一种复合材料平板结构冲击定位方法及系统

1.本发明涉及复合材料结构健康监测技术领域，尤其涉及一种复合材料平板结构冲击定位方法及系统。


背景技术：

2.复合材料相对于传统材料具有很多优势，例如高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等，使得复合材料结构在各种工程结构中应用的越来越广泛。由于复合材料的不均匀性和各向异性，造成其损伤形式与各向同性的金属材料有很大的不同。例如，受到外部冲击时复合材料结构表面几乎没有任何可见损伤，但其内部可能已经发生了严重损伤(例如层间分层、纤维断裂等)。因此，监测结构是否受到冲击是复合材料结构健康监测的重要内容之一，进一步对监测到的冲击进行定位，可以为复合材料结构有针对性地进行损伤检测提供极大便利。
3.通过声源定位技术检测结构冲击位置是结构冲击定位的常用方法，但是该传统的声源定位技术往往需要较多数量的传感器，造成定位系统复杂且可靠性较低。例如，基于波束形成的声源定位技术是通过不同传感器信号的构造性干扰来实现来波方向估计的，因此往往需要较多数量的传感器来保证定位精度。另外，波束形成技术还必须已知被测结构各个方向的波速才能进行来波方向估计。然而，各向异性的复合材料结构的波速因受纤维方向、基体材料等多种复杂因素影响，往往难以获得准确的波速信息。
4.因此，亟需一种全新的复合材料平板结构冲击定位方式，用以解决传统定位技术对复合材料平板结构进行冲击定位时所需传感器数量较多、依赖难以获取的波速信息、实用性不强的问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种复合材料平板结构冲击定位方法及系统，能有效解决传统定位技术对复合材料平板结构进行冲击定位时所需传感器数量较多、依赖难以获取的波速信息、实用性不强的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种复合材料平板结构冲击定位方法，所述方法包括以下步骤：
7.实时获取复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中的六个压电传感器传递过来的信号；其中，一个传感器阵列中的三个压电传感器成等腰直角三角形安装在所述复合材料平板结构的一角，另一个传感器阵列中的三个压电传感器以板平面中轴线为对称轴在所述复合材料平板结构的另一角对称设置成相应的等腰直角三角形；
8.根据实时获取的六个压电传感器传递过来的信号，确定出所述六个压电传感器传递过来的信号同时满足预定条件的时刻，并以所确定的时刻为起点，向后记录出两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间；
9.基于两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间，并结合两个传感
器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系，计算出冲击点分别相对于两个传感器阵列的来波方向，以进一步得到冲击点位置。
10.其中，所述预定条件为任一压电传感器传递过来的信号的绝对值均等于预设阈值。
11.其中，所述各压电传感器接收到冲击波信号的时间均为相应波形中首个波峰到达的时刻。
12.其中，所述基于两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间，并结合两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系，计算出冲击点分别相对于两个传感器阵列的来波方向，且进一步得到冲击点的位置的具体步骤包括：
13.获取两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系；其中，两个传感器阵列包括传感器阵列a1和传感器阵列a2；所述传感器阵列a1的几何位置关系为压电传感器s1位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s2形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s3形成等腰直角三角形的垂直直角边；所述传感器阵列a2的几何位置关系为压电传感器s4位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s5形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s6形成等腰直角三角形的垂直直角边；
14.在所述传感器阵列a1中，将压电传感器s2接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第一时间差，并将压电传感器s3接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第二时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1；其中，δt
12
为所述第一时间差；δt
13
为所述第二时间差；
15.在所述传感器阵列a2中，将压电传感器s5接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第三时间差，并将压电传感器s6接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第四时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2；其中，δt
45
为所述第三时间差；δt
46
为所述第四时间差；
16.基于所述传感器阵列a1中的压电传感器s1的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1为水平方位角，引出一条射线，并基于所述传感器阵列a2中的压电传感器s4的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2为水平方位角，引出另一条射线，且进一步找到两条射线的交点确定为冲击点位置。
17.其中，所述两个传感器阵列中的六个压电传感器的结构相同，均采用圆形锆钛酸铅压电陶瓷片制作而成，并通过快干强力胶粘贴在所述复合材料平板结构上；其中，所述六个压电传感器的直径均为所述复合材料平板结构的厚度的2-5倍。
18.其中，所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边分别与所述复合材料平板结构的相邻两边平行，且所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边的长度为所述压电传感器的直径的2-3倍。
19.本发明实施例还提供了一种复合材料平板结构冲击定位系统，包括：
20.信号获取单元，用于实时获取复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中的六个压电传感器传递过来的信号；其中，一个传感器阵列中的三个压电传感器成等腰直角三角形安装在所述复合材料平板结构的一角，另一个传感器阵列中的三个压电传感器以板平面中轴线为对称轴在所述复合材料平板结构的另一角对称设置成相应的等腰直角三角形；
21.冲击时刻识别单元，用于根据实时获取的六个压电传感器传递过来的信号，确定出所述六个压电传感器传递过来的信号同时满足预定条件的时刻，并以所确定的时刻为起点，向后记录出两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间；
22.冲击点定位单元，用于基于两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间，并结合两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系，计算出冲击点分别相对于两个传感器阵列的来波方向，以进一步得到冲击点位置。
23.其中，所述冲击点定位单元包括：
24.位置关系确定模块，用于获取两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系；其中，两个传感器阵列包括传感器阵列a1和传感器阵列a2；所述传感器阵列a1的几何位置关系为压电传感器s1位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s2形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s3形成等腰直角三角形的垂直直角边；所述传感器阵列a2的几何位置关系为压电传感器s4位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s5形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s6形成等腰直角三角形的垂直直角边；
25.来波方向第一计算模块，用于在所述传感器阵列a1中，将压电传感器s2接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第一时间差，并将压电传感器s3接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第二时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1；其中，δt
12
为所述第一时间差；δt
13
为所述第二时间差；
26.来波方向第二计算模块，用于在所述传感器阵列a2中，将压电传感器s5接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第三时间差，并将压电传感器s6接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第四时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2；其中，δt
45
为所述第三时间差；δt
46
为所述第四时间差；
27.冲击点位置定位模块，用于基于所述传感器阵列a1中的压电传感器s1的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1为水平方位角，引出一条射线，并基于所述传感器阵列a2中的压电传感器s4的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2为水平方位角，引出另一条射线，且进一步找到两条射线的交点确定为冲击点位置。
28.其中，所述两个传感器阵列中的六个压电传感器的结构相同，均采用圆形锆钛酸铅压电陶瓷片制作而成，并通过快干强力胶粘贴在所述复合材料平板结构上；其中，所述六个压电传感器的直径均为所述复合材料平板结构的厚度的2-5倍。
29.其中，所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边分别与所述复合材料平板结构的相邻两边平行，且所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边的长度为所述压电传感器的直径的2-3倍。
30.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
31.本发明将两个三角形压电传感器阵列安装在复合材料平板结构一端的两个角上，通过连续监测各压电传感器信号是否符合预定条件(如信号的绝对值是否达到预设阈值)来判断复合材料平板结构是否受到外物冲击，并利用传感器阵列中各个压电传感器接收到冲击波信号的时间差，结合传感器阵列间的几何位置关系，计算冲击点相对于两传感器阵列的夹角，进而确定冲击位置，既可以减少传感器数量，降低监测系统的复杂程度和成本，又可以定性监测复合材料平板结构及发生外物冲击时快速定位冲击位置，缩小了复合材料损伤的重点探测范围，大大提高了后续损伤检测工作的效率，同时无需被测复合材料结构的材料参数和不同方向上的波速等先验知识即可准确定位冲击点，具有很高的实用性，因此能有效解决传统定位技术对复合材料平板结构进行冲击定位时所需传感器数量较多、依赖难以获取的波速信息、实用性不强的问题。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
33.图1为本发明实施例提供的一种复合材料平板结构冲击定位方法的流程图；
34.图2为本发明实施例提供的一种复合材料平板结构冲击定位方法中计算设备通过数据采集仪与复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中六个压电传感器相连的示意图；
35.图3为本发明实施例提供的一种复合材料平板结构冲击定位方法的应用场景中六个压电传感器s1～s6接收到冲击波信号的时间的对比图；
36.图4为本发明实施例提供的一种复合材料平板结构冲击定位方法的应用场景中冲击点定位的示意图；
37.图5为本发明实施例提供的一种复合材料平板结构冲击定位系统的结构示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
39.如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种复合材料平板结构冲击定位方法，其在通过数据采集仪与复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中的六个压电传感器均相连的计算设备(如图2所示)上实现，所述方法包括以下步骤：
40.步骤s1、实时获取复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中的六个压电传感器传递过来的信号；其中，一个传感器阵列中的三个压电传感器成等腰直角三角形安装在所述复合材料平板结构的一角，另一个传感器阵列中的三个压电传感器以板平面中轴线为对称轴在所述复合材料平板结构的另一角对称设置成相应的等腰直角三角形；
41.步骤s2、根据实时获取的六个压电传感器传递过来的信号，确定出所述六个压电传感器传递过来的信号同时满足预定条件的时刻，并以所确定的时刻为起点，向后记录出两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间；
42.步骤s3、基于两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间，并结合两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系，计算出冲击点分别相对于两个传感器阵列的来波方向，以进一步得到冲击点位置。
43.具体过程为，在步骤s1之前，在复合材料平板结构上，传感器阵列a1和传感器阵列a2；其中，传感器阵列a1和传感器阵列a2中的六个压电传感器s1～s6的结构相同，均采用圆形锆钛酸铅压电陶瓷片制作而成，并通过快干强力胶粘贴在复合材料平板结构上，这六个压电传感器s1～s6的直径均为复合材料平板结构的厚度的2-5倍，且进一步用导线将这六个压电传感器s1～s6依次连接至数据采集仪的六个输入通道之后，接入计算设备中。此时，传感器阵列a1中的三个压电传感器s1～s3成等腰直角三角形安装在复合材料平板结构的一角(如图2的左下角)，传感器阵列a2中的三个压电传感器s4～s6以板平面中轴线为对称轴在复合材料平板结构的另一角对称设置成相应的等腰直角三角形(如图2的左上角)。这两个等腰直角三角形的两直角边分别与复合材料平板结构的相邻两边平行，且这两个等腰直角三角形的两直角边的长度为压电传感器s1～s6的直径的2-3倍。
44.在一个例子中，压电传感器s1位于传感器阵列a1中等腰直角三角形的直角点上，其与压电传感器s2形成传感器阵列a1中等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s3形成传感器阵列a1中等腰直角三角形的垂直直角边；压电传感器s4位于传感器阵列a2中等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s5形成传感器阵列a2中等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s6形成传感器阵列a2中等腰直角三角形的垂直直角边。
45.在步骤s1中，数据采集仪连续采集这六个压电传感器s1～s6输出的电压模拟信号，并以1mhz的采样频率将模拟信号转换为数字信号，用带通滤波器过滤初始信号，滤波处理后的信号送往计算设备中，使得该计算设备能实时获取这六个压电传感器s1～s6传递过来的信号。
46.在步骤s2中，连续监测滤波后这六个压电传感器s1～s6输出信号是否满足预设条件；其中，该预定条件为任一压电传感器传递过来的信号的绝对值均等于预设阈值。
47.若信号的绝对值都小于该预设阈值，则说明复合材料平板结构没有受到冲击，继续监测；若信号的绝对值都达到该预设阈值，说明复合材料平板结构受到了冲击，开始进行冲击定位，并确定都达到该预设阈值的时刻。
48.从确定都达到该预设阈值的时刻值起，开始向后搜寻这六个压电传感器s1～s6接收到冲击波信号的时间，例如，初次达到的极值点并记录其时刻t1、t2、t3、t4、t5、t6，即信号波形中首个波峰到达的时刻，如图3所示。图3中，上图为传感器阵列a1包含的电压信号，下图为传感器阵列a2包含的电压信号。信号前段幅值几乎为零，后段出现明显波动且绝对值超越了预设阈值，说明冲击波传导至压电传感器后引起了压电传感器输出电压增高(压电效应)。
49.在步骤s3中，首先，获取两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系；其中，两个传感器阵列包括传感器阵列a1和传感器阵列a2；传感器阵列a1的几何位置关系为压电传感器s1位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s2形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s3形成等腰直角三角形的垂直直角边；传感器阵列a2的几何位置关系为压电传感器s4位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s5形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s6形成等腰直角三角形
的垂直直角边；
50.其次，在传感器阵列a1中，将压电传感器s2接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第一时间差δt
12
，并将压电传感器s3接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第二时间差δt
13
，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1；
51.然后，在传感器阵列a2中，将压电传感器s5接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第三时间差δt
45
，并将压电传感器s6接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第四时间差δt
46
，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2；
52.最后，基于传感器阵列a1中的压电传感器s1的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1为水平方位角，引出一条射线，并基于传感器阵列a2中的压电传感器s4的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2为水平方位角，引出另一条射线，且进一步找到两条射线的交点确定为冲击点位置，如图4所示。图4中，从传感器阵列a1、a2以夹角θ1、θ2引两射线，两直线的交点即为冲击点估计位置。
53.在一个实例中，实验参数如下：复合材料平板结构尺寸900x900x2.5mm、压电传感器直径10mm、压电传感器厚度1mm、等腰直角三角形压电传感器阵列直角边长度30mm。由公式和可以计算出传感器阵列a1接收到的冲击波的来波方向角为53.4
°
，传感器阵列a2接收到的冲击波的来波方向角为55.3
°
；以两个传感器阵列a1、a2的直角顶点为端点引两条射线所得交点位置与实际冲击位置仅相差9mm，说明了本发明的冲击定位方法具有较好的精度，值得推广应用。
54.如图5所示，为本发明实施例中，提供的一种复合材料平板结构冲击定位系统，包括：
55.信号获取单元110，用于实时获取复合材料平板结构上所设两个传感器阵列中的六个压电传感器传递过来的信号；其中，一个传感器阵列中的三个压电传感器成等腰直角三角形安装在所述复合材料平板结构的一角，另一个传感器阵列中的三个压电传感器以板平面中轴线为对称轴在所述复合材料平板结构的另一角对称设置成相应的等腰直角三角形；
56.冲击时刻识别单元120，用于根据实时获取的六个压电传感器传递过来的信号，确定出所述六个压电传感器传递过来的信号同时满足预定条件的时刻，并以所确定的时刻为起点，向后记录出两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间；
57.冲击点定位单元130，用于基于两个传感器阵列中各压电传感器接收到冲击波信号的时间，并结合两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系，计算出冲击点分别相对于两个传感器阵列的来波方向，以进一步得到冲击点位置。
58.其中，所述冲击点定位单元130包括：
59.位置关系确定模块，用于获取两个传感器阵列中各压电传感器在相应等腰直角三角形间的几何位置关系；其中，两个传感器阵列包括传感器阵列a1和传感器阵列a2；所述传感器阵列a1的几何位置关系为压电传感器s1位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电
传感器s2形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s3形成等腰直角三角形的垂直直角边；所述传感器阵列a2的几何位置关系为压电传感器s4位于等腰直角三角形的直角点上，且其与压电传感器s5形成等腰直角三角形的水平直角边，其与压电传感器s6形成等腰直角三角形的垂直直角边；
60.来波方向第一计算模块，用于在所述传感器阵列a1中，将压电传感器s2接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第一时间差，并将压电传感器s3接收到冲击波信号的时间与压电传感器s1接收到冲击波信号的时间相减，得到第二时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1；其中，δt
12
为所述第一时间差；δt
13
为所述第二时间差；
61.来波方向第二计算模块，用于在所述传感器阵列a2中，将压电传感器s5接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第三时间差，并将压电传感器s6接收到冲击波信号的时间与压电传感器s4接收到冲击波信号的时间相减，得到第四时间差，且通过公式得到冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2；其中，δt
45
为所述第三时间差；δt
46
为所述第四时间差；
62.冲击点位置定位模块，用于基于所述传感器阵列a1中的压电传感器s1的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a1的来波方向θ1为水平方位角，引出一条射线，并基于所述传感器阵列a2中的压电传感器s4的直角点为起点和冲击点相对于传感器阵列a2的来波方向θ2为水平方位角，引出另一条射线，且进一步找到两条射线的交点确定为冲击点位置。
63.其中，所述两个传感器阵列中的六个压电传感器的结构相同，均采用圆形锆钛酸铅压电陶瓷片制作而成，并通过快干强力胶粘贴在所述复合材料平板结构上；其中，所述六个压电传感器的直径均为所述复合材料平板结构的厚度的2-5倍。
64.其中，所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边分别与所述复合材料平板结构的相邻两边平行，且所述两个传感器阵列构成的等腰直角三角形的两直角边的长度为所述压电传感器的直径的2-3倍。
65.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
66.本发明将两个三角形压电传感器阵列安装在复合材料平板结构一端的两个角上，通过连续监测各压电传感器信号是否符合预定条件(如信号的绝对值是否达到预设阈值)来判断复合材料平板结构是否受到外物冲击，并利用传感器阵列中各个压电传感器接收到冲击波信号的时间差，结合传感器阵列间的几何位置关系，计算冲击点相对于两传感器阵列的夹角，进而确定冲击位置，既可以减少传感器数量，降低监测系统的复杂程度和成本，又可以定性监测复合材料平板结构及发生外物冲击时快速定位冲击位置，缩小了复合材料损伤的重点探测范围，大大提高了后续损伤检测工作的效率，同时无需被测复合材料结构的材料参数和不同方向上的波速等先验知识即可准确定位冲击点，具有很高的实用性，因此能有效解决传统定位技术对复合材料平板结构进行冲击定位时所需传感器数量较多、依赖难以获取的波速信息、实用性不强的问题。
67.值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
68.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
69.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。