相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种相控阵定量化损伤监测 方法、装置和系统。
【背景技术】
[0002] 随着对结构安全性和可靠性要求的日益提高，结构健康监测逐渐受到重视。相控 阵损伤监测方法利用各扫查角度上波束合成的Lamb波监测信号，可快速对结构进行大面 积虚拟全向扫描成像，给出结构损伤信息，受到损伤监测研宄者的广泛关注。
[0003] 然而，在实际应用相控阵损伤监测时，Lamb波频散特性很容易使信号波形发生扩 展和变形，严重影响了相控阵波束合成过程，降低了相控阵成像结果的准确度和分辨率，并 使后续损伤信息的定量化评估变得非常困难。
[0004] 目前一般通过优化Lamb波监测信号以降低频散效应，但这种方法并不能完全消 除频散效应的影响，并限制了监测信号中心频率的选择。为了较好消除频散效应对相控阵 监测结果的影响，研宄者们结合Lamb波频散补偿处理，提出了两种改进的相控阵波束合成 方法。
[0005] 第一种方法是在波束合成前，对各损伤散射信号进行时间一距离域映射的频散补 偿处理，然后再进行波束合成，得到波束合成信号；或者先对损伤散射信号进行波束合成， 然后对波束合成信号进行时间一距离域映射处理。
[0006] 第二种方法则先对各损伤散射信号进行线性映射的频散补偿处理，然后将补偿后 的散射信号进行时域波束合成。
[0007] 上述第一种方法存在的缺陷在于：采用时间一距离域映射频散补偿方式，很容易 引起波束合成信号的波形发生畸变，为后续信号分析和解释造成困难。
[0008] 上述第二种方法虽然能恢复各散射信号中波包的包络形状，但无法使波包内部的 初始相位保持一致，当监测范围扩大时，这种相位不一致性将无法忽略，从而降低后续时域 波束合成的准确度。而且，当前相控阵损伤监测方法一般仅给出成像结果，较少定量化给出 损伤位置和严重程度等信息。
【发明内容】
[0009] 本发明实施例提供一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统，以优化相控阵 损伤监测方法。
[0010] 第一方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测方法，包括：
[0011] 采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；
[0012] 根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；
[0013] 针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号 进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；
[0014] 基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿 处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
[0015] 利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；
[0016] 从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
[0017] 第二方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测装置，包括：信号采集 模块、波束合成处理模块和损伤识别模块；
[0018] 其中，所述信号采集模块用于采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的 Lamb波传感信号；
[0019] 所述波束合成处理模块具体包括：损伤散射信号获取单元、频域波束合成单元和 频散补偿处理单元；
[0020] 所述损伤散射信号获取单元用于根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号， 获取各压电片对的损伤散射信号；
[0021] 所述频域波束合成单元用于针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对 各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频 谱；
[0022] 所述频散补偿处理单元用于基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束 合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
[0023] 所述损伤识别模块具体包括：损伤成像单元和损伤信息提取单元；
[0024] 所述损伤成像单元用于利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像， 得到成像结果；
[0025] 所述损伤信息提取单元用于从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤 信息。
[0026] 第三方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测系统，包括：被测结构 对应的压电密集阵和信号发生与采集器，还包括：本发明任意实施例提供的相控阵定量化 损伤监测装置。
[0027] 本发明实施例提供一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统，通过频域波束 合成和考虑波形修正的频散补偿处理，既消除了频散效应对波束合成过程的影响，又避免 频散补偿处理后的波束合成信号波形发生畸变，便于信号解释和后续相控阵高分辨损伤成 像；在高分辨损伤成像的基础上进一步进行了损伤信息提取，可直接定量化给出损伤位置 和严重程度这两种损伤信息。
【附图说明】
[0028] 为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介 绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029] 图1为本发明实施例一提供的一种相控阵定量化损伤监测方法的流程示意图；
[0030] 图2为本发明实施例一的实例中铝板试件中压电片和模拟裂纹在直角坐标系中 的分布情况；
[0031] 图3为本发明实施例一的实例中的激励信号的示意图；
[0032] 图4为本发明实施例一的实例中压电片P12中的损伤散射信号s 12(t) (IOmm裂纹） 的不意图；
[0033] 图5为本发明实施例一的实例中理论计算的原始波数Kci(Q)的示意图；
[0034] 图6为本发明实施例一的实例中的线性化波数Klin(?)的示意图；
[0035] 图7为本发明实施例一的实例中的频域插值弯折函数Ω1?η(ω)的示意图；
[0036] 图8为本发明实施例一的实例中损伤角度38°下先进行频域波束合成再进行考 虑波形修正的频散补偿得到的结果glin(38°，t) (IOmm裂纹）的效果图；
[0037] 图9为现有技术中损伤角度38°下直接对损伤散射信号进行波束合成的结果 g0(38。，t) (IOmm 裂纹）；
[0038] 图10为现有技术中损伤角度38°下先进行时间一距离域映射频散补偿处理再进 行波束合成得到的结果gllin(38°，r)(10mm裂纹）；
[0039] 图11为现有技术中损伤角度38°下先进行波束合成再进行时间一距离域映射频 散补偿处理得到的结果g2lin(38°，r)(10mm裂纹）；
[0040] 图12为现有技术中损伤角度38°下先进行线性映射频散补偿处理再进行波束合 成得到的结果g3lin(38°，t) (IOmm裂纹）；
[0041] 图13为本发明实施例一的实例中的相控阵高分辨损伤成像结果（IOmm裂纹）；
[0042] 图14为本发明实施例一的实例中裂纹长度与尺度因子之间的变化曲线；
[0043] 图15为本发明实施例二提供的一种相控阵定量化损伤监测装置的结构示意图；
[0044] 图16为本发明实施例三提供的一种相控阵定量化损伤监测系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045] 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实施例 中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的 限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图 中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0046] 实施例一
[0047] 请参阅图1，为本发明实施例一提供的一种相控阵定量化损伤监测方法的流程示 意图。本发明实施例的方法可以由配置以硬件和/或软件实现的相控阵定量化损伤监测装 置来执行，该实现装置可配置在包含有被测结构对应的压电密集阵和信号发生与采集器的 相控阵定量化损伤监测系统中。
[0048] 以对铝板结构中裂纹的相控阵定量化监测作为实例，对本发明实施例的方法进行 说明。但本实施例中的被测结构并不限于实例中的铝板结构。
[0049] 首先介绍该被测结构，为飞行器中常用的2024铝板结构，尺寸为 1200mm X 1000mm X 2mm，材料参数见表1。在铝板中央布置有10个圆形压电片Pf P1Q (PZT5， 直径为6. 35mm，厚度为0. 25mm)组成最基本的线性压电密集阵，压电片间距均为10mm。以线 性压电密集阵中心为原点，密集阵所在直线为X轴，建立直角坐标系。在铝板右边沿垂直于 边沿方向锯出不同长