阅读说明：本技术 用于检测飞机结构损坏的系统及相关方法 (System for detecting structural damage to an aircraft and related method ) 是由 劳伦斯·E·帕多 于 2019-07-05 设计创作，主要内容包括：一种用于检测飞机结构损坏的系统及相关方法,包括飞机结构和用于独立于温度监测飞机结构的健康状况的结构健康监测(SHM)系统。SHM系统包括致动器,该致动器结合到飞机结构并且被配置为生成具有参考振幅的参考振动信号,该参考振动信号在第一时间传播通过飞机结构,并且致动器生成具有比较振幅的比较振动信号,该比较振动信号在第一时间之后的第二时间传播通过该飞机结构。比较振幅表示由飞机结构在第一时间和第二时间之间引起的损坏。SHM系统包括结合到飞机结构的传感器,其接收参考振动信号和比较振动信号,并且还包括处理器,其被配置为计算作为参考振幅除以比较振幅的函数的增益损坏指数。(A system and associated method for detecting damage to an aircraft structure includes an aircraft structure and a Structural Health Monitoring (SHM) system for monitoring a health condition of the aircraft structure independent of temperature. The SHM system includes an actuator coupled to an aircraft structure and configured to generate a reference vibration signal having a reference amplitude that propagates through the aircraft structure at a first time, and the actuator generates a comparison vibration signal having a comparison amplitude that propagates through the aircraft structure at a second time after the first time. The comparison amplitude is indicative of damage caused by the aircraft structure between the first time and the second time. The SHM system includes a sensor coupled to the aircraft structure that receives a reference vibration signal and a comparison vibration signal, and further includes a processor configured to calculate a gain damage index as a function of the reference amplitude divided by the comparison amplitude.)

用于检测飞机结构损坏的系统及相关方法

技术领域

本公开的领域大体上涉及结构健康监测(SHM)，并且更具体地涉及用于温度不敏感损坏检测的系统和方法。

背景技术

至少一些SHM系统例如通过激励结合到结构的压电换能器或致动器生成振动信号或波、然后利用在不同的位置结合到该结构的另一压电换能器接收该振动信号来检测该结构中的损坏。在结构中存在于传播波的路径中的损坏影响传播波的特性，诸如例如振幅和相位。因此，将接收到的振动信号(比较信号)的振幅和相位与先前接收到的振动信号(参考信号)的振幅和相位进行比较，使得能够检测在参考信号和比较信号之间的持续时间内发生的损坏。此外，这种比较使得能够检测结构中的沿着传播波的路径的一位置处的损坏。

波通过该结构的传播也受到环境参数(包括例如SHM系统在该结构上运行的环境温度)的影响。通常，在较温暖的温度下传播通过结构的振动信号的振幅增加，而在较冷的温度下减小。环境温度可以进一步改变传播波的相位或使其位移。这种环境影响可掩盖结构中的损坏，即假阴性，或至少干扰其检测。相反，环境影响会产生假阳性的损坏检测。

至少一些SHM系统利用算法或其他信号处理来量化待测试给定结构中的损坏，并减轻环境干扰例如温度干扰的影响。损坏的量化被称为损坏指数(DI)。这种量化能够随时间定期监测给定结构中的结构健康状况。用于计算DI的一种这样的算法是计算“误差”信号的均方根(RMS)，或者换句话说，计算比较信号和参考信号之间的差的RMS。存在各种用于减轻环境干扰的方法。例如，一种方法是在各种温度下收集参考信号并选择适当的参考信号以与比较信号进行比较。然而，这种方法耗时并且需要冷却器、烘箱和其他环境温度控制装置以在一温度范围内产生各种温度，例如从13华氏度到120华氏度。另一示例方法是使用比较信号和参考信号之间的计算的相关性，其减轻至少一些振幅干扰，但是会掩盖检测损坏。又一个示例性方法是测量和校正由环境干扰引起的相移，可以在美国专利号8,892,384中找到。然而，需要一种产生DI的SHM系统，该系统减轻温度干扰的影响，同时减少假阳性和假阴性。

该背景技术部分旨在向读者介绍可能与本公开相关的技术的各个方面，本公开在下面描述和/或要求保护。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应该从这个角度来阅读，而不是作为现有技术的承认。

发明内容

一个方面涉及一种用于检测飞机结构中的损坏的系统。该系统包括飞机结构和结构健康监测(SHM)系统，该结构健康监测系统具有致动器、传感器和处理器。致动器结合到飞机结构并且被配置为生成具有参考振幅的参考振动信号，该参考振动信号在第一时间传播通过飞机结构。致动器还被配置为生成具有比较振幅的比较振动信号，该比较振动信号在第一时间之后的第二时间传播通过飞机结构。比较振幅表示飞机结构在第一时间和第二时间之间引起的损坏。传感器结合到飞机结构并被配置为接收参考振动信号和比较振动信号。处理器被配置为计算作为参考振幅除以比较振幅的函数的增益损坏指数。增益损坏指数使SHM系统能够独立于温度监测飞机结构的结构健康状况。

另一方面是一种检测结构中的损坏的方法。该方法包括从存储器检索结构的参考振动信号，其中参考振动信号在前进行了收集。该方法包括激励结合到该结构的第一换能器以生成传播通过该结构的比较振动信号。该方法包括在结合到结构的第二换能器处接收比较振动信号。该方法包括利用参考振动信号和比较振动信号执行增益损坏指数算法，以计算作为参考振动信号的振幅乘以比较振动信号的振幅除以比较振动信号的振幅的平方的函数的增益损坏指数。该方法包括当增益损坏指数为正时识别结构中的损坏。

又一方面包括结构健康监测(SHM)系统，其具有多个换能器、数据采集(DAQ)电路和处理器。多个换能器被配置为分布在结构的区域上并且结合到该结构。多个换能器包括第一发射换能器和至少一个传感器换能器。DAQ电路联接到多个换能器并且被配置为致动第一发射换能器以生成在第一时间传播通过该结构的参考振动信号。DAQ电路被配置为经由至少一个传感器换能器接收参考振动信号。DAQ电路被配置为致动第一发射换能器以生成比较振动信号，该比较振动信号在第一时间之后的第二时间传播通过该结构。DAQ电路被配置为经由至少一个传感器换能器接收比较振动信号。处理器被配置为计算作为参考振动信号的振幅除以比较振动信号的振幅的函数的至少一个接收换能器的相应增益损坏指数，该增益损坏指数使得SHM系统能够独立于温度监测飞机结构的结构健康状况。

关于上述方面提到的特征存在各种改进。其他特征也可以包含在上述各方面中。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，以下关于任何所示实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合结合到任何上述各方面中。

附图说明

图1为示例SHM系统的示意性框图；

图2A为来自SHM系统的示例参考振动信号的曲线图；

图2B为来自SHM系统的示例比较振动信号的曲线图；

图2C为分别来自图2A和2B中所示的参考振动信号和比较振动信号的示例误差信号的曲线图；

图3A和3B为在各种温度下收集的示例参考振动信号和示例比较振动信号的一系列曲线图；以及

图4为检测结构中的损坏的示例方法的流程图。

尽管各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护任何附图的任何特征。

除非另外指出，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实施本文公开的实施例的所有传统特征。

具体实施方式

所描述的系统的实施例包括计算增益损坏指数(DI)的结构健康监测(SHM)系统，其能够与温度无关地检测结构(诸如例如飞机结构)中的损坏。本文描述的SHM系统包括分布在结构区域上并且结合到结构的表面的多个换能器(transducer)。每个换能器被配置为被激励以生成振动信号，该振动信号传播通过结构，并且然后在多个换能器中的每个其他换能器处被接收。被激励时，换能器被称为致动器或发射器。因此，多个换能器中的其他换能器被称为传感器或接收器。致动器换能器首先生成参考振动信号，该参考振动信号传播通过结构并由至少一个传感器换能器接收、由数据采集(DAQ)电路收集、并存储在存储器中。然后，致动器换能器稍后生成比较振动信号，该信号传播通过结构并由传感器换能器接收并由DAQ电路收集。然后，处理器计算作为参考振动信号的振幅除以比较振动信号的振幅的函数的增益DI。更具体地，处理器计算多个传感器换能器的相应增益DI，每个增益DI作为参考振动信号的振幅乘以比较振动信号的振幅除以比较振动信号的振幅的平方的函数来计算。当增益DI为正时，识别在生成参考振动信号的时间与生成比较振动信号的时间之间的持续时间内发生的损坏。正增益通常是指大于1的增益。在某些实施例中，通过从增益值中减去1来将增益DI正规化为零，使得“正增益”改为指大于零的增益值。每个增益DI值表示沿着用于该增益DI值的致动器换能器和传感器换能器之间的路径的结构(例如金属结构或复合结构)的健康状态的量化。因此，该量化能够随时间周期性地监测结构的结构健康状况。

图1为用于检测结构102中的损坏(诸如裂缝或分层)的示例性SHM系统100的示意图。SHM系统100包括结合到结构102的表面的多个换能器104。换能器104分布在结构102的区域上，并且例如以阵列106或用于测试结构102的任何其他合适的布置进行布置。例如，对于飞机结构，换能器104可以布置成使得它们集中在给定飞机结构的高应力区域上，该高应力区域例如可以由具有多层的复合材料或金属材料、或者叠层构成。换能器104可包括陶瓷压电换能器，诸如例如锆钛酸铅(PZT)换能器。当电压施加到结合到结构102的换能器104之一时，换能器被致动并生成传播通过结构102的振动或振动信号。所得的波形表现出一些振幅、相位和频率。在本文所述的SHM系统100的实施例中，换能器104通常生成频率在约200千赫兹至约450千赫兹范围内的振动信号。然而，在替代实施例中，可以利用生成该范围之外的振动信号的换能器104，并且这些换能器104在本公开的范围内。

换能器104通过线束110联接到DAQ电路108。DAQ电路108可以包括用于在换能器104上施加或测量电位的多个模拟输入/输出通道。例如，测量电位可以通过DAQ电路108内的一个或多个模数转换器转换为数字值。DAQ电路108控制换能器104的激励以生成振动信号，并通过传感器换能器104接收振动信号。例如，更具体地，DAQ电路108选择致动器换能器104a以作为发射器操作，而其他换能器104作为接收器操作，或者例如称为传感器换能器104b和104c。DAQ电路108向致动器换能器104a施加电压，该电压致使生成参考振动信号，该参考振动信号分别沿着例如通向传感器换能器104b和104c的路径112和114传播通过结构102。传感器换能器104b和104c接收参考振动信号，从而在装置的端子上生成电位或电压。在给定的传感器换能器上随时间呈现的电压表示该传感器换能器的参考振动信号，并且更具体地，表示致动器换能器与传感器换能器之间的相应路径的参考振动信号，诸如例如致动器换能器104a分别与传感器换能器104b和104c之间的路径112和114。

SHM系统100包括处理器116和存储器118。处理器116执行存储在存储器(诸如存储器118)中的一系列计算机可执行指令、程序代码或软件。通过执行这样的程序代码，处理器116被配置为执行计算增益DI的各种步骤。例如，在执行存储在存储器118中的程序代码时，处理器116被配置为从DAQ电路108接收参考振动信号。处理器116还被配置为将参考振动信号写入存储器118。在某些实施例中，处理器116可以在写入存储器118之前处理参考振动信号。在替代实施例中，参考振动信号可以直接从DAQ电路108写入存储器118。

DAQ电路108控制换能器104，使得在第一时间，例如，当结构为新的或者以其他方式已知未被损坏时生成和收集参考振动信号。DAQ电路108控制换能器104以在第一时间之后的第二时间生成比较振动信号。可以周期性地利用SHM系统100来测试结构102的结构健康状况。例如，收集参考振动信号和比较振动信号之间的持续时间可以为一年或多年的操作。另选地，持续时间可以短得多，例如，在几天、几周或几月的数量级。SHM系统100能够独立于收集或“扫描”之间的持续时间来检测损坏。这种检测仅限于参考振动信号和比较振动信号的收集之间的持续时间。通常基于结构102的生命周期中的预期磨损和疲劳来选择持续时间。在某些实施例中，换能器104在收集之间的持续时间内保持就位、结合到结构102。在其他实施例中，换能器104被结合到结构102以用于收集参考振动信号，并且此后被移除以用于结构102的正常操作或使用。然后，传感器104在稍后时间再次结合到结构102，以收集比较振动信号。通常，换能器104应放置在大致相同的位置以用于收集参考振动信号和比较振动信号。

图2A为来自SHM系统(诸如图1中所示的SHM系统100)和给定待测试结构的示例参考振动信号202的曲线图。参考振动信号202被绘制为随时间206推移的振幅204。振幅204以伏特表示，参考振动信号202在约25微秒的持续时间内范围从约1伏特到约-1伏特。参考振动信号202具有约200千赫兹(或约5微秒周期)的频率。

再次参考图1，为了收集比较振动信号，DAQ电路108选择致动器换能器104a以作为发射器操作，而其他换能器104作为接收器操作，或者例如称为传感器换能器104b和104c。DAQ电路108向致动器换能器104a施加电压，该电压致使生成比较振动信号，该比较振动信号分别沿着例如路径112和114传播通过结构102到达传感器换能器104b和104c。传感器换能器104b和104c接收比较振动信号，从而在装置的端子上生成电位或电压。在给定的传感器换能器上随时间呈现的电压表示该传感器换能器的比较振动信号，并且更具体地，表示致动器换能器与该传感器换能器之间的相应路径的比较振动信号，诸如例如致动器换能器104a分别与传感器换能器104b和104c之间的路径112和114。

图2B为来自SHM系统(诸如图1中所示的SHM系统100)和给定待测试结构的示例比较振动信号208的曲线图。比较振动信号208被绘制为随时间206推移的振幅204。振幅204以伏特表示，比较振动信号208在约25微秒的持续时间内范围从约1.1伏特到约-1.1伏特。比较振动信号208具有约200千赫兹(或约5微秒周期)的频率。需指出，比较振动信号208的振幅和相位相对于图2A中所示的参考振动信号202发生畸变。

再次参考图1，在收集之间的持续时间期间在结构102内发生的损坏在比较振动信号中表示为比较振动信号的振幅和相位相对于对应的参考振动信号的变化。此外，振幅和相位的变化还可由当收集参考振动信号时与当收集比较振动信号时的环境温度的差异引起。

图2C为分别来自图2A和2B中所示的参考振动信号202和比较振动信号208的示例误差信号210的曲线图。误差信号210被绘制为随时间206推移的振幅204。振幅204以伏特表示，误差信号210在约25微秒的持续时间内范围从约0.25伏特到约-0.25伏特。误差信号210表示粗略的DI，其中较大的振幅通常表示较大的损坏。需指出，误差信号210不考虑例如收集的参考振动信号202和比较振动信号208之间的温度变化。

再次参考图1，对于换能器104之间的每个路径(例如，路径112和114)，处理器116从存储器118检索参考振动信号并从DAQ电路108接收相应的比较振动信号。处理器116被配置为计算作为参考振动信号的振幅(参考振幅)除以比较振动信号的振幅(比较振幅)的函数的增益DI。增益DI表示使比较振动信号的振幅与参考信号的振幅匹配所需的“增益”。根据典型的“增益”符号，大于1的增益被称为“正”增益，因为应用这种增益会增加所得信号的振幅。同样，小于1的增益被称为“负”增益，因为应用这种增益会减小所得信号的振幅。在这种标记法下，“正”增益DI表示比较振幅小于参考振幅，并且还表示沿着换能器之间的路径(例如，路径112或114)在结构102中发生损坏。通常，当波传播通过结构102时，损坏抑制了波的振幅。同样，与收集参考振动信号的温度相比，收集比较振动信号的温度影响比较振动信号的振幅和相位。

图3A和3B为使用SHM系统(诸如图1所示的SHM系统100)和给定待测试结构在各种温度下收集的示例参考信号以及示例比较信号的一系列曲线图302、304、306、308、310和312。需指出，参考信号和比较信号几乎同时被收集，而没有对待测结构的任何干扰磨损、疲劳或其他损坏。因此，曲线图302、304、306、308、310和312示出了收集参考振动信号与收集比较信号之间的温度变化下的相位和振幅的影响，其表示为随时间316推移的电压314。曲线图302示出了在64华氏度(F)或约室温下收集的参考振动信号318，以及在-9华氏度下收集的比较振动信号320。收集比较振动信号320的较冷温度至少反映比较振动信号320的振幅相对于参考振动信号318的振幅减小。当与参考振动信号318相比时，比较振动信号320还表现出一些负相移。

曲线图304示出了在64华氏度或约室温下收集的参考振动信号318，以及在26华氏度下收集的比较振动信号322。收集比较振动信号322的较冷温度至少反映比较振动信号322的振幅相对于参考振动信号318的振幅减小，尽管比曲线图302中所示的比较振动信号320的程度更小。当与参考振动信号318相比时，比较振动信号322还表现出一些负相移，尽管再次比在曲线图302中示出的比较振动信号320的程度更小。

曲线图306示出了在64华氏度或约室温下收集的参考振动信号318，以及也在64华氏度下收集的比较振动信号324。相等的温度致使参考振动信号318和比较振动信号324在曲线图306中难以区分。

曲线图308示出了在64华氏度或约室温下收集的参考振动信号318，以及在80华氏度下收集的比较振动信号326。收集比较振动信号326的较高温度至少反映比较振动信号326的振幅相对于参考振动信号318的振幅增大。当与参考振动信号318相比时，比较振动信号326还表现出一些小的正相移。

曲线图310示出了在64华氏度或约室温下收集的参考振动信号318，以及在100华氏度下收集的比较振动信号328。收集比较振动信号328的较高温度至少反映比较振动信号328的振幅相对于参考振动信号318的振幅增大，尽管比曲线图308中所示的比较振动信号326的程度更大。当与参考振动信号318相比时，比较振动信号328还表现出一些正相移，尽管再次比在曲线图308中示出的比较振动信号326的程度更大。

曲线图312示出了在64华氏度或约室温下收集的参考振动信号318，以及在120华氏度下收集的比较振动信号330。收集比较振动信号330的较高温度至少反映比较振动信号330的振幅相对于参考振动信号318的振幅增大，尽管分别比曲线图308和曲线图310中所示的比较振动信号326和328的程度更大。当与参考振动信号318相比时，比较振动信号330还表现出正相移，尽管再次分别比在曲线图308和曲线图310中示出的比较振动信号326和328的程度更大。

再次参考图1，并且更具体地，增益DI被计算为参考振幅乘以比较振幅并除以比较振幅的平方(其产生“瞬时”增益DI)的函数。参考振动信号和比较振动信号通常在称为时间序列的一段时间内被收集为振幅样本。参考时间序列和比较时间序列的增益DI由以下算法表示，每个时间序列具有N个样本：

其中Ref表示参考时间序列，Comp表示比较时间序列，以及n为时间序列的系数。至少一些SHM系统将方程1中所示的增益计算用作用于计算DI的预处理步骤。例如，一些SHM系统利用均方误差(MSE)DI，其利用类似于方程1中所示的增益计算作为中间步骤，而不是DI本身。再次参考增益DI，通常，“正”增益DI表示存在损坏。结构中损坏的位置沿着致动器换能器和传感器换能器之间的给定路径。“负”增益DI表示沿给定路径没有损坏。负增益DI通常与和收集参考振动信号的温度(例如室温)相比收集比较振动信号时的温度升高相关联，因为对结构102的损坏通常不会导致比较振动信号的振幅增大。相反，正增益DI可以与收集比较振动信号的温度降低和沿换能器104之间的路径发生的损坏相关联。然而，较冷的温度影响比较振动信号的振幅的程度小于损坏，从而能够区分效果。因此，增益DI更能够更加确定地检测待测结构中是否存在损坏，诸如裂缝或分层。相反，诸如MSE和相关系数的DI不考虑参考振动信号和比较振动信号之间的振幅差的方向或符号。

为了使增益DI评估更直观，在某些实施例中，增益DI被正规化为零：

Gain DI＝Gain′-1 方程2

因此，“正”增益DI对应于大于零的增益值，而“负”增益DI对应于小于零的增益值。

在某些实施例中，处理器116还被配置为测量和去除比较振动信号中的由于在收集参考振动信号的时间与收集比较振动信号的时间之间的温度变化引起的相移。这种相移校正使得能够及时准确地比较参考振动信号和比较振动信号。例如，当比较振动信号与参考振动信号异相时，比较振动信号中给定峰值的振幅将在时间上偏离参考振动信号中的相应峰值。通常，如美国专利号8,892,384中所述，温度随时间推移产生逐渐变大的相移，其中相移随时间线性地增长或“伸展”，特别是在诸如金属的均质结构中。非均质结构，诸如复合材料，倾向于随着时间的推移产生相移的非线性增长。这种伸展有时被称为通过时间延迟测量的相移。损坏往往会产生随时间推移非线性增长的相移。因此，在处理器116根据上面的方程1计算增益DI之前，近似并校正由温度引起的比较振动信号中的相移。

更具体地，为了校正由于温度引起的比较振动信号中的相移，处理器116在多个时间窗口内划分比较振动信号和参考振动信号，或者以其他方式对比较振动信号和参考振动信号进行采样。然后，处理器116计算每个时间窗口的比较振动信号和参考振动信号之间的互相关。通过计算在给定时间窗口内最大程度地关联比较振动信号和参考振动信号所需的时移量来确定互相关。然后对时间执行加权回归以估算时间延迟，其中权重基于每个时间窗口内来自参考振动信号的信号能量的相对量。使用时间窗口能量作为加权函数的加权回归通过关注信号的最重要部分来最大化相移补偿的有效性。加权回归产生时间和时移之间的关系作为二次或更高阶方程。该关系然后使处理器116能够校正比较振动信号中的相移。

图4为使用SHM系统(诸如图1中所示的SHM系统100)检测结构中的损坏的示例方法400的流程图。在第一时间，SHM系统100激励例如致动器换能器104a以生成参考振动信号，该参考振动信号传播通过结构102并且例如在传感器换能器104b和104c处被接收。然后将收集的参考振动信号存储在存储器118中，直到需要用SHM系统100进行后续测试。从存储器中检索410先前收集的参考振动信号。致动器换能器104a再次被激励420以生成传播通过结构102的比较振动信号。然后在传感器换能器104b和104c处接收430比较振动信号。处理器116接收每个路径112和114的参考振动信号和比较振动信号，并使用相应的参考振动信号和比较振动信号对来执行440增益DI算法(诸如在方程1中所示的算法)以计算增益DI。当该路径的相应增益DI为正时，识别450沿例如路径112和114的损坏。

本文描述的方法、系统和装置的示例技术效果包括以下中的至少一者：(a)减轻温度对比较振动信号相对于参考振动信号的振幅和相位的影响；(b)与收集参考振动信号和收集比较振动信号之间的温度变化无关地检测待测结构中的损坏；(c)改善诸如金属和复合材料等结构中的损坏检测的假阳性率和假阴性率；并且(d)通过消除在不止一个温度下收集参考振动信号的需要，减少收集参考振动信号所需的时间。

此外，本公开包括根据以下条款的实施例：

条款1：一种用于检测飞机结构损坏的系统，该系统包括：飞机结构；以及结构健康监测(SHM)系统，其被配置为监测飞机结构的结构健康状况，所述SHM系统包括：致动器，其结合到所述飞机结构并且被配置为：生成具有参考振幅并在第一时间传播通过飞机结构的参考振动信号，并且生成具有比较振幅并在第一时间之后的第二时间传播通过飞机结构的比较振动信号，所述比较振幅表示由所述飞机结构在第一时间和第二时间之间引起的损坏；传感器，其结合到所述飞机结构并且被配置为接收所述参考振动信号和所述比较振动信号；以及处理器，其被配置为计算作为参考振幅除以比较振幅的函数的增益损坏指数，所述增益损坏指数使得所述SHM系统能够与温度无关地监测所述飞机结构的结构健康状况。

条款2：根据条款1所述的系统，其中，所述增益损坏指数表示在所述飞机结构中存在或不存在裂缝。

条款3：根据条款1所述的系统，其中，所述飞机结构包括具有多个叠层的复合结构。

条款4：根据条款1所述的系统，其中，所述致动器包括锆钛酸铅(PZT)换能器。

条款5：根据条款1所述的系统，其中，所述处理器还被配置为：去除由于第一时间和第二时间之间的温度变化而引起的所述比较振动信号中的相移。

条款6：根据条款1所述的系统，其中，所述处理器还被配置为计算作为所述参考振幅乘以所述比较振幅除以所述比较振幅的平方的函数的所述增益损坏指数。

条款7：根据条款6所述的系统，其中，正增益损坏指数表示存在损坏。

条款8：一种检测结构中损坏的方法，所述方法包括：从存储器中检索所述结构的参考振动信号，其中先前收集了所述参考振动信号；激励结合到所述结构的第一换能器以生成传播通过所述结构的比较振动信号；在结合到所述结构的第二换能器处接收所述比较振动信号；使用所述参考振动信号和所述比较振动信号执行增益损坏指数算法以计算作为所述参考振动信号的振幅乘以所述比较振动信号的振幅除以所述比较振动信号的振幅的平方的函数的增益损坏指数；当所述增益损坏指数为正时，识别所述结构中的损坏。

条款9：根据条款8所述的方法，还包括：检测所述比较振动信号中由于接收到所述比较振动信号时的温度相对于先前收集所述参考振动信号时的温度的变化引起的相移；并且在执行所述增益损坏指数算法之前，从所述比较振动信号中去除所述相移。

条款10：根据条款9所述的方法，其中，检测和去除所述相移包括：在多个时间窗口内划分所述比较振动信号和所述参考振动信号；通过计算使所述比较振动信号和所述参考振动信号最大化地相关所需的时移量，计算多个时间窗口中的每个时间窗口内的所述比较振动信号和所述参考振动信号之间的互相关性；执行加权回归以估算作为时间函数的时移；以及校正所述比较振动信号中的作为时间的函数的相移。

条款11：根据条款8所述的方法，还包括：激励第三换能器以生成所述参考振动信号，所述第三换能器在所述第一换能器的大致位置处并且在结合所述第一换能器之前结合到所述结构；在所述第二换能器的大致位置处并且在结合所述第二换能器之前结合到所述结构的第四换能器处，接收所述参考振动信号；并将所述参考振动信号存储在所述存储器中。

条款12：根据条款11所述的方法，其中，所述第四换能器接收所述参考振动信号时的第一温度与所述第二换能器接收所述比较振动信号时的第二温度相差至少20华氏度。

条款13：根据条款8所述的方法，其中，识别所述结构中的损坏包括检测所述结构中的裂缝。

条款14：一种结构健康监测(SHM)系统，包括：多个换能器，其被配置为分布在结构的区域上并与所述结构结合，所述多个换能器包括第一发射换能器和至少一个传感器换能器；数据采集(DAQ)电路，其联接到所述多个换能器并且被配置为：致动所述第一发射换能器以生成在第一时间传播通过所述结构的参考振动信号；经由所述至少一个传感器换能器接收所述参考振动信号；致动所述第一发射换能器以生成在第一时间之后的第二时间传播通过所述结构的比较振动信号；并经由所述至少一个传感器换能器接收所述比较振动信号；以及处理器，其被配置为计算作为所述参考振动信号的振幅除以所述比较振动信号的振幅的函数的所述至少一个传感器换能器的相应增益损坏指数，所述相应的增益损坏指数使得所述SHM系统能够与温度无关地监测所述结构的结构健康状况。

条款15：根据条款14所述的SHM系统，其中，所述处理器还被配置为：利用所述参考振动信号和所述比较振动信号执行增益损坏指数算法，以计算作为所述参考振动信号的振幅乘以所述比较振动信号的振幅除以所述比较振动信号的振幅的平方的函数的所述至少一个传感器换能器的相应增益损坏指数；并且当至少一个相应的增益损坏指数为正时，识别所述结构中的损坏。

条款16：根据条款14所述的SHM系统，其中，所述DAQ电路包括与所述多个换能器相对应的多个模拟输入/输出通道并包括模数转换器。

条款17：根据条款14所述的SHM系统，其中，所述处理器还被配置为：检测所述比较振动信号中由于接收到所述比较振动信号时的温度相对于先前收集所述参考振动信号时的温度的变化引起的相移；并且在计算所述相应增益损坏指数之前，从所述比较振动信号中去除所述相移。

条款18：根据条款17所述的SHM系统，其中，所述处理器还被配置为检测所述参考振动信号和所述比较振动信号之间的线性进展的相移。

条款19：根据条款14所述的SHM系统，其中，所述处理器还被配置为：当至少一个所述相应增益损坏指数为负时，识别由于接收到所述比较振动信号时的温度相对于先前收集所述参考振动信号时的温度的变化引起的所述比较振动信号相对于所述参考振动信号的振幅差。

条款20：根据条款14所述的SHM系统，其中，所述处理器还被配置为基于所述相应的增益损坏指数为正来识别所述结构中的损坏的位置。

一些实施例涉及使用一个或多个电子处理或计算装置。如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指处理器、处理装置、控制器、通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、精简指令集计算机(RISC)处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)器件、专用集成电路(ASIC)以及能够执行本文所述功能的其他可编程电路或处理装置，并且这些术语在本文中可互换使用。以上仅为示例，因此不旨在以任何方式限制术语处理器、处理装置和相关术语的定义或含义。

在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于非暂时性计算机可读介质，诸如闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和非易失性RAM(NVRAM)。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示任何有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性介质以及可移动和不可移动介质，诸如固件、物理和虚拟存储、CD-ROM、DVD，以及任何其他数字源，诸如网络或互联网，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是短暂的传播信号。另选地，还可以使用软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)或用于信息的短期和长期存储以任何方法或技术实现的任何其他基于计算机的装置，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或其他数据。因此，本文描述的方法可以被编码为实施在非暂时性计算机可读介质中的可执行指令，例如，“软件”和“固件”。此外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中以供个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。当由处理器执行时，这些指令使处理器执行本文描述的方法的至少一部分。

而且，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以为但不限于与诸如鼠标和键盘的操作员界面相关联的计算机***设备。另选地，也可以使用其他计算机***设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在本文描述的实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员界面监视器。

本文描述的系统和方法不限于本文描述的特定实施例，而是系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。

尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。

如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应该被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确说明这种排除。此外，对本公开“一个实施例”或“示例实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合了所述特征的另外的实施例的存在。

该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的各种实施例，以使得本领域任何技术人员能够实施那些实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例旨在权利要求的范围内。