基于虚拟激励源的结构故障定位方法技术

本发明专利技术公开了基于虚拟激励源的结构故障定位方法，属于传感定位技术领域。通过制造一个激励源使待监测的结构体振动，在结构体表面布置若干传感器采集结构体的振动参数信息；然后对采集到的振动参数信息进行预处理，提取因故障的发生而产生变化的能量参数，在此基础上研究复杂度低、精确度高的故障定位算法，该算法将故障点视为虚拟激励源，其表征信息以能量的形式在结构体内传播，依据能量传播理论，通过分析结构损伤前后采样点能量的变化，推算出故障点位置，在开车过程中实时完成对飞机机翼的健康诊断，降低人工成本，提高飞行安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟激励源的结构故障定位方法
本专利技术涉及一种结构故障定位方法，具体涉及基于虚拟激励源的结构故障定位方法。
技术介绍
航空飞行器在使用过程中在疲劳载荷的作用下难免发生损伤，在结构关键部位（如机翼）萌生裂纹，产生故障点。利用传感器网络准确实时地获取与机翼中损伤位置和程度等相关的信息，对提高和增强飞机的安全性，降低飞机维护成本具有重要意义。为了能及时定位出机翼结构中可能存在的损伤，就必须找到一些切实可行的损伤检测方法，发展一些高效简便的无损检测技术。目前研究较多的结构健康监测技术是基于Lamb波的结构损伤成像方法，早期的损伤成像算法由于信号处理手段较为复杂，而需要过多的时间进行信号分析及损伤识别，于是后来的研究者提出了一种基于损伤存在概率的快速成像方法，损伤概率成像法首先计算以某条单一路径为长轴的椭圆区域内全部点存在的损伤概率，然后通过叠加传感器网络中所有路径确定的椭圆区域来监测整个区域内全部点出现损伤的概率，并通过损伤概率最大点的位置来判断结构上的损伤位置。上述方法完全从概率的角度来确定故障点，忽略了传感器所测数据之间的必然联系，故障定位范围和精度由传感器的数量决定，需要多个激励源和传感器进行大量的数据采集，对数据采集的要求较高且定位算法效率较低。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中对结构的损伤检测方法存在的上述问题，提出了一种基于虚拟激励源的结构故障定位方法，该方法解决了传感器数量限制故障定位范围和精度的问题，用较少的传感器和激励源就可以完成故障定位。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：基于虚拟激励源的结构故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、制造一个激励源使待监测的结构体振动，在结构体表面布置若干传感器采集结构体的振动参数信息；步骤S2、将出现的故障点视作一个与原振动反相的虚拟激励源，而故障点出现所引起的故障点外部各点能量的变化，是该反相虚拟激励源与正常情况下的振动相互叠加的结果，则虚拟激励源对传感器产生的反相激励能量为：（1）；其中，为没有故障时由激励源传到传感器的能量，为故障点存在时传感器接收到的能量，为传感器的个数；步骤S3、依据能量传播理论，传感器接收的能量与其到激励源的距离成反比，由此建立虚拟激励源总能量、传感器接收到的虚拟反相激励能量、故障点和传感器之间距离这三者之间的函数关系式：，为未知常数；步骤S4、将各个传感器的位置参数及接收到的虚拟反相激励能量带入式（2）中，建立关于虚拟激励源能量和位置参数的方程组，并求解出故障点的坐标。进一步的，还包括步骤S5、采用概率成像的方式确定故障点的坐标范围。进一步的，所述的将各个传感器的位置参数及接收到的虚拟反相激励能量带入式（2）中，建立关于虚拟激励源能量和位置参数的方程组，并求解出故障点的坐标，包括如下步骤：步骤A、假设虚拟激励源能量为，坐标为，加上未知常数，总共四个未知数，只需要四个传感器信息就能解出方程组；假设这四个用于故障检测的传感器的位置信息分别为；四个传感器接收到的虚拟反相激励能量根据式（1）求出，分别为，代入公式（2），可以得到方程组：；步骤B、令：，；将式（4）代入式（3）和式（5）中消除参数得到：；化简得到：；步骤C、解方程（11）（12）的一个未知参数：；其中：；步骤D、由横坐标可以求得纵坐标，再将求出的所有参数解代入式（6）中，剔除不满足式（6）的解，得到唯一解即为故障点坐标。进一步的，所述的采用概率成像的方式确定故障点的坐标范围包括如下步骤：以单个传感器来计算，设定其对应的损伤概率最大圆上的点的损伤概率为1，结构体其他位置的损伤概率以圆环形式向内向外减小；根据传感器的位置参数和所对应的损伤概率最大圆半径估算结构体上任意一点发生损伤的概率为：；表示该点远离最大概率圆的程度，设传感器的坐标为，则：；叠加传感器网络中四个传感器的计算结果得到结构体上任意一点发生损伤的综合概率：；判定损伤概率最大的坐标点位置为：。综上所述，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术所述的故障定位方法，将故障点视为虚拟激励源，其表征信息以能量的形式在结构体内传播，依据能量传播理论，通过分析结构损伤前后采样点能量的变化，推算出故障点位置，在开车过程中实时完成对飞机机翼的健康诊断，降低人工成本，提高飞行安全性；2、本专利技术提出的算法充分利用了振动信号中包含的能量信息，只需要一个激励源和四个传感器即可实现故障点定位，无须布置大面积传感器网络，而且本算法复杂度低，计算速度快，采用本方法对复杂结构体进行结构健康诊断时，具备较大的成本优势和实际应用价值。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1本专利技术提供了一种基于虚拟激励源的结构故障定位方法，可应用于任意结构性故障点的检测。实施时，需制造一个激励源使待监测的结构体振动，在结构体表面布置传感器采集结构体的振动参数信息。本实施例以飞机开车时，发动机振动作为激励源为例，利用便携式可吸附在机翼表面的传感器采集系统采集开车时飞机机翼振动参数信息，所述的传感器采集系统由若干传感器组成。对传感器采集到的振动参数信息进行预处理，提取其中因故障的发生而产生变化的能量参数，在此基础上研究复杂度低、精确度高的故障定位算法，该故障定位算法将故障点视为虚拟激励源，其表征信息以能量的形式在结构体内传播，依据能量传播理论，通过分析结构损伤前后采样点能量的变化，推算出故障点位置，在开车过程中实时完成对飞机机翼的健康诊断，降低人工成本，提高飞行安全性。该故障定位方法包括如下步骤：步骤1、将结构体上出现的故障点视作一个与原振动反相的虚拟激励源，而故障点出现所引起的故障点外部各点能量的变化，是反相虚拟激励源与正常情况下的振动相互叠加的结果，那么虚拟激励源对传感器产生的反相激励能量为：（2-1）；其中，为没有故障时由激励源传到传感器的能量，为故障点存在时传感器接收到的能量，为传感器的个数。步骤2、根据能量守恒定律，在厚度为的匀质介质中，以激励源为中心，传播到半径为的纵切圆柱侧表面的能量与传播到半径为的纵切圆柱侧表面上能量相等，即：；其中，和分别为两个圆柱侧表面能量密度。步骤3、由式（2-2）可知传感器接收的能量与其到激励源的距离成反比，那么虚拟激励源总能量、传感器接收到的虚拟反相激励能量、故障点和传感器之间距离这三者之间的函数关系式为：（2-3），为未知常数；式（2-3）可以理解为故障点存在于以传感器为中心，为半径的圆上，该圆我们称之为损伤概率最大圆。三个圆环可以相交于一点，那么理论上通过三个传感器的损伤概率最大圆就能确定出故障点位置。在本申请中，传感器布置应稍微远离激励源，让待监测点处于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟激励源的结构故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1、制造一个激励源使待监测的结构体振动，在结构体表面布置若干传感器采集结构体的振动参数信息；/n步骤S2、将结构体上出现的故障点视作一个与原振动反相的虚拟激励源，而故障点出现所引起的故障点外部各点能量的变化，是该反相虚拟激励源与正常情况下的振动相互叠加的结果，则虚拟激励源对传感器

【技术特征摘要】
1.基于虚拟激励源的结构故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、制造一个激励源使待监测的结构体振动，在结构体表面布置若干传感器采集结构体的振动参数信息；
步骤S2、将结构体上出现的故障点视作一个与原振动反相的虚拟激励源，而故障点出现所引起的故障点外部各点能量的变化，是该反相虚拟激励源与正常情况下的振动相互叠加的结果，则虚拟激励源对传感器产生的反相激励能量为：

（1）
其中，为没有故障时由激励源传到传感器的能量，为故障点存在时传感器接收到的能量，为传感器的个数；
步骤S3、依据能量传播理论，传感器接收的能量与其到激励源的距离成反比，由此建立虚拟激励源总能量、传感器接收到的虚拟反相激励能量、故障点和传感器之间距离这三者之间的函数关系式：

，为未知常数；
步骤S4、将各个传感器的位置参数及接收到的虚拟反相激励能量带入式（2）中，建立关于虚拟激励源能量和位置参数的方程组，并求解出故障点的坐标。


2.根据权利要求1所述的基于虚拟激励源的结构故障定位方法，其特征在于，还包括步骤S5、采用概率成像的方式确定故障点的坐标范围。


3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟激励源的结构故障定位方法，其特征在于，所述的将各个传感器的位置参数及接收到的虚拟反相激励能量带入式（2）中，建立关于虚拟激励源能量和位置参数的方程组，并求解出故障点的坐标，包括如下步骤：
步骤A、假设虚拟激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘扬，张新月，李彦志，李成荣，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51