网络模型；步骤S11：基于损伤识别BP神经网络模型对复合材料结构进行损伤检测，并输出损伤结果。作为本专利技术进一步的方案：步骤S3中所述信号采集器包括撞击响应信号调理单元和多通道信号同步采集单元，撞击响应信号调理单元与撞击监测光纤光栅传感器相连，撞击响应信号调理单元对多个撞击监测光纤光栅传感器输出的多路撞击响应信号分别进行滤波和放大；所述多通道信号同步采集单元用于对撞击响应信号调理单元输出的多路信号进行模数转化并同步采集。作为本专利技术再进一步的方案：步骤S7和步骤S8中所述信号发生接收器包括信号发生单元、多路选择单元、信号调理单元和信号接收单元；所述信号发生单元用于在每次轮询时产生激励信号，并经多路选择单元加载到该次轮询所确定的作为激励器的光纤光栅传感器上；多路选择单元用于按照所述扫查策略从损伤监测光纤光栅传感器依次选择作为激励器的光纤光栅传感器和作为传感器的光纤光栅传感器；信号调理单元用于对多路选择单元选择的作为传感器的光纤光栅传感器输出的损伤信号进行滤波和信号放大；信号接收单元用接收信号调理单元输出的损伤信号。作为本专利技术再进一步的方案：所述信号发生接收器还包括功率放大单元，功率放大单元用于对激励信号进行功率放大。作为本专利技术再进一步的方案：步骤S9的具体步骤如下：步骤S91：将复合材料损伤信号进行小波包分解，所述小波包分解的小波基为db小波，db小波的滤波长度和支集长度均为2N，小波基的消失矩阵阶数为N；步骤S92：设定小波的分解层数为5，损伤信号在频率轴分为32个频带，选取的小波阶数为4，基于db4小波进行小波分析；步骤S93：基于小波包分析对损伤信号进行5层分解，得到32个信号频率成分，并根据信号频率成分从低到高排列，对小波包分解的系数进行重构，计算各重构信号的能量，对于分解后的第5层，记各结点的重构系数为S5，i，所述各结点重构系数表示小波各阶的能量，得到小波包的能量谱E5，I:其中，i=0，1，2，3…31，Xi，k为重构系数S5，i的离散的幅值，求得各频段所占信号总能量的比值G5，i:。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术先利用小波包分析预处理复合材料损伤信号得到损伤信号能量谱，提取特征向量，准确有效，再结合所设计的BP神经络模型，通过训练得到具有复合材料损伤识别模式功能的网络，实现损伤智能识别，解决一些非线性的问题，可同时完成损伤识别、定位和程度大小判定，有效可行；2、本专利技术仅对复合材料结构中与损伤关联的损伤监测区域进行损伤监测，而无需利用整个光纤光栅传感器网络对其覆盖的整个被测复合材料结构进行损伤监测，使得损伤监测的光纤光栅传感器的轮询次数极大减小，减小了需要采集并处理损伤信号的数量，有效提高了损伤监测效率。附图说明图1为基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法的流程示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。请参阅图1，一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，包括以下步骤：步骤S1：在被测复合材料结构中均匀布置多个光纤光栅传感器，以形成光纤光栅传感器网络。组成光纤光栅传感器网络的光纤光栅传感器的数量及排列方式根据实际需求而定，在排布光纤光栅传感器的过程中，要尽可能的保证排布均匀；步骤S2：在传感器网络中选取多个用于对被测复合材料结构进行撞击监测的光纤光栅传感器，作为撞击监测光纤光栅传感器。本步骤中，布置在被测复合材料结构中的整个光纤光栅传感器网络是用于后面的高精度损伤监测，而从整个光纤光栅传感器网络中选择部分光纤光栅传感器对所述被测复合材料结构进行损伤监测前的撞击监测，即所选择的光纤光栅传感器不仅用于撞击监测，后续还可能被再次选择，用于高精度损伤监测，而整个光纤光栅传感器网络中剩余的光纤光栅传感器如果在后续损伤监测操作中被选中的话，则仅用于损伤监测。需要说明的是，所选择的光纤光栅传感器需要满足能够对整个被测复合材料结构进行撞击监测，而不能只集中在某个区域。这样可保证能采集到发生在被测复合材料结构任一位置的撞击引起的撞击响应信号，从而实现撞击监测。选择的光纤光栅传感器数目越多，用于撞击监测的光纤光栅传感器网络越密集，撞击监测结果越可靠，然而，受限于实际撞击监测设备的通道数，一般最多选择60个光纤光栅传感器。步骤S3：当被测复合材料结构发生撞击事件时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在被测复合材料结构中均匀布置多个光纤光栅传感器，以形成光纤光栅传感器网络；步骤S2：在传感器网络中选取多个用于对被测复合材料结构进行撞击监测的光纤光栅传感器，作为撞击监测光纤光栅传感器；步骤S3：当被测复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器同步采集撞击监测光纤光栅传感器的撞击响应信号；步骤S4：根据撞击响应信号进行撞击监测，获得撞击事件参数；步骤S5：根据撞击事件参数确定损伤监测区域；步骤S6：根据探伤检测区域的范围，从光纤光栅传感器网络中选取相应的光纤光栅传感器作为损伤监测光纤光栅传感器，并制定相应的扫查策略；步骤S7：按照扫查策略，利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器向所述损伤监测区域激发兰姆波检测信号；步骤S8：利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器采集损伤信号；步骤S9：构建提取损伤信号的小波分析算法，并获取小波包的能量谱；步骤S10：选取BP网络学习样本，经建立损伤识别BP神经网络模型；步骤S11：基于损伤识别BP神经网络模型对复合材料结构进行损伤检测，并输出损伤结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在被测复合材料结构中均匀布置多个光纤光栅传感器，以形成光纤光栅传感器网络；步骤S2：在传感器网络中选取多个用于对被测复合材料结构进行撞击监测的光纤光栅传感器，作为撞击监测光纤光栅传感器；步骤S3：当被测复合材料结构发生撞击事件时，利用信号采集器同步采集撞击监测光纤光栅传感器的撞击响应信号；步骤S4：根据撞击响应信号进行撞击监测，获得撞击事件参数；步骤S5：根据撞击事件参数确定损伤监测区域；步骤S6：根据探伤检测区域的范围，从光纤光栅传感器网络中选取相应的光纤光栅传感器作为损伤监测光纤光栅传感器，并制定相应的扫查策略；步骤S7：按照扫查策略，利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器向所述损伤监测区域激发兰姆波检测信号；步骤S8：利用信号发生接收器通过损伤监测光纤光栅传感器采集损伤信号；步骤S9：构建提取损伤信号的小波分析算法，并获取小波包的能量谱；步骤S10：选取BP网络学习样本，经建立损伤识别BP神经网络模型；步骤S11：基于损伤识别BP神经网络模型对复合材料结构进行损伤检测，并输出损伤结果。2.根据权利要求1所述的基于小波分析的复合材料损伤探测检测方法，其特征在于，步骤S3中所述信号采集器包括撞击响应信号调理单元和多通道信号同步采集单元，撞击响应信号调理单元与撞击监测光纤光栅传感器相连，撞击响应信号调理单元对多个撞击监测光纤光栅传感器输出的多路撞击响应信号分别进行滤波和放大；所述多通道信号同步采集单元用于对撞击响应信号调理单元输出的多路信号进行模数转化并同步采集。3.根据权利要求2所述的基于小波分析的复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红兵，戴金桥，陈勇，熊树，俞阿龙，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32