基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法

本发明涉及结构健康监测领域，特别涉及复合材料筒段超声导波损伤诊断方法。

背景技术：

1、筒段结构广泛应用于机身舱段、火箭贮箱、导弹发射筒等大型筒形装置，其构造复合材料化已成为结构轻质化发展的重要方向。与传统金属筒段结构相比，复合材料损伤的发生与扩展更具隐蔽性和突然性，因此需要开展复合材料筒段结构的损伤在线监测研究。基于压电传感器的超声导波技术具有覆盖范围大、监测效率高等技术优势，适用于大尺度结构的损伤诊断方法开发。其基本原理是在结构上布设分布式压电传感器网络，通过激励驱动器产生超声导波并由其余传感器则接收超声导波信号，通过监测各路径导波信号在损伤状态前后的变化对监测区域的损伤情况进行评价。

2、目前针对复合材料结构进行超声导波损伤诊断应用时，多为在已经成型的复合材料结构表面进行压电传感器安装，这会受到复合材料结构表面形状和结构装配情况的影响，导致传感器网络布置受到限制。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服现有技术存在的问题中的至少一种，提供一种改进的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法。

2、为此，本申请的一些实施例提供了一种基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，该方法包括步骤：形成所述复合材料筒段，其中所述复合材料筒段的预设厚度内布设传感器网络，并提供连接所述传感器网络的接口；通过所述接口将所述传感器网络与超声导波设备相连，使用所述超声导波设备的信号激励部分提供激励信号并通过所述传感器网络在筒段结构中产生基准超声导波信号和实时超声导波信号，并由所述超声导波设备的信号接收部分获取由所述传感器网络采集的所述基准超声导波信号和实时超声导波信号；其中所述基准超声导波信号为在复合材料筒段结构完整性良好状态下采集所述传感器网络的超声导波传播路径上的超声导波信号；其中所述实时超声导波信号为在试验环境或在役环境下实时采集的所述传感器网络的所述超声导波传播路径上的超声导波信号；通过将所述实时超声导波信号与所述基准超声导波信号计算路径损伤因子，逐个计算每个传播路径各自的路径损伤因子，基于所有计算得到的路径损伤因子，通过加权成像算法进行损伤概率重构成像，从而实现所述复合材料筒段的损伤位置的诊断。

3、在一些实施例中，形成所述复合材料筒段的步骤包括：根据所述复合材料筒段的结构尺寸进行基于至少四个传感器的传感器网络布局设计，然后通过将所述传感器的传感单元及连接所述传感单元电极的导线内嵌于绝缘材料中构成传感器网络，用于埋入所述所述复合材料筒段；进行所述复合材料筒段的缠绕制作，在缠绕到达预定厚度之后，将所述传感器网络按照布局设计位置安装在所述预定厚度的结构表面；所述传感器网络安装完成后，继续进行复合材料铺带的缠绕直至将传感器网络除所述接口预留位置外完全包裹；以及对所述复合材料筒段进行高温高压固化成型。

4、在一些实施例中，将所述传感器网络被设置为使得其超声导波传播路径覆盖被监测区域。

5、在一些实施例中，所述传感器是压电传感器，所述传感单元是压电晶片，所述导线是铜箔导线，从而构成柔性传感器网络。

6、在一些实施例中，所述复合材料是碳纤维树脂基复合材料。

7、在一些实施例中，所述激励信号被选择为经汉宁窗调制的多周期正弦信号。

8、在一些实施例中，所述路径损伤因子为所述基准超声导波信号的时域能量与所述基准超声导波信号和所述实时超声导波信号之间的差异信号的时域能量的比值

9、在一些实施例中，还包括将得到的所述基准超声导波信号数据构建基准数据库并存储，以及从所述基准数据库读取所述基准超声导波信号用于计算所述损伤因子。

10、本申请中的实施例中的方法利用埋入式传感器网络设计，将传感器安装过程与复合材料结构成型过程相结合，可实现复合材料筒段的实时损伤诊断、和/或指定区域损伤诊断、和/或大面积覆盖损伤诊断中的至少一点。概括而言，其优点主要体现在以下三个方面：第一，本申请的实施例中的方法利用超声导波的优势，无需对复合材料筒段进行全范围的逐点检测，仅需通过传感器网络实现监测区域覆盖，节约了大量检测时间成本。第二，本申请的实施例中的方法通过集成埋入到结构内的传感器网络，例如柔性传感器网络实时采集多路径信号，能够准确地诊断损伤位置,解决了复合材料筒段中损伤实时监测问题，为其结构安全性评估提供数据支撑。第三，本申请的实施例中的方法充分运用损伤导致超声导波信号变化的特点，将实时监测信号与无损基准超声导波信号对比，通过计算路径损伤因子实现复合材料筒段结构损伤诊断的自动化和智能化。

技术特征：

1.一种基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征在于：包括步骤：

2.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，形成所述复合材料筒段的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述传感器是压电传感器，所述传感单元是压电晶片，所述导线是铜箔导线，从而构成柔性传感器网络。

4.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，将所述传感器网络被设置为使得其超声导波传播路径覆盖被监测区域。

5.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述复合材料是碳纤维树脂基复合材料。

6.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述激励信号被选择为经汉宁窗调制的多周期正弦信号。

7.根据权利要求6所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述多周期正弦信号为s(t)＝0.5*(1-cos(2πf0t/n))sin(2πf0t)，其中，f0为激励中心频率，n为周期数，t是时间。

8.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述路径损伤因子为所述基准超声导波信号的时域能量与所述基准超声导波信号和所述实时超声导波信号之间的差异信号的时域能量的比值。

9.根据权利要求8所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述损伤概率p(x,y)的计算公式如下为其中第i条路径的椭圆加权分布函数wii[ri(x,y)]由非负线性递减函数定义，其中ri(x,y)为坐标点到路径的距离，β是关于椭圆分布区域大小的控制参数。

10.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，并基于得到的所述基准超声导波信号数据构建基准数据库并存储，以及从所述基准数据库读取所述基准超声导波信号用于计算所述损伤因子。

技术总结
本申请公开了基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其包括采用铺带工艺进行复合材料筒段结构缠绕制作，将柔性传感器网络布置在筒段的预定厚度的结构表面；继续进行铺带缠绕实现传感器网络的埋入，进行一体化固化成型；安装传感器网络的接口，连接超声导波设备进行信号的激励和采集；采集结构无损超声导波信号构建基准数据库，通过实时信号与基准超声导波信号对比实现结构损伤诊断。利用本申请的方法可对复合材料筒段进行全寿命健康监测，可具有实时损伤诊断的特点。

技术研发人员：武湛君,张佳奇,杨正岩,马书义,杨宇,杨雷
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14