專利名稱：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如用于結(jié)構(gòu)例如飛機(jī)結(jié)構(gòu)的無(wú)損評(píng)估的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)吸引了越來(lái)越多的興趣。其提供了評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)損方法。例如，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在航天工業(yè)中的使用變得更廣泛。這是因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)提供了評(píng)估飛機(jī)(或者其某些部件)的健康的無(wú)創(chuàng)方法，其通常比執(zhí)行傳統(tǒng)方法更快且成本更低。此外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合可以允許保養(yǎng)檢查之間的更長(zhǎng)間隔，并且可以允許延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)與金屬(例如鋁和鋁合金)和復(fù)合結(jié)構(gòu)一起使用。包含監(jiān)測(cè)彈性波穿過(guò)結(jié)構(gòu)的傳播的換能器(如壓電換能器)陣列的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是已知的。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常處(anomaly)反射該彈性波，并且這些反射被換能器探測(cè)至IJ。例如，樹(shù)脂纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層以及復(fù)合結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)兩者中的裂痕引起可以探測(cè)的反射。除了僅識(shí)別一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處的存在，還可以確定異常處的位置。例如，使用分布式換能器陣列是已知的。反射波到達(dá)換能器的時(shí)間差被轉(zhuǎn)換為距每個(gè)換能器的等價(jià)距離，由此可以使用三角測(cè)量法確定該異常處的位置。然而，由于必須提供并定位大量的分布式傳感器，所以這些系統(tǒng)昂貴并且安裝費(fèi)時(shí)。此外，大量傳感器導(dǎo)致飛機(jī)的超重處罰，并且也影響該結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如其慣量分布和硬度。分布式換能器陣列的替換選擇是使用相控?fù)Q能器陣列。在這種陣列中，換能器被定位成彼此接近。如在這些作為相控陣列天線的應(yīng)用中更好理解的，使用相位在換能器之間變化的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)換能器，由此影響波束控制。換能器收聽(tīng)反射信號(hào)，并且通過(guò)使用該反射的測(cè)量渡越時(shí)間(time of flight)和已知的傳播方向來(lái)確定一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處的位置。然而，這些相控陣列系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)。依靠相控陣列的波束控制技術(shù)需要復(fù)雜的信號(hào)處理以提取方向信息。另外，這類系統(tǒng)受困于至陣列側(cè)面例如柵瓣(grating lobe)的信號(hào)泄漏以及不同于期望轉(zhuǎn)向角的角度處的強(qiáng)的二次信號(hào)。同時(shí)，波束形成和控制中的要求精度對(duì)換能器規(guī)格和安裝有嚴(yán)格要求。因此，分布式換能器陣列和相控?fù)Q能器陣列的建立技術(shù)受困于復(fù)雜性和嚴(yán)格的制造及設(shè)計(jì)要求，這顯著增加了制造和整合到結(jié)構(gòu)內(nèi)的開(kāi)支。數(shù)據(jù)生成和處理的復(fù)雜性進(jìn)一步增加了成本。因此，存在對(duì)復(fù)雜性減少、成本降低且較易安裝的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求
發(fā)明內(nèi)容
在這一背景下并且從第一方面，本發(fā)明提供一種使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法。該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的一個(gè)或更多個(gè)或者一組或者至少三個(gè)接收器，以及也可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器。該方法包含操作發(fā)射器以激勵(lì)傳播穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的彈性波。彈性波可以由至少三個(gè)或者一組三個(gè)接收器中的一個(gè)元件、其任何一個(gè)或其組合或者由單獨(dú)的發(fā)射器產(chǎn)生。如果是單獨(dú)的發(fā)射器，該發(fā)射器可以位于該組三個(gè)接收器附近。該方法進(jìn)一步包含從至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)，以便監(jiān)測(cè)彈性波從該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的任何異常處的反射。分析該監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處。因此，本發(fā)明提供了用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了無(wú)損方法，并且可以應(yīng)用于各種形式的結(jié)構(gòu)，例如可以是金屬或者復(fù)合物的航天結(jié)構(gòu)。采用一種有源系統(tǒng)，其使用發(fā)射器來(lái)產(chǎn)生彈性波，然后使用接收器探測(cè)彈性波的反射。
一個(gè)或更多個(gè)接收器、至少三個(gè)接收器或者少到三個(gè)接收器的簡(jiǎn)單陣列被用于識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常處。因此，當(dāng)與已知的分布式換能器陣列和相控?fù)Q能器陣列相比時(shí)，需要更少的換能器。與相控陣列所需要的復(fù)雜得多的計(jì)算相比，可以通過(guò)求解一組簡(jiǎn)單的線性方程來(lái)識(shí)別并得到異常處的位置。一個(gè)或更多個(gè)接收器陣列可以與渡越時(shí)間方法一起使用來(lái)定位異常處，或者兩個(gè)或更多個(gè)接收器陣列可以被用于定位異常處，其中每個(gè)陣列被用于確定異常處的方向。發(fā)射器和接收器可以從許多適合的選擇中選定。例如，發(fā)射器可以是僅能夠發(fā)射彈性波到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單裝置。接收換能器可以僅能夠探測(cè)在結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的彈性波。然而，用作發(fā)射器和接收器的換能器優(yōu)選能夠用于激勵(lì)并探測(cè)在結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的彈性波。為此，壓電換能器是特別優(yōu)選的，例如大型纖維復(fù)合材料壓電換能器。發(fā)射器和接收器可以以任何適合的方式例如通過(guò)下面具體描述中所述的方法連接到結(jié)構(gòu)?？蛇x地，分析監(jiān)控信號(hào)包含執(zhí)行如下差分操作。針對(duì)每個(gè)接收器，從由該接收器收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去參考信號(hào)。在差分操作之前，可以對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。例如，可以對(duì)監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪、信號(hào)平均、溫度補(bǔ)償和小波分解。每個(gè)接收器的參考信號(hào)可以在其處于已知條件的時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)從該結(jié)構(gòu)收集，例如在操作服務(wù)之前和在制造并組裝之后的一段時(shí)間或者在結(jié)構(gòu)的使用壽命期間。差分操作可以是任何適合的操作，例如從監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去參考信號(hào)或者反之亦然，或者監(jiān)測(cè)信號(hào)除以參考信號(hào)或者反之亦然。然后，所得到的差分信號(hào)被用于識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處，因?yàn)殡S后從信號(hào)的噪聲中識(shí)別反射事件變得更容易。閾值處理技術(shù)可以被用于識(shí)別反射事件，例如通過(guò)尋找在閾值水平以上的峰值。分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處可以包含計(jì)算在差分信號(hào)中找到的反射的渡越時(shí)間。信號(hào)被三個(gè)接收器收集所用的時(shí)間可以被引用為彈性波的傳輸時(shí)間?？梢愿鶕?jù)如此得到的渡越時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的距離?？梢愿鶕?jù)所計(jì)算的距離確定并識(shí)別一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處的位置。例如，可以根據(jù)所計(jì)算的距離以及發(fā)射器和接收器的已知和預(yù)定位置來(lái)確定和求解該位置。如果使用三個(gè)或更多個(gè)接收器，將導(dǎo)致超定系統(tǒng)(overdetermined system)可以通過(guò)使用最小二乘法被選擇性地求解以得到位置。從另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種使用包含一對(duì)陣列的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法。第一陣列包含可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)接收器和可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器。第二陣列包含可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)接收器和可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器。第一和第二陣列被間隔開(kāi)。該方法包含使用第一陣列的發(fā)射器傳播彈性波穿過(guò)結(jié)構(gòu)，以及從第一陣列的至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)彈性波從結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少一個(gè)異常處的反射。該方法進(jìn)一步包含使用第二陣列的發(fā)射器傳播彈性波穿過(guò)結(jié)構(gòu)，以及從第二陣列的至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)彈性波從結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少一個(gè)異常處的反射。分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別至少一個(gè)異常處，并且確定從各自第一和第二陣列到至少一個(gè)異常處的方向?？蛇x地，該方法包含使用從第一和第二陣列中的每個(gè)陣列到異常處的方向并結(jié)合陣列在結(jié)構(gòu)上的已知位置來(lái)確定異常處在結(jié)構(gòu)中的位置。
第二陣列可以與第一陣列相似，如上面關(guān)于本發(fā)明第一個(gè)提到的方面所述，并且如由上述任何一個(gè)可選布置修改。例如，彈性波可以由至少三個(gè)或者一組三個(gè)接收器中的一個(gè)元件、其任何一個(gè)或其組合或者由單獨(dú)的發(fā)射器產(chǎn)生。如果是單獨(dú)的發(fā)射器，該發(fā)射器可以位于該組三個(gè)接收器附近。同時(shí)，發(fā)射器和接收器可以是能夠用于激勵(lì)并探測(cè)在結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的彈性波的換能器。壓電換能器是特別優(yōu)選的，例如大型纖維復(fù)合材料壓電換能器。可選地，在第一和第二陣列的每個(gè)陣列中，每個(gè)接收器是具有縱軸和橫軸的壓電換能器。接收器被布置成使得任何兩個(gè)接收器都不具有對(duì)準(zhǔn)的縱軸。對(duì)于每個(gè)接收器，可以分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以確定縱向和橫向的應(yīng)變分量，這些應(yīng)變分量用于結(jié)合每個(gè)陣列內(nèi)的接收器的已知方向來(lái)確定異常處的方向。從另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包含一個(gè)或更多個(gè)發(fā)射器陣列和一個(gè)或更多個(gè)或一組或至少三個(gè)接收器以及控制器，所述發(fā)射器被布置成激勵(lì)彈性波通過(guò)結(jié)構(gòu)，所述接收器被布置成收集包括彈性波從結(jié)構(gòu)中的異常處的反射的監(jiān)測(cè)信號(hào)，所述控制器被配置為執(zhí)行上述任何方法。從再一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包含一個(gè)或更多個(gè)或一組或至少三個(gè)接收器，其可操作地接觸該結(jié)構(gòu)；發(fā)射器；其中該發(fā)射器被配置為激勵(lì)彈性波傳播通過(guò)該結(jié)構(gòu)；以及處理器，其可操作地耦合到接收器以收集并處理從至少三個(gè)接收器中的每一個(gè)收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)。該處理器被配置為分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處?？蛇x地，換能器提供至少三個(gè)接收器的一個(gè)和發(fā)射器。該發(fā)射器可以位于至少三個(gè)接收器附近。至少三個(gè)接收器可以是換能器，可選地為壓電換能器如大型纖維復(fù)合材料壓電換能器?？蛇x地，該處理器被配置為通過(guò)執(zhí)行差分操作來(lái)分析監(jiān)測(cè)信號(hào)，由此對(duì)于至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器，從由該接收器收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去保存在存儲(chǔ)器中的參考信號(hào)，并且其中所得到的差分信號(hào)被用于識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少一個(gè)異常處。該處理器可以被配置為分析監(jiān)測(cè)信號(hào)并且通過(guò)計(jì)算反射的渡越時(shí)間來(lái)識(shí)別至少一個(gè)異常處。該處理器可以被配置為分析監(jiān)測(cè)信號(hào)并且根據(jù)所計(jì)算的渡越時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的距離，并且根據(jù)所計(jì)算的距離確定至少一個(gè)異常處的位置。該處理器可以被配置為通過(guò)使用發(fā)射器和至少三個(gè)接收器的已知位置根據(jù)所計(jì)算的距離求解位置來(lái)確定至少一個(gè)異常處的位置。從另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包含第一和第二陣列。第一陣列包括可操作地接觸該結(jié)構(gòu)的至少三個(gè)接收器和可操作地接觸該結(jié)構(gòu)的發(fā)射器。第二陣列包括可操作地接觸該結(jié)構(gòu)的至少三個(gè)接收器和可操作地接觸該結(jié)構(gòu)的發(fā)射器。第二陣列與第一陣列間隔開(kāi)。第一陣列的發(fā)射器被配置為激勵(lì)彈性波傳播通過(guò)該結(jié)構(gòu)，并且處理器可操作地耦合到第一陣列的接收器以從至少三個(gè)接收器中的每一個(gè)收集監(jiān)測(cè)信號(hào)。第二陣列的發(fā)射器被配置為激勵(lì)彈性波傳播通過(guò)該結(jié)構(gòu)，并且處理器可操作地耦合到第二陣列的接收器以從至少三個(gè)接收器中的每一個(gè)收集監(jiān)測(cè)信號(hào)。該處理器被配置為分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少一個(gè)異常處，并且確定從各自第一和第二陣列到至少一個(gè)異常處的方向?？蛇x地，該處理器被配置為使用從每個(gè)第一和第二陣列到異常處的方向并結(jié)合陣列在結(jié)構(gòu)上的已知位置來(lái)確定結(jié)構(gòu)中的異常處的位置。 可選地，換能器可以在第一和第二陣列中的任何一個(gè)或兩者中提供至少三個(gè)接收器的一個(gè)和發(fā)射器。發(fā)射器在第一和第二陣列中的任何一個(gè)或兩者中可以位于至少三個(gè)接收器附近。可選地，該處理器被配置通過(guò)執(zhí)行差分操作來(lái)分析監(jiān)測(cè)信號(hào)，由此對(duì)于每個(gè)接收器，從由該接收器收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去參考信號(hào)，并且其中所得到的差分信號(hào)被用于識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少一個(gè)異常處。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以被配置為可選地在認(rèn)為結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備好操作使用之后為每個(gè)接收器從結(jié)構(gòu)收集參考信號(hào)。可選地，在第一和第二陣列的每個(gè)陣列中，每個(gè)接收器是具有縱軸和橫軸的壓電換能器，并且其中接收器被布置為使得任何兩個(gè)接收器都不具有對(duì)準(zhǔn)的縱軸。對(duì)于每個(gè)接收器，處理器可以被配置為分析監(jiān)測(cè)信號(hào)以確定縱向和橫向的應(yīng)變分量，并且使用這些應(yīng)變分量并結(jié)合每個(gè)陣列內(nèi)的接收器的已知取向來(lái)確定異常處的方向。這種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的其他優(yōu)選但可選的特征在權(quán)利要求中陳述?？梢匀缜懊骊P(guān)于本發(fā)明的方法方面所述，實(shí)現(xiàn)這些特征的變化。
為了可以更容易理解本發(fā)明，現(xiàn)在將只以示例的方式參考下列附圖描述優(yōu)選實(shí)施例，其中圖I是安裝在結(jié)構(gòu)上的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖；圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法；圖3是具有兩個(gè)換能器陣列的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4A到4D示出換能器陣列的四個(gè)示例性布置，其包括如圖3所示的陣列；圖5示意性示出安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法及其隨后在評(píng)估其附連的結(jié)構(gòu)的健康的用途；圖6示意性示出采集參考信號(hào)的方法；圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法；圖8示意性示出根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的第一方法；
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例由結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)的換能器產(chǎn)生的差分信號(hào)的圖表；圖10是示出用于圖9所示的信號(hào)的渡越時(shí)間校正的圖表；圖11是示出波動(dòng)從結(jié)構(gòu)的異常處到三個(gè)換能器陣列所行進(jìn)的距離的示意圖；和圖12示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的第二方法；圖13是兩個(gè)換能器陣列和結(jié)構(gòu)中的異常處的示意圖；圖14更詳細(xì)地示出圖13的一個(gè)換能器；圖15示出裝有根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的飛機(jī)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可能位置。
具體實(shí)施例方式圖I示出結(jié)構(gòu)10，在該示例中是用于飛機(jī)機(jī)身的樹(shù)脂纖維復(fù)合材料蒙皮壁板。結(jié)構(gòu)10裝備有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100包含固定在結(jié)構(gòu)10上的一個(gè)或更多個(gè)換能器陣列105。在該示例中，換能器105固定在結(jié)構(gòu)10的內(nèi)表面上，盡管換能器105可以固定在外表面上或者可以被提供在結(jié)構(gòu)10本身的內(nèi)部。圖I所示的換能器陣列105經(jīng)由數(shù)據(jù)連接130連接到處理器120。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)連接140允許數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)送到其他連接的裝置。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)10的損傷如可能由物體擊打結(jié)構(gòu)10所引起的復(fù)合結(jié)構(gòu)10內(nèi)的分層區(qū)域。損傷的地點(diǎn)在圖I中用20指示?？梢愿鶕?jù)圖2所示的方法使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100。在步驟210處，操作來(lái)自陣列105的換能器110以激勵(lì)通過(guò)結(jié)構(gòu)10傳播的彈性波(如圖I中30所示)。當(dāng)彈性波碰到分層區(qū)段20時(shí)，一部分彈性波(如圖I中40所示)將被反射。在步驟220處，換能器110的陣列105用于收集所感測(cè)的彈性波的信號(hào)。這些信號(hào)將包括來(lái)自被損傷地點(diǎn)20所反射的彈性波的貢獻(xiàn)。換能器110的陣列105可以用于在對(duì)應(yīng)于彈性波傳播到結(jié)構(gòu)10的最遠(yuǎn)邊緣并返回所花費(fèi)的時(shí)間(或稍微更長(zhǎng)的時(shí)間)的時(shí)間窗口收集信號(hào)，以確保捕獲所有反射事件。在步驟230處，分析信號(hào)并且將指示結(jié)構(gòu)10內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處20的任何反射事件識(shí)別為對(duì)結(jié)構(gòu)10的潛在損傷20的指示。在步驟240處，報(bào)告所發(fā)現(xiàn)的異常處20。該報(bào)告可以是視覺(jué)的(例如作為監(jiān)測(cè)器上的顯示等)或者它可以對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以用于稍后檢索和檢查(例如保存提供所發(fā)現(xiàn)的異常處20的細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)文件)。如在250處所示，該方法可以重復(fù)，以便結(jié)構(gòu)10被結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100周期性地或者不斷地監(jiān)測(cè)。圖2中的方法所重復(fù)的頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的處理器120可以采取許多形式，只要其能夠執(zhí)行由換能器110所提供的信號(hào)的必要分析即可。處理器120優(yōu)選能夠發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)到換能器105，該換能器105在結(jié)構(gòu)10中激勵(lì)彈性波。適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)是用于處理器120的良好選擇。如圖I所示，處理器120可以位于接近換能器110的陣列105，或者其可以位于遠(yuǎn)離換能器110的陣列105。來(lái)自換能器110的信號(hào)可以由適當(dāng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)鏈路130轉(zhuǎn)送到處理器120。數(shù)據(jù)鏈路130可以是有線鏈路，或者其可以是無(wú)線的。此外，它可以是專用鏈路或者可以是共享鏈路，例如共享數(shù)據(jù)總線或其他網(wǎng)絡(luò)的一部分?？蛇x地，處理器120可以具有進(jìn)一步的數(shù)據(jù)鏈路140以允許連接到另一裝置，例如另一計(jì)算機(jī)或顯示器。數(shù)據(jù)鏈路140可以是有線的或無(wú)線的，專用的或共享的。陣列105內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)且優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)換能器110的不同布置是可能的。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用四個(gè)換能器110的陣列105，其中一個(gè)是發(fā)射換能器110T，并且三個(gè)是接收換能器110R。不論作為發(fā)射換能器IlOT或作為接收換能器110R，當(dāng)前優(yōu)選使用大型纖維復(fù)合材料壓電換能器，例如可從美國(guó)的SmartMaterial公司(1990 Main Street,Suite 750, Sarasota, Florida 34236, USA)購(gòu)得的換能器。此類換能器能夠發(fā)射并探測(cè)彈性波。換能器110被布置在結(jié)構(gòu)10上，并且能夠根據(jù)其附連的位置進(jìn)行改裝。圖3示出結(jié)構(gòu)10的第二示例，這次是用于飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮壁板。該結(jié)構(gòu)10被顯不為具有換能器110的兩種陣列布置105。第一陣列布置105A被顯不為包含靠近結(jié)構(gòu)10 的角落放置的換能器110。第二陣列布置105C被顯示為包含在結(jié)構(gòu)10中心放置的換能器110。圖4A-D示出換能器IlOR和IlOT的四種示例性陣列布置105A-D。圖4A和圖4B的布置105A和105B更適合于結(jié)構(gòu)10上的角落位置，而布置105C和10 更適合于中心位置。圖4A-D示出具有矩形橫截面的接收換能器110R。矩形橫截面對(duì)應(yīng)于接收換能器IlOR的縱軸和橫軸。在圖4A-D所示的全部四種布置中，接收換能器IlOR使其縱軸在不同方向延伸，以便任何兩個(gè)換能器IlOR都不是平行對(duì)準(zhǔn)。然而，在其他預(yù)期的實(shí)施例中，兩個(gè)或更多個(gè)接收換能器IIOR可以平行延伸。圖4A示出包括三個(gè)接收換能器IlOR和一個(gè)發(fā)射換能器IlOT的陣列105A。接收換能器IlOR被布置為使得任何兩個(gè)接收換能器IlOR都不是平行的。第一對(duì)接收換能器IlOR1和IlOR2被布置成彼此成直角，第三個(gè)接收換能器IlOR3平分該直角。如圖3所示，接收換能器IlOR可以被定位成使得形成直角的兩個(gè)接收換能器IlOR1和IlOR2大致在形成角落的結(jié)構(gòu)10的邊緣的方向延伸，并且第三接收換能器IIOR3指向結(jié)構(gòu)10的中心。發(fā)射換能器IlOT被定位在接收換能器IlOR的三個(gè)末端相遇的地方附近。圖4B示出布置105B，其類似于圖4A的布置。三個(gè)接收換能器IlOR具有相同的取向，但是發(fā)射換能器IlOT移到靠近平分換能器IlOR3的另一端。也就是說(shuō)，發(fā)射換能器IlOT鄰近平分另兩個(gè)接收換能器IlOR1和IlOR2之間的直角的接收換能器110R3的末端，即遠(yuǎn)離另兩個(gè)接收換能器IlOR1和IlOR2的末端。圖4C示出四個(gè)換能器110的緊湊布置105C。三個(gè)接收換能器IIOR被設(shè)置成彼此成60°，從而形成圍繞在中心位置的發(fā)射換能器IlOT的等邊三角形。圖4D示出進(jìn)一步的布置100D，其中中心的發(fā)射換能器IlOT被定位在三個(gè)接收換能器IlOR之間，這些接收換能器向外呈放射狀，并且布置成彼此之間成120°的角度。應(yīng)該理解的是，在任何單獨(dú)布置105A-D中，任何兩個(gè)接收換能器IlOR都不是彼此平行對(duì)準(zhǔn)。圖5示出根據(jù)本發(fā)明安裝并操作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100的方法。在510處，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100被安裝在結(jié)構(gòu)10中或結(jié)構(gòu)10上。這可以在制造結(jié)構(gòu)10期間實(shí)行。例如，如果安裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，換能器110和相關(guān)連接可以在制造復(fù)合結(jié)構(gòu)10時(shí)用纖維織物貯存并且被固化在樹(shù)脂基體內(nèi)，以便成為結(jié)構(gòu)10的整體部分。然后配線可以連接到很可能在外部提供的處理器120?？商鎿Q地，一個(gè)或更多個(gè)且優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)換能器110可以以許多不同方式附著到結(jié)構(gòu)10。換能器110可以被表面鍵合到結(jié)構(gòu)10、使用粘合劑附著、使用例如螺絲或鉚釘?shù)葯C(jī)械緊固件緊固到結(jié)構(gòu)10或者以提供牢固持久附著的任何其他方式附連到結(jié)構(gòu)10。換能器110可以位于結(jié)構(gòu)10中提供的凹口內(nèi)，例如在結(jié)構(gòu)10的邊緣或者表面上。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100可以被翻新為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)10，例如已經(jīng)使用的飛機(jī)的部件。換能器110可以簡(jiǎn)單地緊固到結(jié)構(gòu)10的表面(可為內(nèi)表面或外表面)，或者該結(jié)構(gòu)可以被改進(jìn)為更好地容納換能器110。例如，如果在外部安裝，凹口可以形成在結(jié)構(gòu)10的外表面中以允許安裝換能器110并且修復(fù)結(jié)構(gòu)10的齊平表面。在內(nèi)部安置換能器105具有以下優(yōu)點(diǎn)，即保護(hù)換能器105不受例如UV輻射和冰凍等環(huán)境因素影響，并且也不影響飛機(jī)50的空氣動(dòng)力學(xué)特性。然而，在內(nèi)部安置換能器105可能引起接近/存取(access)問(wèn)題，其使得將換能器105緊固到外表面更優(yōu)選。此外，一些結(jié)構(gòu)10可能不具有內(nèi)表面和外表面，例如橫梁。 返回圖5的方法，在510處已經(jīng)安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100之后，如下面參考圖6更詳細(xì)描述，在520處收集參考信號(hào)。實(shí)質(zhì)上，該方法類似于一旦使用結(jié)構(gòu)10就收集信號(hào)，即發(fā)射換能器IlOT發(fā)射彈性信號(hào)通過(guò)該結(jié)構(gòu)，并且接收換能器IlOR記錄其接收的信號(hào)。優(yōu)選地，一旦結(jié)構(gòu)10安裝成其最終構(gòu)形(例如，一旦機(jī)身壁板連結(jié)到完整的飛機(jī)機(jī)身)就收
集參考信號(hào)。在結(jié)構(gòu)10處于其原始未損壞狀態(tài)時(shí)從每個(gè)接收換能器IIOR收集參考信號(hào)。盡管不存在異常處，由于彈性波被結(jié)構(gòu)10內(nèi)部的預(yù)定器件(例如邊緣、鉚釘、緊固件和加強(qiáng)件的接合點(diǎn)或其他支撐結(jié)構(gòu))反射，參考信號(hào)將含有反射事件。由處理器120保存參考信號(hào)以便稍后在結(jié)構(gòu)10進(jìn)行操作期間使用。針對(duì)每個(gè)傳感器或換能器IlOR的參考信號(hào)可以在原始結(jié)構(gòu)處于已知條件下的時(shí)間點(diǎn)(例如在制造和組裝之后并且在操作服務(wù)之前的一段時(shí)間)已經(jīng)從這種結(jié)構(gòu)收集。同樣優(yōu)選的是可以在結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作使用和定期維修(例如在周期性結(jié)構(gòu)檢查與維修期間)以及在其他適當(dāng)時(shí)間獲得隨后的新的和/或替換的參考信號(hào)。以這種方式，無(wú)論是制造之后或是之后結(jié)構(gòu)被認(rèn)為準(zhǔn)備好工作使用的任何其他時(shí)間或場(chǎng)合，都可以監(jiān)測(cè)這些結(jié)構(gòu)從標(biāo)稱操作條件的變化。如步驟530和回路540所示，結(jié)構(gòu)10投入使用過(guò)程，并且周期性地由結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100監(jiān)測(cè)。如前面參考圖2所述，發(fā)射換能器IlOT被用于激勵(lì)傳播通過(guò)結(jié)構(gòu)10的彈性波，并且接收換能器IlOR收集包括彈性波的反射的監(jiān)測(cè)信號(hào)。為了識(shí)別結(jié)構(gòu)10內(nèi)部的異常處，從監(jiān)控信號(hào)中減去適當(dāng)換能器IlOR的參考信號(hào)，從而去掉(或者至少最小化)來(lái)自預(yù)定器件的貢獻(xiàn)，并因此使得來(lái)自結(jié)構(gòu)10內(nèi)部的任何異常處20的反射更明顯?，F(xiàn)在將描述并在圖6中示出收集參考信號(hào)的方法。在610處，處理器120被用于通過(guò)提供使發(fā)射換能器IlOT振蕩的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器110T。這些振蕩被傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)10，從而傳播通過(guò)結(jié)構(gòu)10。如在620處所示，在激勵(lì)彈性波之后的特定時(shí)間段內(nèi)，處理器120也命令收集由接收換能器IlOR產(chǎn)生的信號(hào)。如在630處所示，回到接收換能器IlOR的反射波的傳播使得接收換能器IlOR振蕩并產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩電信號(hào)，該振蕩電信號(hào)被處理器120獲得并保存。優(yōu)選地，通過(guò)重復(fù)步驟610和620來(lái)改進(jìn)參考信號(hào)中的信噪比，以便每次漸增地激勵(lì)一系列彈性波并且得到參考信號(hào)，從而增加統(tǒng)計(jì)量?？梢砸圆煌绞綀?zhí)行根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100。現(xiàn)在將描述兩個(gè)當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例。第一實(shí)施例采用渡越時(shí)間(time-of-flight)方法來(lái)使用換能器110的單個(gè)陣列105定位一個(gè)異常處20或多于一個(gè)異常處20的位置。第二實(shí)施例采用換能器110的兩個(gè)或更多個(gè)陣列105。換能器110的每個(gè)陣列105被用于確定到一個(gè)異常處20的方向或者到多于一個(gè)異常處20的方向。由兩個(gè)或更多個(gè)陣列105所提供的方向被用于通過(guò)三角測(cè)量法確定一個(gè)異常處20或者多于一個(gè)異常處20的位置。圖7更詳細(xì)地示出使用渡越時(shí)間確定法操作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100的第一種方法。在710處，處理器120激勵(lì)發(fā)射換能器，并且發(fā)射彈性波通過(guò)結(jié)構(gòu)10。然后，在720處，處理器120通過(guò)收集并保存由一個(gè)或更多個(gè)接收換能器IlOR產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)信號(hào)開(kāi)始監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集。如上面參考圖6所述，可以通過(guò)重復(fù)步驟710和720來(lái)改進(jìn)信噪比，從而在兩個(gè)或更多個(gè)彈性波的傳播期間積累監(jiān)測(cè)信號(hào)。 在730處，由每個(gè)接收換能器IlOR產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)信號(hào)具有針對(duì)該換能器IlOR的關(guān)聯(lián)參考信號(hào)，該關(guān)聯(lián)參考信號(hào)被減去以產(chǎn)生差分信號(hào)。在740處，處理器120分析其產(chǎn)生的差分信號(hào)以識(shí)別差分信號(hào)內(nèi)的反射事件。然后，該方法針對(duì)所識(shí)別的每個(gè)反射事件繼續(xù)如下進(jìn)行。如果沒(méi)有探測(cè)到反射事件，則該方法能夠經(jīng)由路徑745和790循環(huán)返回到開(kāi)始處710。當(dāng)探測(cè)到反射事件時(shí)，該方法繼續(xù)通過(guò)步驟750、760和770，并且經(jīng)由回路775為每個(gè)反射事件重復(fù)。在步驟750處，確定每個(gè)差分信號(hào)中的反射事件的渡越時(shí)間。例如，處理器120具有關(guān)聯(lián)時(shí)鐘，參考該時(shí)鐘在710處發(fā)射彈性波并且在720處記錄監(jiān)測(cè)信號(hào)。這允許確定在發(fā)射和探測(cè)到反射事件之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間。在步驟760處，處理器120將步驟750中得到的每個(gè)渡越時(shí)間換算成從相關(guān)換能器110起的等價(jià)距離，然后使用三角測(cè)量法確定引起反射事件的異常處的位置。在步驟770處，處理器120進(jìn)行核查以確定是否需要處理其他反射事件。如果是，則該方法經(jīng)由路徑775循環(huán)返回；或者，如果不是，則該方法繼續(xù)到步驟780，在此處理器120產(chǎn)生所識(shí)別和定位的異常處的報(bào)告。這個(gè)報(bào)告可以用于直接顯示，或者可以對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的積累、在數(shù)據(jù)文件中等，用于以后檢查。例如，處理器120可以更新數(shù)據(jù)文件以增加在該方法的最后迭代中得到的新發(fā)現(xiàn)的異常處。一旦報(bào)告步驟780完成，該方法就沿著路徑790循環(huán)返回到步驟710。應(yīng)當(dāng)理解，圖7的方法(和下面將描述的圖8的方法)依賴于換能器110的單個(gè)陣列105。異常處20的位置是通過(guò)來(lái)自陣列105的換能器110的結(jié)果的三角測(cè)量而得到的。如果在結(jié)構(gòu)10上提供換能器110的多于一個(gè)陣列105，則每個(gè)陣列105都將確定異常處20的位置。為異常處20所確定的位置30可以被組合以提供異常處20的單個(gè)位置。當(dāng)陣列105是分布式時(shí)，以這種方式組合位置將增加準(zhǔn)確度。圖8示出與圖7類似的操作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100的方法，盡管更詳細(xì)地描述并且也包括一些額外步驟。步驟810和820很大程度上對(duì)應(yīng)于圖7的步驟710和720。因此，在810處發(fā)射彈性波并且在820處獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)。然而，在步驟815處引入暫停，以便發(fā)射彈性波和獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)之間存在短暫延遲。這確保了在監(jiān)測(cè)信號(hào)中沒(méi)有探測(cè)到大振幅的逸出信號(hào)。在步驟830處，處理器120計(jì)算差分信號(hào)。這是通過(guò)從每個(gè)接收換能器IlOR剛剛獲得的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去所保存的參考信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，由于存在許多因素例如隨機(jī)噪聲、溫度影響和電學(xué)不準(zhǔn)確性導(dǎo)致的時(shí)間位移等，不可能從相關(guān)監(jiān)測(cè)信號(hào)中簡(jiǎn)單地減去參考信號(hào)。眾所周知，在不同時(shí)刻記錄的兩個(gè)信號(hào)的減法，即使條件非常相似，也會(huì)導(dǎo)致相干噪聲，并且當(dāng)前狀況也不例外。事實(shí)上，當(dāng)從損傷反射的信號(hào)強(qiáng)度較弱時(shí)，相干噪聲水平可能足夠高以使得損傷探測(cè)非常困難或者有時(shí)是不可能的。然而，可以應(yīng)用若干眾所周知的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)獲得高信噪比，例如濾波、去噪、信號(hào)平均、溫度補(bǔ)償、小波分解等等。對(duì)所選擇的信號(hào)處理技術(shù)的概括介紹由例如 Staszewski ff. J. , 2002, Intelligent signal processing for damagedetection composite materials, CompositesScience and Technology, V. 62, N. 7-8,pp. 941-950給出。基于小波分析的去噪過(guò)程由Shim I. , Soragan J. J.和Siew ff. Η., 2000, A noise reduction technique foron-line detection and location of partialdischarges in high voltage cable networks,Meas. Sci. Technol. ,V. 11,pp. 1708-1713 ；Major A. G. , Fretwell H. M. , Dugdale SB, Rodriguez-Gozalez A. R.；以及 Alam M. A.,1997、De_noising of two-dimensionalangular correlation of positron annihilationradiation data using Daubechies waveletthresholding, J. Phys. Condens. Matter,V. 9，pp. 10293-10299 來(lái)描述。溫度補(bǔ)償技術(shù)例如由 Konstantindis G. , Wilcox P. D.和Drinkwater B. ff. ,2007,AnInvestigation Into the Temperature Stability of a GuidedWave Structural HealthMonitoring System Using Permanently Attached Sensors,IEEE Sensors Journal, V. 7, No. 5, pp. 905-912,以及 Lu Y.和 Michaels J.E.,2005, AMethodology forStructural Health Monitoring with Diffuse Ultrasonic Waves inthe Presence of Temperature Variations, Ultrasonics, V. 43, pp. 717-731 來(lái)描述。如本領(lǐng)域中眾所周知的，可以作出這些技術(shù)的選擇以提供所得到的結(jié)果的期望準(zhǔn)確度。在步驟825處實(shí)施監(jiān)測(cè)信號(hào)的這種預(yù)處理。一旦監(jiān)測(cè)信號(hào)已經(jīng)在825處被預(yù)處理，則在830處實(shí)施減法。在步驟835處，由處理器120對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行閾值處理操作，現(xiàn)在將參考圖11所示的換能器110的陣列105對(duì)其進(jìn)行描述?？梢钥闯觯嚵?05對(duì)應(yīng)于圖4C所示的陣列105C。因此，三個(gè)接收換能器IlOR以彼此成60度角從而形成等邊三角形的形式被表面粘結(jié)到結(jié)構(gòu)10，其中發(fā)射換能器IlOT被表面粘結(jié)在中心處。這種陣列可以產(chǎn)生如圖9所示的差分信號(hào)。圖9中示出來(lái)自三個(gè)接收換能器IlOR中的每一個(gè)的三個(gè)差信號(hào)，圖例中標(biāo)記為0、60、120。在大多數(shù)情況下，每個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)內(nèi)的反射事件以不同的時(shí)間位移到達(dá)每個(gè)接收換能器110R，并且這反映在圖9所示的差分信號(hào)中。處于60度的元件第一個(gè)探測(cè)到來(lái)自結(jié)構(gòu)10中的損傷20的反射事件。圖9的示例顯示了通過(guò)數(shù)值計(jì)算所得到的差分信號(hào)。因此，導(dǎo)致需要預(yù)處理監(jiān)測(cè)信號(hào)的上述現(xiàn)實(shí)問(wèn)題在這里不適用。盡管如此，由于參考信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)之間的細(xì)微差別，損傷定位可能仍舊是有挑戰(zhàn)性的。為了識(shí)別反射事件，超過(guò)閾值水平的峰值被選擇。圖9中示出閾值水平的示例。這一閾值水平可以選擇為任何適合的數(shù)值，例如該閾值水平可以憑經(jīng)驗(yàn)選定，即通過(guò)收集采樣數(shù)據(jù)并檢查所得的差分信號(hào)來(lái)直觀選擇閾值水平。在840處，根據(jù)顯示為差分信號(hào)內(nèi)超過(guò)閾值水平的峰值的反射事件來(lái)識(shí)別異常處。如果沒(méi)有找到異常處，則該方法可以經(jīng)由845和890循環(huán)返回到步驟810處的開(kāi)始。假設(shè)異常處被識(shí)別，則該方法繼續(xù)進(jìn)行到步驟850，在此獲得針對(duì)在三個(gè)接收換能器IlOR的每個(gè)的差信號(hào)中識(shí)別的每個(gè)反射事件的渡越時(shí)間?？梢詮姆逯凳状纬^(guò)閾值水平(圖10中示為t2)的時(shí)間推斷出的表觀渡越時(shí)間被有利地校正，從而考慮正常情況下被噪聲遮掩的相關(guān)波包的實(shí)際開(kāi)始時(shí)間(圖10中示為。能夠例如通過(guò)關(guān)聯(lián)法(假設(shè)反射波包將類似于受激波包)來(lái)確定適當(dāng)校正h。在已經(jīng)做出渡越時(shí)間校正以后，針對(duì)每個(gè)接收換能器IlOR的差分信號(hào)中的時(shí)間位移被定義為= 1,2,3等式(I)
其次，在步驟860處，確定由每個(gè)接收換能器IlOR所探測(cè)到的波包行進(jìn)的距離。這些距離在圖11中示出。如下定義波包行進(jìn)的距離Rp R2> R3，該波包由發(fā)射換能器IlOT產(chǎn)生以行進(jìn)到異常處20，在這里其將從坐標(biāo)為(xp，yp)的點(diǎn)P反射，然后行進(jìn)回到三個(gè)接收換能器IlOR中的每一個(gè)。R1 = RA+RS1R2 = Ra+RS2等式(2)R3 = Ra+RS3其中Ra是圖11所示的向外距離(outbound distance),并且Rsi、RS2和Rs3是圖11所示的向內(nèi)距離(inbound distance)。根據(jù)下列關(guān)系式,這些距離與步驟850中所得到的時(shí)間位移有關(guān)。R1 = ixcg盡=F2Cg等式(3)R3 = t3cg其中Cg是波包的適當(dāng)傳播模式的群速度。如下所示，可以用所得到的距離Rp R2和R3來(lái)確定異常處20的位置。假設(shè)從異常處20反射的波是圓形的。因此，使用等式(4)定義在異常處20(xp，yp)的位置處具有公共中心的三個(gè)圓形。
(X51 _ O2 + (^51 ~ypf = ^Sl< (x52 -) +(y52 ~yP)=死2等式⑷
(X53 _ )2 + iyss ~yp)2 =其中(xsl，ysl)、(xs2, ys2)、(xs3, ys3)是接收換能器IlOR的中心的坐標(biāo),并且(xp,yp)是異常處20的坐標(biāo)。將等式⑵代換為等式(4)，給出
(X51 ~xp)2 + 0 ~y= (K ~Ra )2< (x52 - Xp) +(y52 ~yP)=(尺2- )等式⑶
(Χ53 _ )2 + (^53 ~yp)2 =(尺 3 - Ra )2
等式(5)表示僅具有兩個(gè)未知的Xp和yp的三個(gè)非線性方程組的系統(tǒng)(也存在變量RA，但是這個(gè)變量取決于未知的X1^Pyp)。由于存在比未知項(xiàng)更多的等式，系統(tǒng)是超定的(over-determined)。因此，顯而易見(jiàn)，剛好具有兩個(gè)換能器105的換能器110的陣列105可以用于提供異常處20的位置(盡管這種系統(tǒng)不可能在所有情況下提供明確的位置)，并且本發(fā)明包含此類布置。然而，優(yōu)選使用三個(gè)或更多個(gè)換能器105以確保毫無(wú)疑義地確定異常處的位置，并且提供超定系統(tǒng)，該超定系統(tǒng)提供了在確定異常處20的位置時(shí)的增加的準(zhǔn)確度。優(yōu)化技術(shù)可以用于求解超定系統(tǒng)(over-determined systems)。例如,超定系統(tǒng)的最小二乘解可以通過(guò)最小化下列函數(shù)得到F= [ (Xsi-Xp)2+ (ysl-yp) 2_ (R1-Ra) 2]2+ [ (Xs2-Xp)2+ (yS2-yp) 2_ (R2-Ra) 2]2 + [ (xS3_xp)2+ (yss_yp)2_ (Rs-Ra) 2]2等式(6)以此方式計(jì)算得到并識(shí)別該解(xp，yp)，即異常處20在結(jié)構(gòu)10中的位置。根據(jù)以上等式應(yīng)該理解，不要求每個(gè)換能器110在不同方向上對(duì)準(zhǔn)。因此，使用這種方法，兩個(gè)或更多個(gè)換能器110可以對(duì)準(zhǔn)，即其縱軸和橫軸可以平行延伸。隨著現(xiàn)在在圖8的步驟860處得到異常處20的位置，該方法繼續(xù)進(jìn)行到步驟870處，在此進(jìn)行檢查以確保已經(jīng)處理了全部異常處(并且回路875允許處理進(jìn)一步的異常處)。當(dāng)已經(jīng)處理了全部異常處時(shí)，該方法繼續(xù)進(jìn)行到步驟880，在此報(bào)告異常處，如前面針對(duì)步驟780所述。然后，該方法可以經(jīng)由路徑890循環(huán)返回到開(kāi)始?，F(xiàn)在將參考圖12至14描述操作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100的第二種方法。在這一實(shí)施例中，要監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)10裝有換能器110的兩個(gè)或更多個(gè)陣列105。例如，可以使用如圖3所示的換能器110的兩個(gè)陣列105的布置。圖12示出該操作方法，并且包括參考圖8已經(jīng)描述的很多步驟。該方法開(kāi)始于步驟 1205，然后進(jìn)行經(jīng)過(guò)步驟 1210a、1215a、1220a、1225a、1230a、1235a、和 1240a。由于這些步驟對(duì)應(yīng)于圖8的步驟810、815、820、825、830、835和840，僅再次簡(jiǎn)要地對(duì)其概述。在步驟1210a處，使用換能器110的第一陣列105激勵(lì)彈性波。在步驟1240a處對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、預(yù)處理、差分和閾值處理以識(shí)別異常處20。在步驟1255a處，進(jìn)而接納所識(shí)別的每個(gè)異常處20，并且確定從第一陣列105到異常處20的方向。下面參考圖13和圖14來(lái)描述如何實(shí)行。隨著異常處20及其從換能器的第一陣列105起的方向被確定，該方法進(jìn)行到步驟1210b至1255b。這些步驟重復(fù)步驟1210a至1255a，但是相對(duì)于換能器110的第二陣列105。因此，異常處20被識(shí)別，并且其從換能器110的第二陣列105起的方向被確定。如由虛線箭頭1256所示，該方法可以為換能器110的更多陣列105重復(fù)步驟1210至1255(以便獲得到所識(shí)別異常處20的距離的三組或更多組數(shù)據(jù))。盡管針對(duì)每個(gè)換能器110的陣列105的每個(gè)重復(fù)步驟1210至1255在圖12中被顯示為連續(xù)發(fā)生，但是一個(gè)或更多個(gè)重復(fù)可以重疊或者并行發(fā)生。例如，一旦步驟1220a已經(jīng)完成，則可以執(zhí)行步驟1210b及以下步驟，以便波激勵(lì)步驟和采集監(jiān)測(cè)信號(hào)步驟針對(duì)每次重復(fù)連續(xù)地發(fā)生，但是與先前重復(fù)的數(shù)據(jù)處理步驟相重疊。一旦已經(jīng)使用由箭頭1258所示的兩個(gè)陣列105或者使用由箭頭1256所示的多于兩個(gè)陣列105收集了全部數(shù)據(jù)，則該方法就進(jìn)行到步驟1265，在此針對(duì)每個(gè)所識(shí)別的異常處20由換能器110的每個(gè)陣列105得到的方向被用于確定那些異常處20的位置。下面更詳細(xì)地描述這一步驟1265，但是其主要依賴于到每個(gè)所識(shí)別的異常處20的一對(duì)方向的交點(diǎn)。一旦異常處20的位置已經(jīng)確定，則在步驟1280處報(bào)告異常處20。這一步驟對(duì)應(yīng)于圖8的步驟880，并且因此將不會(huì)再次描述。該方法可以如箭頭1290所示并且如已經(jīng)參考圖8的相應(yīng)元件890所述進(jìn)行重復(fù)?，F(xiàn)在將參考圖13解釋確定到每個(gè)異常處20的方向的步驟1255。將監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)10裝有換能器110的兩個(gè)陣列105A、B，每個(gè)陣列105A、B都包含三個(gè)接收換能器110AK1_3、110BK1_3和一個(gè)發(fā)射換能器110AT、110BT。示出了異常處20以及從異常處20向第一陣列105A反射的彈性波40。 圖14中更詳細(xì)地示出換能器110AK1，以便示出縱軸和橫軸以及換能器IIOAki中的應(yīng)變分布。由發(fā)射換能器IIOAt產(chǎn)生的波從異常處20彈回，并且在每個(gè)接收換能器110AK1_3中分別產(chǎn)生縱向和橫向應(yīng)變分量ε i和ε 2。應(yīng)變分量ε i和ε 2定義為S1= ε χ, cos2 Δ等式 7和ε 2 = ε χ, sin2 Δ等式 8其中Λ是換能器IIOAki的縱軸和入射波40的方向之間的角度，即圖14中的β - α 0在接收換能器110ΑΚ1_3中產(chǎn)生的信號(hào)可以計(jì)算為V1 =S1S11 +S2Si2F2 =兄彳+X2S22等式 9F3 =^1S13+^2S23其中靈敏度因數(shù)51和S2取決于換能器長(zhǎng)度和彈性波長(zhǎng)之間的關(guān)系，并且取決于接收換能器Iιοακ1_3和彈性波入射方向之間的相對(duì)取向。注意，
V7 = 6+( 等式 10其中橫向靈敏度比Kt定義為
rni4fll_ _ ^d3lV3lE2 + J32^2)sin(^/2)^
S2 Kd3A +d32VnE2)s[n(kl/2)^X其中I和b分別是接收換能器110AK1_3的長(zhǎng)度和寬度，k是波數(shù)，d31和d32是接收換能器110AK1_3的壓電常數(shù)，并且E1和E2是沿著縱向和橫向的楊氏模量?？梢允褂脼閼?yīng)變儀葉片推導(dǎo)出的經(jīng)典關(guān)系式(參看Prentice Hall公司1997年出版的R. C. Hibbeler的Mechanics of Materials (材料力學(xué)))計(jì)算在陣列中心的平面應(yīng)變分量。用于確定在相對(duì)于參考xy坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)α度的χ’ y’坐標(biāo)系中的應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變變換方程是ε J = ε x cos2 α + ε ysin2 α + γ xysin α cos αε y, = ε xsin2 α + ε ycos2 α - γ xysin α cos α等式 12
Y x, y, = 2 ( ε y- ε χ) sin α cos α + yxy(cos2a -sin2 a )以類似的方式，平面應(yīng)變分量可以根據(jù)三個(gè)接收換能器110AK1_3的響應(yīng)確定
權(quán)利要求
1.ー種使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法，所述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)接收器和可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器，所述方法包含 使用所述發(fā)射器傳播彈性波穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)； 從所述至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)以監(jiān)測(cè)所述彈性波從所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少ー個(gè)異常處的反射；和 分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別所述至少ー個(gè)異常處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)包含執(zhí)行差分操作，由此針對(duì)所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器，從由該接收器收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去參考信號(hào)，并且其中得到的差分信號(hào)被用于識(shí)別所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的所述至少ー個(gè)異常處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其包含可選地在認(rèn)為所述結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備好操作使用之后為所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器從所述結(jié)構(gòu)收集參考信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別至少ー個(gè)異常處包含計(jì)算由所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器接收到的所述反射的渡越時(shí)間。
5.ー種使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法，所述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)接收器和可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器的第一陣列，以及可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)接收器和可操作地與所述結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器的第二陣列，其中所述第一和第二陣列被間隔開(kāi)，所述方法包含 使用所述第一陣列的所述發(fā)射器傳播彈性波穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)； 從所述第一陣列的所述至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)以監(jiān)測(cè)所述彈性波從所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少ー個(gè)異常處的反射； 使用所述第二陣列的所述發(fā)射器傳播彈性波穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)； 從所述第二陣列的所述至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)以監(jiān)測(cè)所述彈性波從所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少ー個(gè)異常處的反射；和 分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別所述至少ー個(gè)異常處，并且確定從各自所述第一和第二陣列到所述至少一個(gè)異常處的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)ー步包含結(jié)合所述陣列在所述結(jié)構(gòu)上的的已知位置使用從所述第一和第二陣列中的每個(gè)陣列到所述異常處的方向來(lái)確定所述異常處在所述結(jié)構(gòu)中的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)包含執(zhí)行差分操作，由此針對(duì)每個(gè)接收器，從由該接收器收集的監(jiān)測(cè)信號(hào)中減去參考信號(hào)，并且其中得到的差分信號(hào)被用于識(shí)別所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的所述至少ー個(gè)異常處。
8.ー種用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包含 至少三個(gè)接收器，其可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)； 發(fā)射器，其可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)； 其中所述發(fā)射器被配置為激勵(lì)弾性波傳播穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)；和 處理器，其可操作地耦合到所述接收器以從所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)；和 其中所述處理器被配置為分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少ー個(gè)異常處。
9.ー種用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包含 第一陣列，其包括可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)的至少三個(gè)接收器和可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)的發(fā)射器， 第二陣列，其包括可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)的至少三個(gè)接收器和可操作地接觸所述結(jié)構(gòu)的發(fā)射器， 并且其中 所述第二陣列與所述第一陣列間隔開(kāi)； 其中所述第一陣列的所述發(fā)射器被配置為激勵(lì)弾性波傳播穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)，并且處理器可操作地耦合到所述第一陣列的所述接收器以從所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)； 所述第二陣列的所述發(fā)射器被配置為激勵(lì)弾性波傳播穿過(guò)所述結(jié)構(gòu)，并且所述處理器可操作地耦合到所述第二陣列的所述接收器以從所述至少三個(gè)接收器中的每個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)；和 所述處理器被配置為分析所述監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別所述結(jié)構(gòu)內(nèi)部的至少ー個(gè)異常處，并且確定從各自所述第一和第二陣列到所述至少ー個(gè)異常處的方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的無(wú)損評(píng)估的系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處的方法和裝置，該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的至少三個(gè)換能器，使得任何兩個(gè)換能器都不平行對(duì)準(zhǔn)。換能器激勵(lì)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)傳播的彈性波，并且來(lái)自結(jié)構(gòu)內(nèi)部的任何異常處的反射被三個(gè)換能器收集。這些收集的信號(hào)被分析以識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常處。渡越時(shí)間技術(shù)被用于確定異常處的位置。
文檔編號(hào)G01N29/07GK102680578SQ20121002605
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月8日
發(fā)明者G·M·卡維基, P·庫(kù)德拉, R·M·羅德里格斯, W·歐斯塔喬茲 申請(qǐng)人:波音公司