一种基于Lamb波信号相关系数的多区域损伤检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于Lamb波信号相关系数的多区域损伤检测方法，属于结构健 康监测技术。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的飞速发展，飞行器的服役时间逐渐延长，无损检测技术不能满足 结构实时、连续的监测要求。结构健康监测技术通过布置在结构上的传感器，激励出Lamb 波，接收Lamb波在结构中传播的信号，对接收到的信号进行分析和处理，得出结构的健康 状况。该技术能够不需要拆卸结构，并能实时地监测结构的健康状况，因此结构健康监测技 术得到了极大重视。目前基于Lamb波的主动健康监测技术是目前板状结构健康监测的研 究热点。
[000引结构中的Lamb波在传播中遇到损伤时，会向各个方向散射，目前现有的基于Lamb波飞行时间的方法，通过提取散射Lamb波到达的时间，根据距离、时间和速度之间的关系， 就可W使用多种方法来确定损伤的位置。但Lamb波的频散特性和模态转换会导致Lamb波 时域信号失真，而且有许多模态重叠，直接通过时域Lamb波信号难W准确地判断到达的时 间，各向异性的复合材料结构会进一步加剧该一困难。时频分析可W捕捉信号的时域和频 域特性，提高了Lamb波到达时间的提取精度。时频分析需要利用复杂的信号处理方法，如 小波变换，而且对信号的质量要求较高，W免散射信号淹没在环境噪声中导致识别失败。另 一方面，该方法只能识别出单损伤，对于多损伤的识别还存在着不足。
【发明内容】
[0004] 发明目的；为了降低环境噪声对损伤识别效果的影响和对采集较高信号质量的要 求，实现对结构中的多处损伤的有效识别，本发明提供了一种基于Lamb波信号相关系数的 多区域损伤检测方法，通过在结构中布置传感器阵列，将监测区域分割成两个基本监测单 元，采用基于信号相关系数的方法对基本监测单元进行损伤识别，进而对监测区域进行损 伤成像。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于Lamb波信号相关系数的多区域损伤检测方法，包括如下步骤：
[0007] (1)在平板结构上布置3行3列的压电传感器矩形阵列，第一行压电传感器由左 至右的标号依次为1、2、3,第二行压电传感器由左至右的标号依次为4、5、6,第=行压电传 感器由左至右的标号依次为7、8、9 ;将第一行和第二行的六个压电传感器组成的长方形区 域作为第一个基本检测单元，将第二行和第=行的六个压电传感器组成的长方形区域作为 第二个基本检测单元；在平板结构上建立XOY坐标系，任意点P的位置采用坐标点（X，y)表 示；
[000引 （2)W第i个压电传感器为激励端，W第j个压电传感器为响应端，采集第i 个压电传感器和第j个压电传感器之间激励-响应的路径信号Sy，考虑波动传播中互 易性原则（在相同激励的情况下，当激励端口和响应端口互换位置时，响应不因该种互 换而有所改变的特性），有Su=Sj,，因此；对于第一个基本检测单元采集路径信号Su， 其中1《i《6, 1《j《6且j〉i;对于第二个基本检测单元采集路径信号Sy，其中 4《i《9, 4《j《9且j〉i;路径信号Su的激励信号为加载在第i个压电传感器上的窄 带波激励信号，该窄带波激励信号在平板结构中激励出包含S。模态信号和A。模态信号的 Lamb波，S。模态信号为Lamb波中传播速度最快的信号，A。模态信号为Lamb波中传播速度 最慢的信号；
[0009] (3)设定信号采集频率f，根据Lamb波在平板结构中的传播速度，结合第i个压电 传感器和第j个压电传感器之间的距离，对路径信号Su进行截断处理，具体为；计算S。模 态信号从第i个压电传感器出发到被第j个压电传感器接收时的时长ts。，根据信号采集频 率f将ts。转换为信号采集点数mS。，将ms。作为截断信号的起点；计算A。模态信号从第i个 压电传感器出发到被第j个压电传感器接收时的时长tA。，根据信号采集频率f将tw转换为 信号采集点数niA。，同时补偿Lamb波的波宽长度对应的信号采集点数n，考虑Lamb波存在弥 散效应，将n乘W-个放大倍数q，将％。+qXn作为截断信号的终点，截断信号的长度为num =(1%1+qXn) -ms(i+l;W信号采集频率f采集路径信号Sy，记录第msci个采集点到第niAci+qXn 个采集点的信号，将平板结构受损前采集到的经截断处理后的第k个信号表示为ak，将平板 结构受损后采集到的经截断处理后的第k个信号表示为bk，计算相关系数PU;
[001引 （4)定义损失指标DI。为；DI。=1-PU;
[0013] (5)在平板结构上划分出一个包含所有压电传感器的区域作为成像区域，计 算任意点P到路径信号Sy的激励端和响应端距离之和与激励端和响应端间距的比值 畑U(X，y)，即；
[0014]
[001引其中，（X，y)表示任意点P的坐标，（X。y;)表示第i个压电传感器（激励端）的 坐标，（Xj.，yP表示第j个压电传感器（响应端）的坐标；
[0016]做计算Rij(X，y)，即；
[0017]
[001引其中，0略微大于1 (比如1. 02)，表示控制路径信号S。影响范围的尺度因子，0 的大小为楠圆离屯、率的倒数，所述楠圆是W第i个压电传感器和第j个压电传感器作为两 个焦点的楠圆，该楠圆上任一点到该两个焦点的距离之和与两个焦点间的距离之比为0 ;
[0019] (7)W0. 2DIm。,为阔值，对所有DIu进行修正：若DI0. 2DIm。,，则认为第i个压 电传感器和第j个压电传感器之间的路径离损伤较远，将DIu置0 ;若DI。〉0. 2DIm"，则认为 第i个压电传感器和第j个压电传感器之间的路径在损伤附近，维持DIu值不变；更新完所 有DIu后进入步骤（8)进行损伤成像算法的计算，其中DIm"为所有DI。中的最大值；
[0020] 做计算成像区域内任意点P存在损伤的概率：
[0021]
[002引其中，P(x，y)表示坐标点（X，y)存在损伤的概率，Pu(x，y)表示由第i个压电传 感器和第j个压电传感器之间的路径计算所得到的坐标点（x，y)存在损伤的概率，a为图 像增强因子（用W提高损伤区域与无损伤区域的对比度）；
[0023] 将得到的P(x，y)按照数值的大小用颜色亮度表示出来，成像后颜色最亮处就是 损伤所处位置。
[0024] 有益效果；本发明提供的基于Lamb波信号相关系数的多区域损伤检测方法，相对 于现有技术，具有如下优势；1、本发明提出了一种信号段长度自适应的方法，不需要人为确 定信号段长度，增强了损伤识别效果，减小了人为误差；2、本发明不需要利用复杂的信号处 理方法和去噪技术来提取损伤信号的到达时间，只需知道Lamb波在结构中的大致传播速 度，并且对信号的质量要求较低，降低了对结构所处环境的要求；3、本发明在检测区域内存 在两个损伤的情况下，系统仍能检测到真实损伤，并能将损伤位置成像，直观明了地显示出 损伤的位置和大致大小。
【附图说明】
[0025] 图1为实例中压电传感器的布置阵列和模拟损伤的照片；
[0026] 图2为实施例使用的激励信号；
[0027] 图3为实施例中模拟双损伤得到的损伤指标图；
[002引图4为本发明方法所使用的激励-接收路径示意图；
[0029] 图5为实施例中模拟双损伤得到的损伤识别图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0031] 一种基于Lamb波信号相关系数的多区域损伤检测方法，包括如下步骤：
[003引 （1)在本实施例中，使用到的压电传感器直径为10mm、厚度为2mm，平板结构为 lOOOmmX1000mmX5mm的金属侣板，平板结构中屯、为坐标原点，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向。W坐标原点化0)为圆屯、，粘贴第一个压电传感器，编号为1，在平板结构上共布 置9个压电传感器（编号1至9)，压电传感器之间水平、垂直距离为150mm，组成3X3的正 方形阵列，压电传感器布置阵列如图1所示（图中白色的胶片为稍后实验中吸波胶模拟的 损伤）。压电传感器编号为1、2、3、4、5、6组成的长方形区域作为第一个基本检测单元，压电 传感器编号为4、5、6、7、8、9组成的长方形区域作为第二个基本检测单元，共计组成两个基 本检测单元。
[0033] (2)激励信号采用中屯、频率为250KHZ的调制五波峰窄带波，如图2所示。采样频 率设置为lOMHz。激励信号经电荷放大器放大后加载到压电传感器，从而在结构中激发出Lamb波。首先采集结构无损时的信号，信号采集流程如下：对1号压电片进行激励，2至6号 压电片接收信号；激励2号压电片，3至6号压电片接收信号；信号的激励、采集只在一个单 元内进行。依次类推，共采集2个单元内的信号，共计30个激励-接收路径上的信号，作为 结构的无损信号。在结构上粘贴两个吸波胶，模拟实际损失，粘贴位置和大小如图1所示， 图中白色的胶片为吸波胶模拟的损伤。采集结构无损