采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法
阅读说明：本技术 采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法 (Non-reference guided wave damage monitoring method adopting symmetrical structure response signal analysis ) 是由 王晶 王璇 张春艳 吕黎 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法,在板结构件上对称布置PZT压电阵列,阵列中的任意两个PZT压电元件分别作为激励器和传感器而组成一条监测路径；获得滤波后的结构响应信号,对滤波后的信号进行包络提取,定位响应信号中的各波包中心点位置；计算当前响应信号中第一个相似度低于阈值的波包中心点时刻,记录为当前响应信号的损伤散射信号到达时间；交换另一组响应信号为计算基准,记录该响应信号的损伤散射信号到达时间；获得所有对称路径下的损伤散射信号到达时刻,并计算出损伤位置。本发明不需事先采集健康状态下的结构响应信号作为基准,消除了对基准信号的依赖,降低了时变条件引起的监测误差,具有实用意义。(The invention discloses a no-reference guided wave damage monitoring method adopting symmetrical structure response signal analysis, which comprises the steps of symmetrically arranging PZT piezoelectric arrays on a plate structural member, and forming a monitoring path by respectively using any two PZT piezoelectric elements in the arrays as an exciter and a sensor; obtaining a filtered structural response signal, carrying out envelope extraction on the filtered signal, and positioning the center point position of each wave packet in the response signal; calculating the time of a wave packet central point with the first similarity lower than a threshold value in the current response signal, and recording the time as the arrival time of the damage scattering signal of the current response signal; exchanging another group of response signals as a calculation reference, and recording the arrival time of the damage scattering signals of the response signals; and obtaining the arrival time of the damage scattering signals under all the symmetrical paths, and calculating the damage position. The invention does not need to collect the structural response signal in the healthy state in advance as the reference, eliminates the dependence on the reference signal, reduces the monitoring error caused by time-varying conditions and has practical significance.)
技术领域
本发明涉及一种采用工程结构的无基准在线损伤监测方法，具体涉及一种采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法。
背景技术
超声导波结构损伤监测方法一直是结构健康监测研究和应用的热点，其优势在于传播/监测距离远、对小损伤敏感。近些年来，这一技术方法的研究取得了长足的发展和进步，在损伤定位、成像、评估等方面均有很多富有成效的研究成果。另一方面，导波作为一种特殊的超声波，其传播过程又存在一定的特殊性，即多模特性和频散特性。这些特殊的传播特性一定程度上限制了导波损伤监测研究和应用的发展。前者在于响应信号中会同时存在多个模态的信号，造成目标特征提取的困难，后者在于不同模态和不同频率的信号传播速度会不同，尤其在宽带信号激励下，信号的理解十分困难，给信号分析和处理带来新的问题。为了缓解上述难题，在大多数的研究中，一般采用窄带激励以降低频散效应的影响，同时，采用基准信号的方式，通过分析对比损伤前后结构响应信号的变化，来实现损伤的判别和定位等。然而，由于监测环境、工况、载荷等条件的差异性，此类采用基准信号的监测方法在应用过程中面临一些新的问题，例如温度差异会导致结构响应信号的变化，从而会对监测结果的准确性带来影响，甚至造成误判。
现有的无基准导波结构损伤监测主要从传感和信号处理两类方式入手，例如自传感技术和双元激励传感，响应信号中仅存在反射或散射信号，由于损伤也是散射源，因此可以进而获得损伤信息；基于时间反转聚焦的损伤因子方法是一种典型的无基准损伤监测方法，其思想在于损伤引起的监测信号传播非线性效应，导致时间反转聚焦重构差异，进而获取监测通道及其附近的损伤发生情况。上述方法一定程度上实现了导波无基准损伤监测，但也存在一定的局限性，例如自传感技术中，损伤作为散射源之一，其引起的信号散射和反射往往较为微弱，难易提取；基于时间反转聚焦损伤因子方法仅对监测通道敏感，因此应用中也会面临一定的限制。
本发明在现有基于压电阵列的导波损伤监测方法基础上，从板结构导波传播的过程出发，根据损伤对信号传播的作用机理，利用损伤引起的对称响应信号差异性实现无基准结构损伤监测，为导波结构健康监测发展和应用提供新的思路。
发明内容
发明目的：本发明提供一种采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法，发现并定位损伤引起的散射信号波包及其中心时刻点位置，并基于定位出的损伤散射信号波包中心点位置，实现对损伤的定位，从而实现无基准损伤监测和定位的方法，消除对基准响应信号的依赖性。
技术方案：本发明所述的一种采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法，包括以下步骤：
(1)在板结构件上按照等传播距离对称布置PZT压电阵列，阵列中的任意两个PZT压电元件分别作为激励器和传感器而组成一条监测路径；
(2)选定同一激励器激励下具有相同传播路径和条件的任意两条监测路径M1、M2，在板结构件中激励以单一模式为主的窄带导波结构响应信号，传感采集两条监测路径下的结构响应，并对采集到的结构响应信号进行滤波处理，消除直流偏置以及高频噪声信号，获得滤波后的结构响应信号R1、R2；
(3)对滤波后的信号进行包络提取，计算定位两组结构响应信号R1、R2中的各波包中心点位置P；
(4)对R1、R2两组信号，以R2响应信号为计算基准，在定位出的波包中心点位置，以设定脉宽为窗口，逐个对比两组信号的波包相似度，计算得到R1响应信号中第一个相似度低于阈值的波包中心点时刻，记录为R1响应信号中的损伤散射信号到达时间t1；交换以R1响应信号为计算基准，重复信号比对过程，获得R2响应信号中第一个相似度低于阈值的波包中心点时刻，记录为R2响应信号中的损伤散射信号到达时间t2；
(5)重复步骤(2)至(4)，获得所有对称路径下的损伤散射信号到达时刻ti，i＝1,2,3,…，根据根据ti，计算得到损伤的位置。
进一步地，步骤(2)所述的激励信号均为窄带信号。
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
通过希尔伯特变换法对信号进行包络提取，再根据包络的导数过零点情况，获得各波包峰值所在的时间，即各个波包的中心位置P，对于信号包络其各个波包的中心位置P应为：
其中，Tj为信号包络中第j个波包的中心点位置时刻，sign()为符号函数，用于函数过零检测。
进一步地，步骤(4)所述的波包相似度是采用皮尔逊相关系数法，通过信号间差异性比较方法计算获得。
进一步地，所述步骤(5)的实现过程如下：
根据信号沿激励器-损伤-传感器的传播时间，确立信号传播时间和损伤位置对应方程，对于坐标为(xi，yi)的传感器以及其感知得到的损伤散射信号到达时间ti，可以获得关于损伤位置(x，y)的方程多个方程连列求解，即可计算得到损伤位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明不依赖于结构健康状态下或前期测得的结构响应信号为基准，消除了时变条件等对基于基准响应信号的损伤监测带来的干扰；2、本发明方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现；3、本发明实现方法简单，与现有方法相比，只需要测得当前状态下所有具有对称监测通道的结构响应信号，通过两两比对就可得出损伤信息。
附图说明
图1是本发明中实验试件及对称布置压电激励器/传感器阵列布局图；
图2是本发明中窄带激励信号的波形时域图；
图3是本发明中选取的两条对称路径下的两组结构响应信号时域波形图；
图4是本发明中选取的对称路径下的两组结构响应信号包络时域波形及其波包中心点位置图；
图5是本发明中选取的对称路径下两组响应信号中信号fd12相对于fd14的波包相似度计算结果图。
图6是本发明中选取的对称路径下两组响应信号中信号fd14相对于fd12的波包相似度计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种采用对称结构响应信号分析的无基准导波损伤监测方法，包括如下步骤：
步骤1，在板结构件上按照等传播距离对称布置PZT压电阵列，阵列中的任意两个PZT压电元件分别作为激励器和传感器而组成一条监测路径。
在本实施例中，采用一块T6061铝板作为实验结构，其尺寸为600mm*600mm*6mm。为了简化条件，设计了4压电片组成正方形阵列居中布置，每个压电片距离最近的边界均为200mm，以板结构中心为坐标原点，各压电片坐标分别为：1#(100mm，100mm)、2#(-100mm，100mm)、3#(-100mm，-100mm)、4#(100mm，-100mm)，具体如图1所示。实施例中采用粘贴质量块的方式来模拟损伤的发生情况，中心坐标为(50mm,10mm)。
步骤2，选定同一激励器激励下具有相同传播路径和条件的任意两条监测路径M1、M2，在板结构件中激励以单一模式为主的窄带导波结构响应信号，传感采集两条监测路径下的结构响应，并对采集到的结构响应信号进行滤波处理，消除直流偏置以及高频噪声信号，获得滤波后的结构响应信号R1、R2。
选定同一激励器1#压电片激励下2#、4#压电片传感，具有相同传播路径和条件的两条监测路径M12、M14，在结构中激励以单一模式为主的窄带导波结构响应信号，传感采集两条监测路径下的结构响应，并对采集到的结构响应信号进行滤波处理，消除直流偏置以及高频噪声信号，获得滤波后的结构响应信号fd12、fd14。
采用如图2所示的余弦调制五周期正弦信号为激励信号，激励信号经功率放大器输出放大后在压电激励器1上加载，同时采集经电荷放大器放大输出的压电传感器2和4的输出信号，并按照激励信号的带宽范围进行带通滤波，消除直流偏置和高频噪声，最终获得结构响应信号fd12、fd14，如图3所示。为了激发单一模态为主的导波响应信号，经过实验测定，当激励信号中心频率为225kHz时，激发出的导波结构响应主要是以S0模态为主，简化了信号的复杂度。
步骤3，对滤波后的信号进行包络提取，计算定位两组结构响应信号R1、R2中的各波包中心点位置P。
首先通过希尔伯特变换方法对信号fd12、fd14进行包络提取，如图4所示。根据包络的导数过零点情况，获得各波包峰值所在的时间，具体来说，对于信号包络其各个波包的中心位置P应为：
其中Tj为信号包络中第j个波包的中心点位置时刻，sign()为符号函数，用于函数过零检测。
步骤4，对R1、R2两组信号，以R2响应信号为计算基准，在定位出的波包中心点位置，以设定脉宽为窗口，逐个对比两组信号的波包相似度，计算得到R1响应信号中第一个相似度低于阈值的波包中心点时刻，记录为R1响应信号中的损伤散射信号到达时间t1；交换以R1响应信号为计算基准，重复信号比对过程，获得R2响应信号中第一个相似度低于阈值的波包中心点时刻，记录为R2响应信号中的损伤散射信号到达时间t2。
对fd12、fd14两组信号，首先以fd14响应信号为计算基准，在定位出的波包中心点位置，以设定脉宽为窗口，逐个对比两组信号的波包相似度，如图5所示，计算得到fd12响应信号中第一个相似度低于阈值，的波包为响应信号的第3个波包，本发明实施例中设定为0.7，将该波包中心点时刻0.0997ms记录为fd12响应信号中的损伤散射信号到达时间t1；交换以fd12响应信号为计算基准，重复上述信号比对过程，如图6所示，获得fd14响应信号中第一个相似度低于阈值的波包为第2个波包，将该中心点时刻0.0958ms记录为fd14响应信号中的损伤散射信号到达时间t2。
其中，在计算信号相似度中，本发明实施例中采用了皮尔逊相关系数(PearsonCorrelation Coefficient)法进行相似度运算，该算法被广泛认为是一种行之有效的信号间差异性比较的方法，对于滤除直流量之后的信号x1(t)及x2(t)，两组信号的相似度r计算基本原理如下所示：
由于存在传感器布置位置的轻微差异，对称响应信号中的波包并不是严格对齐，严格按照两组响应信号中的一组作为基准信号，根据其提取出的各波包中心点进行波包相似度计算，容易带来一定的偏差，因此，实际计算中，固定基准信号提取出的波包不变，另外一组信号的波包做适当延迟和超前(本发明实施例中选取±5个采样点)，以计算出的相似度最大值为准。
步骤5，重复步骤2至4，获得所有对称路径下的损伤散射信号到达时刻ti，i＝1,2,3,…，根据根据ti，计算得到损伤的位置.
根据信号沿激励器-损伤-传感器的传播时间，确立信号传播时间和损伤位置对应方程，对于坐标为(xi，yi)的传感器以及其感知得到的损伤散射信号到达时间ti，可以获得关于损伤位置(x，y)的方程：
其中，ν为导波波速，多个方程连列求解，即可计算得到损伤位。
根据fd12、fd14两组信号得到的损伤波包到达时间，在已知波速和激励信号开始时刻的前提下，可以直接列出与损伤坐标有关的信号传播时间与距离方程，通过求解方程可以计算得到损伤监测结果为(31mm,22mm)，与真实损伤中心点的误差为(-19mm，12mm)。重复上述过程，3#压电片激励，2#、4#压电片传感得到的结构响应信号经过同样的数据处理过程，可以判别出这两组响应信号中的损伤波包中心点出现时刻分别为0.1056ms和0.1075ms，据此，计算得到的损伤监测结果为(29mm,26mm)，误差为(-21mm,16mm)。在误差允许范围内，实现了损伤的无基准监测和定位。