基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊事件在線監(jiān)測(cè)及沖擊能量等級(jí)判別方法。該方法在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計(jì)算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時(shí)間比的平均值MDR；其次計(jì)算數(shù)字序列陣列的上升沿個(gè)數(shù)的平均值MNRS；然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識(shí)別分類器進(jìn)行沖擊能量等級(jí)判別。本方法能夠在無(wú)法獲取沖擊響應(yīng)信號(hào)陣列，只能獲取數(shù)字序列陣列的情況下，對(duì)沖擊事件的能量等級(jí)進(jìn)行判別，方便維護(hù)人員利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的區(qū)域檢測(cè)和視情檢測(cè)，能夠縮短檢測(cè)時(shí)間，降低維護(hù)成本。
【專利說(shuō)明】基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊事件在線監(jiān)測(cè)及沖擊能量等級(jí)判別方法。
[0002]【背景技術(shù)】
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是航空結(jié)構(gòu)。然而，層合板復(fù)合材料在服役過(guò)程中不可避免的要承受各種沖擊，極易造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷并導(dǎo)致其力學(xué)性能退化，承載能力降低，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效。因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊監(jiān)測(cè)，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性是具有迫切的應(yīng)用需求的。
[0003]被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線的沖擊監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取沖擊區(qū)域、位置等信息，然后再利用無(wú)損檢測(cè)對(duì)通過(guò)被動(dòng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法獲得的沖擊區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，能夠大大縮短檢測(cè)時(shí)間，降低維護(hù)成本。但是針對(duì)大型航空結(jié)構(gòu)的沖擊監(jiān)測(cè)，以采用64路壓電傳感器監(jiān)測(cè)沖擊信號(hào)為例，按照傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集測(cè)試方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)采集，系統(tǒng)硬件采用商用的64通道獨(dú)立同步高速模擬數(shù)據(jù)采集卡和64通道的信號(hào)放大調(diào)理設(shè)備，外加集成此數(shù)量硬件所需的帶統(tǒng)一控制核心的處理器和機(jī)箱，造成測(cè)試環(huán)境復(fù)雜度和測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試難度的高，系統(tǒng)體積和重量龐大等問題。但是，對(duì)于機(jī)載設(shè)備而言，要求該設(shè)備的添加不會(huì)給飛機(jī)造成過(guò)大的載重負(fù)擔(dān)，而且飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)所需監(jiān)測(cè)的面積很大，特別是像我國(guó)正處于研制階段的民用大型客機(jī)C919，支持64路壓電傳感器的被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要大規(guī)模的壓電傳感器陣列才能夠滿足要求，但是這樣又進(jìn)一步增加了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體積和重量。所以，現(xiàn)有的常規(guī)被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能夠滿足沖擊監(jiān)測(cè)機(jī)載設(shè)備的要求。
[0004]針對(duì)上述問題，近兩年來(lái)，一種適用于機(jī)載的小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng))被提出并正在逐步得到應(yīng)用。該系統(tǒng)為了滿足小型化和低功耗的要求，將外部壓電傳感器陣列直接與系統(tǒng)內(nèi)的比較器陣列連接，壓電傳感器陣列輸出的沖擊響應(yīng)信號(hào)陣列經(jīng)過(guò)比較器陣列以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列陣列，根據(jù)數(shù)字序列陣列實(shí)現(xiàn)沖擊區(qū)域的定位和報(bào)警，從而省略了常規(guī)被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)放大調(diào)理的硬件。因此，該系統(tǒng)具備了體積小、重量輕、低功耗、安裝和使用方便、監(jiān)測(cè)區(qū)域大、能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)沖擊事件并能夠有效存儲(chǔ)沖擊響應(yīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字序列陣列和沖擊報(bào)警結(jié)果等多個(gè)特點(diǎn)。
[0005]但是，系統(tǒng)目前只配備了沖擊區(qū)域的定位方法，缺少對(duì)沖擊事件能量等級(jí)的判別方法。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，獲取沖擊事件的能量等級(jí)是非常重要的，小能量的沖擊事件不一定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，實(shí)際應(yīng)用中更關(guān)心的是大能量沖擊事件發(fā)生的區(qū)域，該區(qū)域更容易出現(xiàn)損傷，給結(jié)構(gòu)的整體安全性造成隱患。所以，在判別了沖擊事件發(fā)生的位置后，在對(duì)其能量等級(jí)進(jìn)行判別，更能夠有效指導(dǎo)后勤維護(hù)，減小不必要的維護(hù)次數(shù)，降低維護(hù)成本。
[0006]針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊能量的判別問題，目前廣泛研究的方法有兩類:
(I)第一類方法是基于結(jié)構(gòu)的精確的力學(xué)模型，通過(guò)傳感器獲取的沖擊響應(yīng)信號(hào)，對(duì)沖擊源信號(hào)進(jìn)行反演，從而實(shí)現(xiàn)沖擊歷程、沖擊力和沖擊能量的判別。這種方法能夠?qū)嵤┑那疤崾墙Y(jié)構(gòu)精確的力學(xué)模型已知且需要獲取完整的沖擊響應(yīng)信號(hào)。
[0007](2)第二類方法是基于模式識(shí)別的沖擊力等級(jí)或沖擊能量等級(jí)判別方法。這種方法的核心是用于模式分類的特征向量。實(shí)際監(jiān)測(cè)中，往往是通過(guò)傳感器獲取的完整沖擊響應(yīng)信號(hào)，提取沖擊響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域等空間內(nèi)，能夠反映不同沖擊能量的特征參數(shù)，并組成特征向量。
[0008]由于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在加之復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各向異性，結(jié)構(gòu)的精確模型很難獲取，所以第二類方法相對(duì)于第一類方法而言，更容易在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。但是，第二類方法能夠?qū)嵤┑暮诵氖谦@取到完整沖擊響應(yīng)信號(hào)并提取其特征向量。然而，沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能得到?jīng)_擊響應(yīng)信號(hào)陣列對(duì)應(yīng)的數(shù)字序列陣列，無(wú)法獲取到完整的沖擊響應(yīng)信號(hào)，所以需要從數(shù)字序列陣列中提取出能夠反映沖擊能量等級(jí)的特征參數(shù)，從而在僅依靠數(shù)字序列陣列的情況下，結(jié)合模式識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)沖擊能量等級(jí)的判別。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明提出了一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，使其在現(xiàn)有沖擊區(qū)域定位功能的基礎(chǔ)上，具備判別沖擊能量等級(jí)的功能。從而達(dá)到在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的事后維護(hù)時(shí)，指示沖擊事件發(fā)生的區(qū)域和能量等級(jí)，使維護(hù)人員利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有針對(duì)性的區(qū)域檢測(cè)和視情檢測(cè)，縮短維護(hù)時(shí)間和降低維護(hù)成本的目的。
[0010]本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計(jì)算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時(shí)間比的平均值MDR ;其次計(jì)算數(shù)字序列陣列的上升沿個(gè)數(shù)的平均值MNRS ;然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識(shí)別分類器進(jìn)行沖擊能量等級(jí)判別。
[0011]數(shù)字序列陣列二維 特征向量中的MDR的計(jì)算方法如下:
設(shè)由《個(gè)通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列，?為大于I的自然數(shù)，定義單個(gè)通道數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時(shí)間比:對(duì)單個(gè)通道的數(shù)字序列長(zhǎng)度為/w的數(shù)字序列，由O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)和I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，其中I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)持續(xù)時(shí)間的總長(zhǎng)度占數(shù)字序列長(zhǎng)度P的比例定義為數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時(shí)間比DRi ；
設(shè)?!個(gè)通道的數(shù)字序列中，第?個(gè)通道存在*個(gè)I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)和《_%個(gè)0數(shù)
字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則的計(jì)算表達(dá)式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，其特征在于，在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計(jì)算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時(shí)間比的平均值MDR ;其次計(jì)算數(shù)字序列陣列的上升沿個(gè)數(shù)的平均值MNRS ;然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識(shí)別分類器進(jìn)行沖擊能量等級(jí)判別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，其特征在于，數(shù)字序列陣列二維特征向量中的MDR的計(jì)算方法如下: 設(shè)由《個(gè)通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列力大于I的自然數(shù)，定義單個(gè)通道數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時(shí)間比DR1.:對(duì)單個(gè)通道的數(shù)字序列長(zhǎng)度為T的數(shù)字序列，由O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)和I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，其中I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)持續(xù)時(shí)間的總長(zhǎng)度占數(shù)字序列長(zhǎng)度m的比例定義為數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時(shí)間比DR1.； 設(shè)個(gè)通道的數(shù)字序列中，第i個(gè)通道存在個(gè)I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)和《 _n2.個(gè)O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則的計(jì)算表達(dá)式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級(jí)判別方法，其特征在于，數(shù)字序列陣列二維特征向量中的MNRS的計(jì)算方法如下: 設(shè)由《個(gè)通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列，?為大于I的自然數(shù)，定義單個(gè)通道數(shù)字序列的上升沿個(gè)數(shù)NRS1:數(shù)字序列中，數(shù)字電平的大小由O數(shù)字電平變?yōu)镮數(shù)字電平視為I個(gè)上升沿，對(duì)單個(gè)通道的數(shù)字序列長(zhǎng)度為m的數(shù)字序列，存在的上升沿個(gè)數(shù)為NRSi ； MNES的計(jì)算表達(dá)式有如下兩種: ①取《個(gè)通道對(duì)應(yīng)的NH民的平均值，表達(dá)式如下:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103473441SQ201310375307
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】邱雷, 袁慎芳, 梅寒飛, 錢偉鋒, 劉小冬, 董江 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)