一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，通过在监测结构上布置压电线阵，从而得到各激励-传感通道的损伤散射信号，再向损伤信号附加时间延迟，确定损伤的方向，最后根据信号到达时刻 t 确定损伤位置。本发明采用近场相控阵结构监测方法，能够识别出复杂结构中的微小损伤，且弥补了远场相控阵在监测距离上的局限性。
【专利说明】-种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程结构健康监测【技术领域】，特别涉及了一种基于压电阵列的近场相 控阵结构健康监测方法。
【背景技术】
[0002] 工程结构健康监测技术用来监测、诊断和预示连续运行工程系统的状态和故障， 保证工程设备安全运行，及时准确识别损伤将对保证工程系统安全运行、减少或避免灾难 性事故具有非常重要的意义。航空智能结构的健康监测技术需要在损伤发生的初期，实时 在线监测结构状态，识别结构中的损伤并进行准确定位，但大多数检测设备复杂，成本高， 费工费时，对一些性能比较复杂的材料结构，如复合材料结构，由于受噪声等影响，一些小 的损伤还不能很好地检测到。相控阵结构健康监测技术是通过控制每个压电元件的发射和 接收的时间延迟进而控制Lamb波波束扫描，实现对结构的多方位扫描，识别结构中存在的 损伤，Lamb波波束的聚焦可以大大提高信号的信噪比。相控阵理论要求监测对象位于传感 器阵列远场，进行结构健康监测的方法，该方法在其限定的监测距离范围内可以成功识别 结构中损伤，对原理性探索工作具有很大的帮助。但远场超声相控阵，在监测距离方面有一 定的限制，因此研究近场超声相控阵结构健康监测方法，可以弥补远场超声相控阵在监测 距离的局限性。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述【背景技术】提到的技术问题，本发明旨在提供一种基于压电阵列的近 场相控阵结构健康监测方法，采用近场相控阵结构监测方法，能够识别出复杂结构中的微 小损伤，且弥补了远场相控阵在监测距离上的局限性。
[0004] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0005] -种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，包括以下步骤：
[0006] (1)在待监测结构上布置由M个压电片组成的压电线阵，M个压电片依次定义序号 0 ?M-1 ;
[0007] (2)在结构健康状态下，将Lamb波窄带信号依次施加于压电线阵中的M个压电 片，当将Lamb波窄带信号施加于某一压电片时，该压电片作为激励器在结构中激发出激励 信号，而其余M-I个压电片均作为传感器分别接收结构中传播的响应信号，将1个激励器与 1个传感器合称为1个激励-传感通道，则一共获得MX (M-I)个激励-传感通道的响应信 号；
[0008] (3)在结构损伤状态下，重复步骤⑵；
[0009] (4)将步骤⑵得到的MX (M-I)个激励-传感通道的响应信号作为基准信号， 将步骤（3)得到的MX (M-I)个激励-传感通道的响应信号与对应的基准信号相减，得到 MX (M-I)个激励-传感通道的损伤散射信号；
[0010] (5)在压电线阵近场监测范围内，各激励-传感通道的损伤散射信号在角度监测 范围内每间隔A 0，且在距离监测范围内每间隔A e时进行相应的时间延迟，该时间延 迟称为角度-距离上的时间延迟，得到各激励_传感通道在监测范围内每个角度-距离上 的时间延迟后的损伤散射信号；其中，所述角度监测范围是[0°，180° ]，距离监测范围是 [0, L]，第i个压电片作为激励器的激励-传感通道的角度-距离上的时间延迟为：
[0011]
【权利要求】
1. 一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 在待监测结构上布置由M个压电片组成的压电线阵，M个压电片依次定义序号O? M-I ； (2) 在结构健康状态下，将Lamb波窄带信号依次施加于压电线阵中的M个压电片，当 将Lamb波窄带信号施加于某一压电片时，该压电片作为激励器在结构中激发出激励信号， 而其余M-I个压电片均作为传感器分别接收结构中传播的响应信号，将1个激励器与1个 传感器合称为1个激励-传感通道，则一共获得MX (M-I)个激励-传感通道的响应信号； (3) 在结构损伤状态下，重复步骤（2); (4) 将步骤（2)得到的MX (M-I)个激励-传感通道的响应信号作为基准信号，将步骤 (3)得到的MX (M-I)个激励-传感通道的响应信号与对应的基准信号相减，得到MX (M-I) 个激励-传感通道的损伤散射信号； (5) 在压电线阵近场监测范围内，各激励-传感通道的损伤散射信号在角度监测范围 内每间隔Λ Θ，且在距离监测范围内每间隔Λ ε时进行相应的时间延迟，该时间延迟称为 角度-距离上的时间延迟，得到各激励-传感通道在监测范围内每个角度-距离上的时间 延迟后的损伤散射信号；其中，所述角度监测范围是[0°，180° ]，距离监测范围是[0，L]， 所述角度-距离上的时间延迟为：
上式中，i表示作为激励器或传感器的压电片序号，r为监测点与近场相控阵坐标原点 之间的距离，Θ为监测点到近场相控阵坐标原点连线与X轴的夹角，c为Lamb波的波速，d 为压电线阵中相邻两压电片之间的距离； (6) 将各激励-传感通道的同一角度-距离上的时间延迟后的损伤散射信号进行累加 合成，得到各角度-距离上的合成信号，并进行归一化处理； (7) 比较各角度-距离上的归一化合成信号，幅值最大的合成信号所在的角度即为损 伤所在的方向，然后由幅值最大的合成信号的到达时刻以及该方向Lamb波波速计算出损 伤所在位置的半径，从而确定损伤的位置。
2. 根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在 于：步骤⑴中所述压电线阵的压电片个数M为9。
3. 根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在 于：步骤（2)中所述激励信号为窄带信号。
4. 根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在 于：在步骤（5)中，所述角度间隔Λ Θ为1° ;所述L = 3λ，λ为Lamb波的波长，距离间 隔Δ ε为1mm。
5. 根据权利要求1所述一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法，其特征在 于：步骤（5)中所述Lamb波的波速c是指Lamb波在结构中仅激发出AO模式时的传播群速 度。
【文档编号】G01N29/11GK104374830SQ201410697078
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】孙亚杰, 袁慎芳, 张永宏, 刘青山, 季赛 申请人:南京信息工程大学