一種二維損傷定量化監測方法技術

本發明專利技術屬于無損檢測和結構健康監測技術，涉及一種二維損傷定量化監測方法。本發明專利技術利用待測區域布置的傳感器網絡激勵及接收波信號，利用傳感器自發自收定位模式形成圓形定位曲線，利用相鄰傳感器一發一收定位模式形成橢圓形定位曲線。這些圓形定位曲線以及橢圓形定位曲線相交所圍成的內部區域就是本發明專利技術所確定的二維損傷的邊緣位置。用定位曲線得到的損傷區域進行積分即可得到二維損傷的面積，實現定量化監測。相比于現有技術，本發明專利技術不僅可以給出二維損傷位置，還可更進一步快速準確地給出損傷面積的大小，而且傳感器布置簡單，不需要標定，可大大地減少大型裝備結構檢查維護的成本、增加結構的安全性。

【技術實現步驟摘要】
一種二維損傷定量化監測方法
本專利技術屬于無損檢測和結構健康監測技術，涉及一種二維損傷定量化監測方法。
技術介紹
在循環載荷以及多種極端環境的長期作用下，飛機及其他一些機械裝備上的關鍵結構可能會出現損傷，如金屬結構的腐蝕、變形，復合材料結構的脫層、脫粘等。這些損傷如不能及時地發現和維修會造成很大的安全隱患。目前的無損檢測方法主要用一些外部設備對結構進行定期檢測，在檢測一些內部結構時常常需要對裝備結構進行拆卸，這不僅會減少這些裝備的服役時間，同時也會增加這些裝備的維護成本。目前國際上關注較多的集成式結構健康監測方法，通過利用布設在結構上的傳感器網絡對損傷進行監測并及時給出結構的健康狀態，從而降低飛機及其他機械裝備的維護時間和成本。目前在損傷監測方面，國內外的科研人員已經取得了一定的進展，比如(1)利用相控陣方法可以定位出損傷的區域及尺寸，(2)通過傳感器網絡測量損傷前后的波能量可以判斷出損傷的區域，進一步結合標定的方法可以給出損傷的尺寸信息等。然而在實際應用中，目前發展出的損傷尺寸定量化方法還存在著一定的不足。比如，如果對大量的結構都布置密集的相控陣網絡，就會增加系統的重量，同時會增加電路布置及波信號處理的復雜性；而對于需要標定的方法而言，要對各種構型的復雜結構及不同位置、不同尺寸的損傷進行標定的話，實驗的工作量將會非常巨大。因此，開發出一種能利用稀疏布置的傳感器網絡、不需要標定就能比較準確地給出損傷的位置和尺寸的監測方法是非常必要和有意義的。
技術實現思路
本專利技術的目的是：提出一種傳感器布置簡單、系統重量小，且能準確地給出二維損傷的位置和尺寸的二維損傷定量化監測方法。本專利技術的技術方案是：一種二維損傷定量化監測方法，其利用待測區域布置的傳感器網絡激勵及接收波信號，通過分析傳感器直接到達的波信號和由二維損傷邊緣反射或散射的波信號，利用傳感器自發自收模式形成圓形定位曲線，利用相鄰傳感器一發一收模式形成橢圓形定位曲線，所形成的圓形定位曲線以及橢圓形定位曲線相交所圍成的內部區域為所確定的二維損傷區域。所述的二維損傷定量化監測方法，進一步包括如下步驟：步驟一：傳感器網絡布置在被測結構上布設4個傳感器，所述的4個傳感器構成傳感器網絡的基本網格，并測量傳感器之間的距離；步驟二：波信號的激勵及采集將波信號分別加載到傳感器網絡的4個傳感器，相鄰傳感器形成一發一收模式，同時每個傳感器形成自發自收模式，通過兩種采集模式形成的定位曲線對損傷邊緣進行定位，其中，自發自收模式給出的定位曲線是圓，如公式1所確定，一發一收模式給出的定位曲線是橢圓，如公式2所確定：2(x-x1)2+(y-y1)2L12=Tc11T12---(1)]]>(x-x1)2+(y-y1)2+(x-x2)2+(y-y2)2L12=Tc12T12---(2)]]>以上方程中，(x,y)是損傷邊緣某個點的坐標，(x1,y1),(x2,y2)分別是傳感器1和傳感器2的坐標；L12是傳感器1，2之間的直線距離；Tc11是波包從傳感器1到達損傷邊緣再回到傳感器1的時間；T12是波包從傳感器1直接到達傳感器2的時間；Tc12是波包從傳感器1到損傷邊緣再到達傳感器2的時間；步驟三：損傷邊緣確定在一個傳感器網格內，相鄰傳感器一發一收形成4條定位曲線，各個傳感器自發自收形成4條定位曲線，共形成8條損傷邊緣定位曲線，這8條定位曲線相交所圍成的最靠內區域就是二維損傷定量化監測方法所確定的損傷區域。將用定位曲線得到的損傷區域進行積分得到二維損傷的面積。采用結構沒有損傷時的波信號作為基準波信號，然后用當前測得的含損傷的波信號減去基準波信號得到損傷波信號。選用經由損傷邊緣最先抵達接收傳感器的波信號波群計算波的飛行時間。根據不同結構對要監測出的最小損傷大小以及監測精度的不同，靈活選擇某個傳感器網格所用的傳感器數量，傳感器數目為五個或六個或更多。在取基準波信號與當前波信號時，環境溫度的差別小于攝氏3度。在取基準波信號與當前波信號時，結構的載荷條件基本相同。在取基準波信號與當前波信號時，結構的噪聲環境基本相同。二維形式的損傷包括但不限于金屬材料的腐蝕、變形，復合材料結構的脫層、脫粘。所述傳感器包括但不限于壓電陶瓷傳感器。本專利技術的優點是：本專利技術不僅可以用較疏的傳感器網絡準確地給出損傷的位置，而且還能不需要標定地給出損傷尺寸，從而可以對飛機及其他一些機械裝備結構的損傷進行定量化的監測和評估。本專利技術所述的二維損傷定量化監測方法對監測二維形式（或準二維形式）的損傷，如金屬的腐蝕、變形，復合材料的脫層、脫粘等都很有效，對減少大型工業裝備結構檢查維護的人工成本、增加結構的安全性等都具有重要的應用價值。附圖說明圖1是本專利技術二維損傷定量化監測系統的結構框圖；圖2是利用本專利技術進行二維損傷監測的流程圖；圖3是本專利技術傳感器網絡布置的一個示意圖；圖4是一個含有圓孔的結構示意圖；圖5是自發自收模式定位曲線示意圖；圖6是一發一收模式定位曲線示意圖；圖7是圓孔損傷的全部定位曲線示意圖；圖8是圓孔損傷的局部定位結果示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步詳細的說明，但并不作為對本專利技術做任何限制的依據。本專利技術關于二維損傷定量化監測方法的基本原理是波的反射及散射現象。根據波動學，當波遇到結構的幾何改變，如結構變厚、變薄，結構發生轉折等，或結構的力學性質改變，如彈性模量、密度等發生改變，會在改變的界面處發生波的反射或散射現象。本專利技術利用待測區域布置的傳感器網絡激勵及接收波信號，通過分析傳感器直接到達的波信號和由二維損傷邊緣反射或散射的波信號獲得波的參考飛行時間以及波經由損傷邊緣到達傳感器的飛行時間，再利用傳感器自發自收定位模式形成圓形定位曲線，利用相鄰傳感器一發一收定位模式形成橢圓形定位曲線。這些圓形定位曲線以及橢圓形定位曲線相交所圍成的內部區域就是本專利技術所確定的二維損傷的邊緣位置。用定位曲線得到的損傷區域進行積分即可得到二維損傷的面積，從而實現對二維損傷的定量化監測。請參閱圖1，其是本專利技術二維損傷定量化監測方法所基于的損傷監測系統的結構框圖。所述定量化結構損傷監測系統包括波信號采集模塊、波信號激勵模塊、波信號接收模塊、波信號存儲模塊、波信號分析模塊、結果顯示模塊。所述波信號采集模塊是由若干傳感器組成的傳感器網絡，該傳感器網絡被布置在易產生損傷的部位，傳感器可以激勵及接收波信號。該傳感器為壓電陶瓷傳感器或者其他變形傳感器(電阻傳感器)。請參閱圖2，其是本專利技術二維損傷定量化監測方法的流程圖，具體步驟如下：步驟一：傳感器網絡布置請參閱圖3，在被測結構上布設4個傳感器，所述的4個相鄰傳感器陣列構成一個傳感器網絡的基本網格，測量該網格各傳感器之間的距離；步驟二：獲得基準波信號當結構處于健康狀態時，將波信號加載到傳感器網絡上。對多組傳感器進行加載并接受波信號，得到所有傳感器自發自收模式以及相鄰傳感器一發一收模式的基準波信號；步驟三：獲得當前波信號請參閱圖4，當結構服役一段時間之后，將波信號加載到傳感器網絡上，對多組傳感器進行加載并接受波信號，得到所有傳感器自發自收模式以及相鄰傳感器一發一收模式的基準波信號；步驟四：獲得損傷波信號并對損傷波信號進行分析選用經由損傷邊緣最先抵達接收傳感器的波信號波群計算波的飛行時間，不管在損本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二維損傷定量化監測方法，其特征在于：利用待測區域布置的傳感器網絡激勵及接收波信號，通過分析傳感器直接到達的波信號和由二維損傷邊緣反射或散射的波信號，利用傳感器自發自收模式形成圓形定位曲線，利用相鄰傳感器一發一收模式形成橢圓形定位曲線，所形成的圓形定位曲線以及橢圓形定位曲線相交所圍成的內部區域即為所確定的二維損傷區域。

【技術特征摘要】
1.一種二維損傷定量化監測方法，其特征在于：利用待測區域布置的傳感器網絡激勵及接收波信號，通過分析傳感器直接到達的波信號和由二維損傷邊緣反射或散射的波信號，利用傳感器自發自收模式形成圓形定位曲線，利用相鄰傳感器一發一收模式形成橢圓形定位曲線，所形成的圓形定位曲線以及橢圓形定位曲線相交所圍成的內部區域即為所確定的二維損傷區域，將用定位曲線得到的損傷區域進行積分得到二維損傷的面積。2.根據權利要求1所述的二維損傷定量化監測方法，其特征在于，進一步包括如下步驟：步驟一：傳感器網絡布置在被測結構上布設4個傳感器，所述的4個傳感器構成傳感器網絡的基本網格，測量傳感器之間的距離；步驟二：波信號的激勵及采集將波信號分別加載到傳感器網絡的4個傳感器，相鄰傳感器形成一發一收模式，同時每個傳感器形成自發自收模式，通過兩種采集模式形成的定位曲線對損傷邊緣進行定位，其中，自發自收模式給出的定位曲線是圓，如公式1所確定，一發一收模式給出的定位曲線是橢圓，如公式2所確定：以上方程中，(x,y)是損傷邊緣某個點的坐標，(x1,y1),(x2,y2)分別是傳感器1和傳感器2的坐標；L12是傳感器1，2之間的直線距離；Tc11是波包從傳感器1到達損傷邊緣再回到傳感器1的時間；T12是波包從傳感器1直接到達傳感器2的時間；Tc12是波包從傳感器1到損傷邊緣再到達傳感器2的時間；步驟三：損傷邊緣確定在一個傳感器網格內，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：杜朝亮，王奕首，卿新林，
申請(專利權)人：中國商用飛機有限責任公司，中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心，
類型：發明
國別省市：