[发明专利]一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种基于弧形压电阵列和合成波阵面的主动Lamb波工程结构损伤监测方法。

背景技术

 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。

结构损伤的在线监测要求相关信号发生和采集设备要具有体积小、功耗低等特点，监测必须具有很高的准确性和实时性。板类结构的损伤监测一般采用主动Lamb波的方法，主要通过损伤散射信号特征来实现监测。首先，在结构表面或内部集成一定数量的激励器和传感器，如压电元件，除此之外，整个监测系统还包括信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数采设备等，在监测时首先向结构中激励一定的波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波，采集到计算机中，通过对比结构损伤前后响应信号的差异，获取结构损伤散射信号，计算机程序根据损伤散射波的到达时刻、相位等信息确定损伤的位置和范围。在现有的主动Lamb波监测技术中，大多采用单一压电片进行激励，在结构中激发出的Lamb波能量有限，结构损伤对激励信号的波散射信号能量也就更加微弱，难易准确捕获。针对这一问题，一些先进的信号处理理论和压电阵列技术被应用到现有的主动Lamb波监测技术中，如相控阵技术、时间反转理论等。这些技术和方法根据一些先进信息处理理论，综合利用各传感信号之间的相关性，来分析和处理Lamb结构响应信号，提高监测信号的信噪比和监测系统的稳定性。然而，由于Lamb波传播的特殊性，上述的方法在应用过程中依然存在一定的问题，如相控阵技术基于远场理论，而主动Lamb波监测技术并不满足这一点，同时单一线阵无法区分损伤处于线阵的哪一侧，而时间反转方法到目前为止还无法实现物理上的Lamb波损伤散射信号聚焦。

基于以上考虑，本发明人针对现有的结构损伤主动监测方法进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

 本发明的主要目的，在于提供一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，其应用弧形传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，采用合成波阵面方法增强结构中的激励信号，从而提高损伤散射信号的能量以及监测系统的准确性和稳定性。

为了解决上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：

一种采用合成波阵面激励的工程结构损伤主动监测方法，包括下列步骤：

（1）在结构上布置一组压电片组成弧形传感/激励阵列，各压电片组成的弧形阵列与以弧形圆心为波源、以弧形半径为传播距离的波阵面重合；

（2）采集结构健康状态下所有激励/传感通道的Lamb波基准响应信号；

（3）采集结构损伤状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；

（4）提取合成波阵面激励下所有激励/传感通道下的Lamb波损伤散射信号，具体内容为：

（41）将步骤（2）中得到的Lamb波基准响应信号与步骤（3）中得到的结构损伤后Lamb波响应信号对应相减，得到相应的差信号；

（42）将以某一压电片作为传感器的所有差信号相加，得到其在弧形压电阵列合成阵面激励下的损伤散射信号；

（43）依次选择压电阵列中的压电片，得到合成波阵面激励下的所有损伤散射信号；

（5）根据前述损伤散射信号，得出损伤的位置和范围，从而分析、判定被监测结构的健康情况。

上述步骤（2）的详细步骤为：

（21）在结构健康状态下，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；

（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；

（23）依次选定阵列中的各压电片作为激励元件，得到所有激励/传感通道下的结构健康状态下的Lamb波响应信号。

上述Lamb波超声信号为窄带Lamb信号。

上述步骤（3）的详细步骤为：

（21）当结构发生损伤时，选定一个压电片作为激励元件，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到该压电片上，在结构中激发激励信号；

（22）选定阵列中不同于前述激励元件的另一个压电片作为传感器获取所述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到当前状态下的响应信号；