一种基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法，包括布置分布式传感器网络的步骤、记录受载后的结构信息的步骤、进行载荷危险判别的步骤、进行特征信息提取的步骤、进行传感子网络的选择的步骤、冲击位置概率成像的步骤，本发明的基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法结合了信号处理与概率计算的方式进行冲击位置图像的计算，并合理的筛选了定位子网的形式，不仅计算时间、计算量少，而且冲击定位的精度高，稳定性好，尤其能够用于加筋壁板这类复杂的结构中，为航天结构健康监测技术提供了一个可行的方案。
【专利说明】一种基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对工程结构健康的监测方法，尤其是涉及一种基于传感器网络 的工程结构健康监测方法。
【背景技术】
[0002]由于航天器使用条件的特殊性以及日益复杂的空间环境，航天结构极容易受到空 间碎片的撞击，而撞击产生的冲击力严重威胁着结构的安全与可靠性能。为了实时监测航 天结构的所处情况，对可能造成重大危险的冲击进行定位报警，结构健康监测技术得到了 航天领域越来越多的研究和关注。所谓健康监测技术，就是一门利用了集成在结构上的先 进传感器/驱动器网络，在线实时地获取与结构健康状况相关信息的技术。而只根据结构 上的传感器对结构载荷进行分析的技术，则又称为被动健康监测技术。与之相关的技术、产 品及系统在诸如航空、桥梁、船舶等领域已有大量的研究和应用。
[0003]传统的基于压电传感器的健康监测方法，通常利用了分布在结构上不同位置的压 电传感器，根据传感器采集到的信号推算出冲击达到时刻，最终结合冲击的传播速度计算 出冲击的位置。这种计算方法存在着极大的局限性与误差:
[0004](I)传统方法得到的冲击位置是以坐标的形式出现，不能直观的表现出冲击在结 构中的位置，且计算过程和实际测量中产生的误差无法体现。
[0005](2)传统方法只涉及三个传感器的信息，而对于拥有很多传感器信息的情况，计算 结果往往不唯一。而这些计算出来的多种结果相互独立，无法综合成最终的有效信息。
[0006](3)在航天结构上常见的加筋壁板结构中，由于冲击产生的弹性波在加强筋处会 产生复杂的反射和衍射，传统方法往往很难得到正确的结果。
[0007]所以传统方法难以应用在航天加筋壁板结构中。另一方面，由于冲击在结构中产 生的弹性波带有严重的频散效应，传播距离越长，冲击信息就越模糊，为了增加定位的精 度，必须增大传感器在结构中的密度，而大量的传感器信息会增大系统的计算空间和计算 时间。提出一种合理的被动健康监测方法，包含有效的传感器信息筛选策略，成为了健康监 测应用在航天结构上的重大需求。
【发明内容】
[0008]技术问题
[0009]本发明要解决的技术问题是提供针对现有的健康监测方法的不足，提供一种能够 用于工程结构中的冲击位置概率成像方法，该方法采用分布式的压电传感器网络采集结构 中不同位置的冲击信号，再进行后续的信息处理过程，最终结合概率成像方法以图像的形 式表示出冲击所在的位置，尤其适用于加筋壁板这类复杂的航天结构，能够有效准确地判 断冲击的危险等级并实时在线的进行危险冲击的定位。
[0010]技术方案
[0011]为了解决上述的技术问题，本发明的基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法，包括下列步骤:
[0012]步骤一:布置分布式传感器网络:在结构中均匀地布置压电传感器构成传感网络，并保证传感器覆盖待测工程结构的全部区域；
[0013]步骤二:通过步骤一布置的分布式传感器网络监测工程结构中不同位置处的信号，当结构受到冲击载荷后，记录一组受载后的结构信息。
[0014]步骤三:进行载荷危险判别:选择步骤二所得的一组传感信号中幅值最大的信号进行分析，利用傅里叶变换求解信号中不同频率的能量，若对结构安全产生影响的频带中含有超过危险判别阈值的成分，则预判此次冲击是危险的，并进入冲击位置确定的过程，否则忽略此次冲击，进入下一次冲击信号的采集过程，重复进行步骤二 ；
[0015]步骤四:进行特征信息提取:
[0016]对冲击信号进行固定中心频率和带宽的小波变换，提取出带宽分量，如下:
[0017]
【权利要求】
1.一种基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法，其特征在于，包括下列步骤:步骤一:布置分布式传感器网络:在结构中均匀地布置压电传感器构成传感网络，并保证传感器覆盖待测工程结构的全部区域；步骤二:通过步骤一布置的分布式传感器网络监测工程结构中不同位置处的信号，当结构受到冲击载荷后，记录一组受载后的结构信息。步骤三:进行载荷危险判别:选择步骤二所得的一组传感信号中幅值最大的信号进行分析，利用傅里叶变换求解信号中不同频率的能量，若对结构安全产生影响的频带中含有超过危险判别阈值的成分，则预判此次冲击是危险的，并进入冲击位置确定的过程，否则忽略此次冲击，进入下一次冲击信号的采集过程，重复进行步骤二；步骤四:进行特征信息提取:对冲击信号进行固定中心频率和带宽的小波变换，提取出带宽分量，如下:
2.如权利要求1所述的基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法，其特征在于，所述的工程结构为航天加筋壁板结构。
3.如权利要求1所述的冲击位置概率成像方法，其特征在于，所述的定位方法中冲击位置概率成像的步骤中引入了互相关函数来定义冲击位置时间差概率函数PoTD(t)。
4.如权利要求1所述的基于压电传感网络的工程结构冲击位置确定方法，其特征在于，传感器网络中相邻的两个传感器之间的间距小 于20cm。
【文档编号】G01M7/08GK103438794SQ201310352408
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】裘进浩, 张超, 王晓宇, 吴郁程, 孙维, 单胜博, 张立新 申请人:南京航空航天大学