一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，通過在監(jiān)測結(jié)構(gòu)上布置壓電線陣，從而得到各激勵-傳感通道的損傷散射信號，再向損傷信號附加時間延遲，確定損傷的方向，最后根據(jù)信號到達(dá)時刻 t 確定損傷位置。本發(fā)明采用近場相控陣結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法，能夠識別出復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的微小損傷，且彌補(bǔ)了遠(yuǎn)場相控陣在監(jiān)測距離上的局限性。
【專利說明】-種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及了一種基于壓電陣列的近場相 控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)用來監(jiān)測、診斷和預(yù)示連續(xù)運行工程系統(tǒng)的狀態(tài)和故障， 保證工程設(shè)備安全運行，及時準(zhǔn)確識別損傷將對保證工程系統(tǒng)安全運行、減少或避免災(zāi)難 性事故具有非常重要的意義。航空智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)需要在損傷發(fā)生的初期，實時 在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，識別結(jié)構(gòu)中的損傷并進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但大多數(shù)檢測設(shè)備復(fù)雜，成本高， 費工費時，對一些性能比較復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)，如復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于受噪聲等影響，一些小 的損傷還不能很好地檢測到。相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是通過控制每個壓電元件的發(fā)射和 接收的時間延遲進(jìn)而控制Lamb波波束掃描，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的多方位掃描，識別結(jié)構(gòu)中存在的 損傷，Lamb波波束的聚焦可以大大提高信號的信噪比。相控陣?yán)碚撘蟊O(jiān)測對象位于傳感 器陣列遠(yuǎn)場，進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法，該方法在其限定的監(jiān)測距離范圍內(nèi)可以成功識別 結(jié)構(gòu)中損傷，對原理性探索工作具有很大的幫助。但遠(yuǎn)場超聲相控陣，在監(jiān)測距離方面有一 定的限制，因此研究近場超聲相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，可以彌補(bǔ)遠(yuǎn)場超聲相控陣在監(jiān)測 距離的局限性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述【背景技術(shù)】提到的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種基于壓電陣列的近 場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，采用近場相控陣結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法，能夠識別出復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的微 小損傷，且彌補(bǔ)了遠(yuǎn)場相控陣在監(jiān)測距離上的局限性。
[0004] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0006] (1)在待監(jiān)測結(jié)構(gòu)上布置由M個壓電片組成的壓電線陣，M個壓電片依次定義序號 0 ?M-1 ;
[0007] (2)在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，將Lamb波窄帶信號依次施加于壓電線陣中的M個壓電 片，當(dāng)將Lamb波窄帶信號施加于某一壓電片時，該壓電片作為激勵器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出激勵 信號，而其余M-I個壓電片均作為傳感器分別接收結(jié)構(gòu)中傳播的響應(yīng)信號，將1個激勵器與 1個傳感器合稱為1個激勵-傳感通道，則一共獲得MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信 號；
[0008] (3)在結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下，重復(fù)步驟⑵；
[0009] (4)將步驟⑵得到的MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號， 將步驟（3)得到的MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信號與對應(yīng)的基準(zhǔn)信號相減，得到 MX (M-I)個激勵-傳感通道的損傷散射信號；
[0010] (5)在壓電線陣近場監(jiān)測范圍內(nèi)，各激勵-傳感通道的損傷散射信號在角度監(jiān)測 范圍內(nèi)每間隔A 0，且在距離監(jiān)測范圍內(nèi)每間隔A e時進(jìn)行相應(yīng)的時間延遲，該時間延 遲稱為角度-距離上的時間延遲，得到各激勵_傳感通道在監(jiān)測范圍內(nèi)每個角度-距離上 的時間延遲后的損傷散射信號；其中，所述角度監(jiān)測范圍是[0°，180° ]，距離監(jiān)測范圍是 [0, L]，第i個壓電片作為激勵器的激勵-傳感通道的角度-距離上的時間延遲為：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 在待監(jiān)測結(jié)構(gòu)上布置由M個壓電片組成的壓電線陣，M個壓電片依次定義序號O? M-I ； (2) 在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下，將Lamb波窄帶信號依次施加于壓電線陣中的M個壓電片，當(dāng) 將Lamb波窄帶信號施加于某一壓電片時，該壓電片作為激勵器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出激勵信號， 而其余M-I個壓電片均作為傳感器分別接收結(jié)構(gòu)中傳播的響應(yīng)信號，將1個激勵器與1個 傳感器合稱為1個激勵-傳感通道，則一共獲得MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信號； (3) 在結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下，重復(fù)步驟（2); (4) 將步驟（2)得到的MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號，將步驟 (3)得到的MX (M-I)個激勵-傳感通道的響應(yīng)信號與對應(yīng)的基準(zhǔn)信號相減，得到MX (M-I) 個激勵-傳感通道的損傷散射信號； (5) 在壓電線陣近場監(jiān)測范圍內(nèi)，各激勵-傳感通道的損傷散射信號在角度監(jiān)測范圍 內(nèi)每間隔Λ Θ，且在距離監(jiān)測范圍內(nèi)每間隔Λ ε時進(jìn)行相應(yīng)的時間延遲，該時間延遲稱為 角度-距離上的時間延遲，得到各激勵-傳感通道在監(jiān)測范圍內(nèi)每個角度-距離上的時間 延遲后的損傷散射信號；其中，所述角度監(jiān)測范圍是[0°，180° ]，距離監(jiān)測范圍是[0，L]， 所述角度-距離上的時間延遲為：
上式中，i表示作為激勵器或傳感器的壓電片序號，r為監(jiān)測點與近場相控陣坐標(biāo)原點 之間的距離，Θ為監(jiān)測點到近場相控陣坐標(biāo)原點連線與X軸的夾角，c為Lamb波的波速，d 為壓電線陣中相鄰兩壓電片之間的距離； (6) 將各激勵-傳感通道的同一角度-距離上的時間延遲后的損傷散射信號進(jìn)行累加 合成，得到各角度-距離上的合成信號，并進(jìn)行歸一化處理； (7) 比較各角度-距離上的歸一化合成信號，幅值最大的合成信號所在的角度即為損 傷所在的方向，然后由幅值最大的合成信號的到達(dá)時刻以及該方向Lamb波波速計算出損 傷所在位置的半徑，從而確定損傷的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，其特征在 于：步驟⑴中所述壓電線陣的壓電片個數(shù)M為9。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，其特征在 于：步驟（2)中所述激勵信號為窄帶信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，其特征在 于：在步驟（5)中，所述角度間隔Λ Θ為1° ;所述L = 3λ，λ為Lamb波的波長，距離間 隔Δ ε為1mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于壓電陣列的近場相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，其特征在 于：步驟（5)中所述Lamb波的波速c是指Lamb波在結(jié)構(gòu)中僅激發(fā)出AO模式時的傳播群速 度。
【文檔編號】G01N29/11GK104374830SQ201410697078
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】孫亞杰, 袁慎芳, 張永宏, 劉青山, 季賽 申請人:南京信息工程大學(xué)