一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法技术

本发明专利技术公开一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，步骤是：在待测结构上布置一组激励/传感阵列；组建检测通道，采集所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；对响应信号进行截取再进行时间反转，得到时反结构响应信号；将时反结构响应信号再次加载到对应的激励上，并在相应的传感上采集时反聚焦结构响应信号；在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差，以此为特征参数，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况。此方法可消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种板类结构无基准主动Lamb波时间反转损伤监测的方法。
技术介绍
随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。Lamb波是在自由边界条件下，固体结构中传播的弹性导波，由于其衰减慢、传播距离远，且对结构中的微小损伤十分敏感，因此，在航空航天、高速铁路以及船舶等工程领域 受到了越来越广泛的重视。由于损伤会引起Lamb波的散射，因此根据Lamb波损伤散射信号的损伤监测与评估技术研究是当前的热点。然而，Lamb波传播存在频散及多模效应，微弱的损伤散射信号波包容易淹没在直达波、边界反射以及模式变换和噪声当中，目前大多数Lamb波损伤监测研究都采用损伤前后响应直接相减的方法来获取Lamb波损伤散射信号，而环境参数变化、人为操作误差等方面的因素，也会使得响应信号发生变化，采用上述的差信号方法就容易引入这些外部因素引起的信号偏差，造成损伤监测的误判。基于以上考虑，本专利技术人针对现有的基于Lamb波损伤散射信号的结构损伤监测方法进行研究改进，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供，其可消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化。为了达成上述目的，本专利技术所采用的技术方案是，包括下列步骤(I)在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感阵列；(2)在激励/传感阵列中选择作为激励的压电传感器设为Pi,作为传感的压电传感器设为Pj,组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号Aj，其中i，j = 1,2,3,…，i，j为正整数，且i关j ；(3)根据各通道中激励-传感组合与边界的距离关系，对响应信号fu进行截取，截去所有的边界反射信号，仅保留直达波和内部散射信号，并对截取后的信号进行时间反转，得到时反结构响应信号f’ u，其中i，j = 1,2,3,…，且i古j;(4)将时反结构响应信号f’u再次加载到对应的激励Pi上，并在相应的传感Pj上采集时反聚焦结构响应信号fFij，其中i，j = 1,2,3,…，且i古j;(5)在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号fFU中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差A tir以此为特征参数，根据Lamb波传播波速，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况，其中i，j = 1,2,3,…，且i关j。上述步骤(2)的详细步骤为(21)在结构当前状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作为激励的压电传感器Pi上，在结构中激发激励信号；(22)依次选取各压电传感器Pj作为传感，其中j=l，2，3，…，且j幸i，经电荷放大器将Pi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Pi激励下的所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号f^，其中j = 1,2,3,…，且j关i ;(23)选择另外一个压电传感器作为激励，重复步骤(21)、(22)过程，得到所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号匕，其中i, j = 1,2,3,…，且i关j。 上述步骤(21)中，所述的激励信号为窄带信号，以激发出单模式为主的Lamb波结构响应信号。上述步骤(4)的详细步骤为(41)通过函数发生器和功率放大器将步骤(3)截取时反后的时反结构响应信号r ,j加载到对应的激励Pi上，在结构中激发激励信号；(42)选取与信号f ’ u相对应的压电传感器Pj作为传感，经电荷放大器将Pi激励下的Lamb波聚焦结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到该激励/传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号fFij ；(43)选择另一组截取时反信号，重复步骤(41)、(42)过程，直至得到所有激励-传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号。上述步骤(5)的详细步骤为(51)针对当前状态下的Lamb波时反聚焦结构响应信号fFU，提取聚焦主波峰信号峰值和旁瓣信号峰值之间的时间差A tu，根据时反聚焦过程中直达波信号和损伤散射信号波包的相互关系，该时间差即为直达波信号和损伤散射信号传播时间差，因此由Lamb波信号传播速度c，计算得出散射信号传播路径rsu和直达波传播路径rDU之差，即路径距离差c X A tjj ；(52)根据时反聚焦结构响应信号fFij对应的检测通道中直达波传播路径rDij，即激励卩1与传感Pj之间的距离，以及由步骤(51)中所得的路径距离差cX A ，计算得到检测信号沿激励-损伤-传感路径的散射传播距离rsu=rDU+cX A t,j ；(53)根据激励/传感阵列中各传感器的坐标，和多个检测通道下得到的散射传播距离rsu，采用椭圆定位方法，计算得到损伤的位置和大致范围，实现对损伤的定位与监测。采用上述方案后，本专利技术在现有结构损伤监测设备条件基础上，应用时间反转对波源的聚焦原理，实现对当前状态下的Lamb波结构响应信号的聚焦重建，消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，并根据聚焦响应信号中各波包之间的出现时刻关系，提取损伤散射信号信息，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化，具有以下优点(I)本专利技术的方法直接通过当前Lamb波结构响应信号进行时间反转处理，并提取损伤散射信号信息，消除了对基准信号的依赖，可以克服环境参数变化、人为操作误差等方面的原因引起的信号偏差引起的损伤监测的误判，提高了结构损伤监测方法的准确性，有利于该项技术的实用化；(2)本专利技术方法消除了频散效应带来的影响，简化了信号，降低了特征参数提取难度；(3)本专利技术的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；(4)本专利技术实现方法简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识。附图说明 图1是本专利技术中试件结构以及传感/激励阵列的布局示意图；图2是本专利技术中窄带激励信号的波形时域图；图3是本专利技术中在图2所示窄带信号激励下典型结构Lamb波响应信号波形图；图4是本专利技术中对图3所示典型响应信号截取并时间反转后的信号；图5是本专利技术中再次在对应检测通道加载图4所示时反信号后，获得的聚焦响应信号;图6 (a)是本专利技术中根据各聚焦响应信号中得到的损伤散射信号波包与直达波传播时间差，利用椭圆定位原理，所画出的椭圆交点情况，并与真实损伤位置的对比；图6 (b)是本专利技术中通过各条检测通道路径所画椭圆的交点，得到的损伤检测结果与真实损伤对比图。具体实施例方式本专利技术提供，其基本原理是由于频散效应，Lamb波各模式信号在传播过程中，不同频率成分以不同的传播速度传播，造成信号波包的延拓和混叠，而损伤散射信号往往比较微弱，在与直达波信号、边界反射信号的混叠过程中容易湮没在这些波形中。由于具有相同的时频域特征，损伤散射信号难以直接从复杂的混叠信号中提取出来，而差信号处理方法提取损伤散射信号容易引入环境变化、人为操作误差等因素引起的信号变化，引起误判。利用时间反转处理对波源的自适应聚焦机理，将包括内部散射信号、直达波信号在内的结构响应信号进行时间反转并再次加载，可以在波源处实现对波源信号的聚焦和重建，消除Lamb波的频散效应，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于包括下列步骤：（1）在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感阵列；（2）在激励/传感阵列中选择作为激励的压电传感器设为Pi，作为传感的压电传感器设为Pj，组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号fij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；（3）根据各通道中激励?传感组合与边界的距离关系，对响应信号fij进行截取，截去所有的边界反射信号，仅保留直达波和内部散射信号，并对截取后的信号进行时间反转，得到时反结构响应信号f’ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；（4）将时反结构响应信号f’ij再次加载到对应的激励Pi上，并在相应的传感Pj上采集时反聚焦结构响应信号fFij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；（5）在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号fFij中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差△tij，以此为特征参数，根据Lamb波传播波速，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，严夏君，白利，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：