基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，包括接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；对每次接收到的信号进行处理，获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。实施本发明专利技术，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。

【技术实现步骤摘要】
基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统
本专利技术涉及复合材料结构健康监测
，尤其涉及一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统。
技术介绍
复合材料具有重量轻、强度高以及其他所需的机械性能，在工业中被广泛使用。但是，复合材料易于产生缺陷，在应用过程中可靠性降低，威胁到结构的安全性能，同时考虑到工业上应用的复合材料结构参数不一，大型复杂结构会使用材料参数不同的复合材料以实现结构的不同功能。因此，对于材料参数不同的复合材料结构，对其进行损伤监测非常重要。近些年来，对复合材料结构进行损伤监测有了很多方法，各种技术的使用促进了对结构监测技术的发展。材料参数已知的复合材料结构，可以方便运用有限元分析技术进行模拟，在实际中也可以采取多种有效的损伤监测技术，如红外成像、声发射、电涡流等，结合定位算法即可对损伤位置进行估计。但是，对于材料参数未知的复合材料结构，需要先进行材料参数获取的实验，再通过计算得到结构的材料参数之后，才能进行损伤监测。因此，有必要提出一种对材料参数未知的复合材料结构损伤在线监测方法，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法及系统，无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，所述方法包括以下步骤：S1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；S2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；S3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。其中，所述方法进一步包括：采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。其中，对各阵元进行Lamb波信号激励均是通过函数产生器调取50KHzLamb波信号函数之后，再利用放大器放大作用在相应一阵元上来实现的。其中，所述预设的导向矢量公式为其中，a(θi)为第i个扫描点的导向矢量；θi(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；且xk(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为光速，M为阵元总数；τki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。本专利技术实施例还提供了一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，包括：信号接收单元，用于接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；导向矢量阵获取单元，用于对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；损伤监测区域获取单元，用于将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。其中，还包括：损伤点位置估计单元，用于采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。其中，所述预设的导向矢量公式为其中，a(θi)为第i个扫描点的导向矢量；θi(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；且xk(k＝1，2，...，M)为第k个阵元的位置，c为光速，M为阵元总数；τki为第i个扫描点至第k个阵元的直达波时间延迟。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：本专利技术利用利用激光压电技术，获取复合材料结构内部Lamb波传播情况，以激光头在各阵元每次激励时所形成的信号来获取各扫描点对所有阵元的导向矢量阵，并根据导向矢量阵的欧氏距离计算值来表示差异性，对损伤监测区域及冲击位置进行估计，从而无需事先测算出材料结构的材料参数即可实现损伤监测及冲击位置估计。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。图1为本专利技术实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法中复合材料结构损伤监测所搭建的激光实验装置布置图；图3为本专利技术实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法中扫描点至阵元之间的直达路径无差异时间延迟示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。专利技术人发现，通过压电传感器对复合材料结构进行激励，激光以非接触监测板内Lamb波传播情况时，波传播至损伤位置处会发生散射现象。因此，可以根据激光采集的Lamb波散射信号，经过信号处理技术提取信号特征后，结合定位算法对损伤位置进行估计。故，基于上述理论，专利技术人提出了一种基于激光压电技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，所述方法包括以下步骤：/nS1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；/nS2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；/nS3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，用于未知材料参数的复合材料板上，所述复合材料板上预设有线阵压电传感器以及围绕所述线阵压电传感器四周分布的多个扫描点，所述方法包括以下步骤：
S1、接收激光头每次全局扫描所述复合材料板上所有扫描点时所形成的信号；其中，所述激光头全局扫描次数与所述线阵压电传感器中阵元总数相对应，且所述激光头每次全局扫描均是基于所述线阵压电传感器中相应一个阵元经Lamb波信号激励的情况下触发；
S2、对每次接收到的激光头全局扫描时所形成的信号进行处理，以获取各阵元分别至各扫描点的直达波时间延迟，并结合同一扫描点至各阵元的直达波时间延迟，在预设的导向矢量公式中进行计算，得到各扫描点的导向矢量阵；
S3、将各扫描点的导向矢量阵中导向矢量均以实部单位表征，使得各扫描点的导向矢量阵均为相应的一列向量，并计算各列向量之间的欧氏距离，且获取欧氏距离计算值最小的两个扫描点之间的区域，进一步将所获取的区域输出为损伤监测区域。


2.如权利要求1所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
采集待定位损伤点的阵列信号，以获取待定位损伤点至各阵元的直达波时间延迟，并在所述预设的导向矢量公式中进行计算，得到待定位损伤点的导向矢量阵，进一步将待定位损伤点的导向矢量阵与各扫描点的导向矢量阵进行对比，在所述损伤监测区域中，确定待定位损伤点距离最近的扫描点的位置为待定位损伤点的位置。


3.如权利要求1所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，对各阵元进行Lamb波信号激励均是通过函数产生器调取50KHzLamb波信号函数之后，再利用放大器放大作用在相应一阵元上来实现的。


4.如权利要求1或2所述的基于激光压电技术的复合材料结构损伤监测方法，其特征在于，所述预设的导向矢量公式为其中，
a(θi)为第i个扫描点的导向矢量；θi(i＝1，2，...，N)为第i个扫描点的方位角，该方位角表示的是与y轴的夹角，且N为扫描点总数；且xk(k＝1，2，...，M)为第k个阵元...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟永腾，朱高亮，向家伟，高尚，王志凌，张成，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33