一種損傷定量化監測方法及系統的製作方法

2023-05-17 07:59:26 2

一種損傷定量化監測方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種損傷定量化監測方法及系統，涉及結構健康監測【技術領域】，為解決現有的損傷定量化監測方法的信號採集設備結構複雜、成本高、維護困難等問題而設計。本發明提供的損傷定量化監測方法在待測結構上布置傳感器網絡，傳感器網絡包括至少一個網格單元，網格單元包括呈三角形布置的三個傳感器，利用傳感器網絡進行損傷定量化監測：每個傳感器自發自收模式形成多個第一定位曲線，相鄰兩個傳感器一發一收模式形成多個第二定位曲線，多個第一定位曲線和多個第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為所確定的損傷區域。本發明可高效利用傳感器網絡，不需要標定即可根據不同的精度要求給出損傷的位置和尺寸，信號採集設備結構簡單、成本低。
【專利說明】一種損傷定量化監測方法及系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及結構健康監測【技術領域】，尤其涉及一種損傷定量化監測方法及系統。

【背景技術】
[0002]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，複合材料結構的脫層、脫粘等。這些損傷如不能及時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。
[0003]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並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，比如利用相控陣方法可以定位出損傷的區域及尺寸，通過傳感器網絡測量損傷後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。
[0004]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複雜性；而對於需要標定的方法而言，要對各種構型的複雜結構及不同位置、不同尺寸的損傷進行標定的話，實驗的工作量就會非常巨大。
[0005]針對上述問題，亟需要一種能利用稀疏布置的傳感器網絡、不需要標定就能較準確地確定損傷的位置和尺寸的損傷定量化監測方法及系統。


【發明內容】

[0006]本發明的一個目的在於提出一種損傷定量化監測方法，能夠高效利用傳感器網絡準確地監測損傷的位置及尺寸，成本低，監測方法簡單易行。
[0007]本發明的再一個目的在於提出一種損傷定量化監測系統，能夠高效利用傳感器網絡準確地監測損傷的位置及尺寸，成本低，監測方法簡單易行。
[0008]為達此目的，一方面，本發明採用以下技術方案:
[0009]一種損傷定量化監測方法，在待測結構上布置傳感器網絡，所述傳感器網絡包括至少一個網格單元，所述網格單元包括呈三角形布置的三個傳感器，利用傳感器網絡進行損傷定量化監測:每個傳感器自發自收模式形成多條第一定位曲線，相鄰兩個傳感器一發一收模式形成多條第二定位曲線，所述多條第一定位曲線和所述多條第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為所確定的損傷區域。
[0010]進一步的，所述利用一個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測至少包括以下步驟:
[0011]步驟A、在被測結構上呈三角形布置三個傳感器，從而形成一個網格單元；
[0012]步驟B、將波信號分別加載到網格單元的三個傳感器上，每個傳感器形成自發自收模式，相鄰傳感器形成一發一收模式，通過兩種採集模式形成定位曲線對損傷邊緣進行定位，
[0013]傳感器一自發自收模式形成的第一定位曲線由公式= 確


I12T12
定，其中，(X1, Y1)為傳感器一的坐標，L12是傳感器一和傳感器二之間的直線距離，Tcll是波包從傳感器一到達損傷邊緣再回到傳感器一的時間，T12是波包從傳感器一直接到達傳感器二的時間；
[0014]傳感器二自發自收模式形成的第一定位曲線由公式2U+(y-y2)— =j^
乙232_'
確定，其中，(X2, y2)為傳感器二的坐標，L23是傳感器二和傳感器三之間的直線距離，Tc22是波包從傳感器二到達損傷邊緣再回到傳感器二的時間，T23是波包從傳感器二直接到達傳感器三的時間；
[0015]傳感器三自發自收模式形成的第一定位曲線由公式2V(X-X3)2+(y-_ZiZ_=Kil
i31J13I
確定，其中，(X3，y3)為傳感器三的坐標，L31是傳感器三和傳感器一之間的直線距離，Tc33是波包從傳感器三到達損傷邊緣再回到傳感器三的時間，T31是波包從傳感器三直接到達傳感器一的時間；
[0016]傳感器一和傳感器二一發一收模式形成的第二定位曲線由公式各-Xl)2+(y-yi)2+A/(X-X2)2+(y->:i^ = ^確定，其中，Tcl2是波包從傳感器一到損
i12Γ12
傷邊緣再到達傳感器二的時間；
[0017]傳感器二和傳感器三一發一收模式形成的第二定位曲線由公式
V(x-xJ+(y-yJ 士 x,)2+(y-y.J = L確定，其中，Tc23是波包從傳感器二到損傷邊
L2,7；,
緣再到達傳感器三的時間；
[0018]傳感器三和傳感器發一收模式形成的第二定位曲線由公式
#_X3；f+(y_y3；f+#c_Xl；f+(y_yi:f=kTc31 臟從傳感器三到損傷邊
/T7
^31J31
緣再到達傳感器一的時間；
[0019]步驟C、步驟B中獲得的六條曲線相交所圍成的最靠內區域即為利用一個網格單元所確定的損傷區域。
[0020]優選的，當被測結構處於健康狀態時的信號波為基準信號波，將監測到的當前信號波減去基準信號波即為損傷信號波，由損傷信號波獲得由損傷邊緣抵達接收傳感器的信號波的飛行時間。
[0021]優選的，選用經由損傷邊緣最先抵達接收傳感器的信號波波群計算波的飛行時間。
[0022]進一步的，所述利用多個網格單元組合的傳感器進行損傷定量化監測具體為，在被測結構上布置多個傳感器從而形成多個網格單元，分別作出各個傳感器自發自收模式形成的多條第一定位曲線以及相鄰傳感器一發一收模式形成的多條第二定位曲線，所述多條第一定位曲線和多條第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為利用多個網格單元組合所確定的損傷區域。
[0023]優選的，所述多個網格單元組合為由兩個相鄰網格單元形成的菱形傳感器網絡、由三個相鄰網絡單元形成的梯形傳感器網絡或由四個相鄰網絡單元形成的三角形傳感器網絡。
[0024]優選的，取基準信號波和當前信號波時，被測結構所處的環境溫度差小於3°C。
[0025]優選的，取基準信號波和當前信號波時，被測結構的載荷條件基本相同。
[0026]優選的，取基準信號波和當前信號波時，被測結構的噪聲環境基本相同。
[0027]另一方面，本發明採用以下技術方案:
[0028]一種損傷定量化監測系統，用於實現上述的損傷定量化監測方法，包括信號激勵裝置、傳感器網絡、信號採集裝置、信號處理裝置及控制面板，其中，信號激勵裝置用於提供激勵信號；傳感器網絡用於提供監測的基準信號波及當前信號波；信號採集裝置用於採集傳感器網絡提供的基準信號波及當前信號波並傳輸至信號處理裝置；信號處理裝置用於根據當前信號波形成所述多條第一定位曲線和所述多條第二定位曲線並確定損傷區域；控制面板包括用於顯示處理結果的顯示屏和用於控制損傷定量化監測過程的控制界面。
[0029]本發明的有益效果為:本發明提供的損傷定量化監測方法及系統，在待測結構上布置傳感器網絡，不在同一直線的三個傳感器形成一個網格單元，利用一個網格單元或多個網格單元組合的傳感器進行損傷定量化監測，傳感器自發自收模式形成第一定位曲線，相鄰傳感器一發一收模式形成第二定位曲線，所述第一定位曲線和所述第二定位曲線相交所圍成的內部區域即為所確定的損傷區域，高效利用傳感器網絡，不需要標定即可根據不同的精度要求給出損傷的位置和尺寸，信號採集設備結構簡單、成本低，監測方法簡單易行，對減少大型工業裝備結構檢查維護成本、增加結構的安全性等都具有重要的應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發明實施例一提供的利用一個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的不意圖；
[0031]圖2是圖1中損傷部分的局部放大圖；
[0032]圖3是本發明實施例二提供的利用兩個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的不意圖；
[0033]圖4是圖3中損傷部分的局部放大圖；
[0034]圖5是本發明實施例三提供的利用三個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的不意圖；
[0035]圖6是圖5中損傷部分的局部放大圖；
[0036]圖7是本發明實施例四提供的利用四個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的不意圖；
[0037]圖8是圖7中損傷部分的局部放大圖；
[0038]圖9是本發明【具體實施方式】提供的一種損傷定量化監測系統的結構示意圖。
[0039]圖中，1、被測結構；2、損傷；3、傳感器一 ；4、傳感器二 ；5、傳感器三。

【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖並通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0041]根據波動學，當波遇到結構的幾何改變或力學性質改變時，會在改變的界面處發生波的反射或散射。本發明利用該原理在被測結構上布置傳感器網絡，通過分析傳感器直接到達的信號波和經由損傷邊緣反射或散射的信號波獲取損傷的位置及尺寸。傳感器網絡的布置形式為，不在同一直線的三個傳感器形成一個網格單元，根據精度要求將一個網格單元或多個網格單元組合作為傳感器網絡進行損傷定量化監測，網格單元的數量越多，測量的精度越高。傳感器自發自收模式形成第一定位曲線，相鄰傳感器一發一收模式形成第二定位曲線，所述第一定位曲線和所述第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為所確定的損傷區域，自發自收模式即傳感器自己發出自己接收信號的模式，一發一收模式即一個傳感器發出另一個傳感器接收信號的模式。
[0042]針對上述方法，本發明還提出了一種損傷定量化監測系統，用於實現上述的損傷定量化監測方法。如圖9所示，該損傷定量化監測系統包括信號激勵裝置、傳感器網絡、信號採集裝置、信號處理裝置及控制面板。其中，信號激勵裝置用於提供激勵信號；傳感器網絡用於提供監測的基準信號波及當前信號波；信號採集裝置用於採集傳感器網絡提供的基準信號波及當前信號波並傳輸至信號處理裝置；信號處理裝置用於根據當前信號波形成所述多條第一定位曲線和所述多條第二定位曲線並確定損傷區域；控制面板包括用於顯示處理結果的顯示屏和用於控制損傷定量化監測過程的控制界面。
[0043]實施例一:
[0044]本實施例為利用一個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的方法。其包括以下步驟:
[0045]步驟A、如圖1所示，在被測結構I上呈三角形布置三個傳感器，從而形成一個網格單元；
[0046]步驟B、將波信號分別加載到網格單元的三個傳感器上，每個傳感器形成自發自收模式，相鄰傳感器形成一發一收模式，通過兩種採集模式形成定位曲線對損傷2邊緣進行定位，
[0047]傳感器一 3自發自收模式形成的第一定位曲線由公式=
AiT12
確定，即圖1中以傳感器一 3為中心的圓，其中，(Xl，yi)為傳感器一 3的坐標，L12是傳感器一 3和傳感器二 4之間的直線距離，Tcai是波包從傳感器一 3到達損傷2邊緣再回到傳感器一 3的時間，T12是波包從傳感器一 3直接到達傳感器二 4的時間；
[0048]傳感器二 4自發自收模式形成的第一定位曲線由公式2次x-x2)2+(y-zj_ = i確定，即圖1中以傳感器二 4為中心的圓，其中，(X2，y2)為傳
L1X感器二 4的坐標，L23是傳感器二 4和傳感器三5之間的直線距離，Te22是波包從傳感器二 4到達損傷2邊緣再回到傳感器二 4的時間，T23是波包從傳感器二 4直接到達傳感器三5的時間；
[0049]傳感器三5自發自收模式形成的第一定位曲線由公式勾(X_Xi)= k確定，即圖1中以傳感器三5為中心的圓，其中，(x3，y3)為傳
[iiT31
感器三5的坐標，L31是傳感器三5和傳感器一 3之間的直線距離，Te33是波包從傳感器三5到達損傷2邊緣再回到傳感器三5的時間，T31是波包從傳感器三5直接到達傳感器一 3的時間；
[0050]傳感器一 3和傳感器二 4 一發一收模式形成的第二定位曲線由公式
V(X-X1)^(Y-Y1)2 +V(X-X2)2+(y-yj = ^確定，即圖丨中以傳感器一 3和傳感器二
Z12T12
4為焦點的橢圓，其中，Tcl2是波包從傳感器一 3到損傷2邊緣再到達傳感器二 4的時間；[0051 ] 傳感器二 4和傳感器三5—發一收模式形成的第二定位曲線由公式確定，即圖1中以傳感器二 4和傳感器三5
/T
^23123
為焦點的橢圓，其中，Tc23是波包從傳感器二 4到損傷2邊緣再到達傳感器三5的時間；
[0052]傳感器三5和傳感器一 3 —發一收模式形成的第二定位曲線由公式
U+(y-y3) +V(X-X1)2+(y-y丨)=4確定，即圖丨中以傳感器一 3和傳感器三5為
LTn
焦點的橢圓，其中，Tc31是波包從傳感器三5到損傷2邊緣再到達傳感器一 3的時間；
[0053]步驟C、步驟B中獲得的六條曲線相交所圍成的最靠內區域即為利用一個網格單元所確定的損傷2區域，即圖2中圓圈處的交點之間的曲線所圍成的區域。
[0054]其中，!^、!^、!^、!^、!^^ Te31的獲取方式為，當被測結構I處於健康狀態時的信號波為基準信號波，將監測到的當前信號波減去基準信號波即為損傷信號波，通過分析損傷信號波即可獲得由損傷2邊緣抵達接收傳感器的信號波的飛行時間，即?；η、Tc22, Tc33>Tcl2, Tc23和Tm。作為優選的，選用經由損傷2邊緣最先抵達接收傳感器的信號波波群計算波的飛行時間。為了保證測量的準確性和一致性，取基準信號波和當前信號波時，被測結構I所處的環境溫度差小於3°C且被測結構I的載荷條件和噪聲環境基本相同。
[0055]實施例二:
[0056]本實施例為利用兩個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的方法。如圖3所示，其傳感器網絡由兩個相鄰的網格單元形成，四個傳感器排列呈菱形。
[0057]其監測方法與實施例一基本相同，分別作出四個傳感器自發自收模式形成的四條第一定位曲線以及相鄰傳感器一發一收模式形成的四條第二定位曲線，四條第一定位曲線和四條第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為確定的損傷區域，即圖4中圓圈處的交點之間的曲線所圍成的區域。
[0058]實施例三:
[0059]本實施例為利用三個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的方法。如圖5所示，其傳感器網絡由三個相鄰的網格單元形成，五個傳感器排列呈梯形。
[0060]其監測方法與實施例一基本相同，所確定的損傷區域為圖6中圓圈處的交點之間的曲線所圍成的區域。
[0061]實施例四:
[0062]本實施例為利用四個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測的方法。如圖7所示，其傳感器網絡由四個相鄰的網格單元形成，六個傳感器排列呈大三角形。
[0063]其監測方法與實施例一基本相同，所確定的損傷區域為圖8中圓圈處的交點之間的曲線所圍成的區域。
[0064]網絡單元的數量不局限於上述情況，可根據具體的精度要求設定，由圖1至8可以看出，網格單元的數量越多，測量的精度越高。
[0065]以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護範圍的限制。基於此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種損傷定量化監測方法，其特徵在於，在待測結構上布置傳感器網絡，所述傳感器網絡包括至少一個網格單元，所述網格單元包括呈三角形布置的三個傳感器，利用傳感器網絡進行損傷定量化監測:每個傳感器自發自收模式形成多條第一定位曲線，相鄰兩個傳感器一發一收模式形成多條第二定位曲線，所述多條第一定位曲線和所述多條第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為所確定的損傷區域。
2.根據權利要求1所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於，所述利用一個網格單元的傳感器進行損傷定量化監測至少包括以下步驟: 步驟A、在被測結構(I)上呈三角形布置三個傳感器，從而形成一個網格單元； 步驟B、將波信號分別加載到網格單元的三個傳感器上，每個傳感器形成自發自收模式，相鄰傳感器形成一發一收模式，通過兩種採集模式形成定位曲線對損傷邊緣進行定位， 傳感器一(3)自發自收模式形成的第一定位曲線由公式確
定，其中，(Xpy1)為傳感器一(3)的坐標，L12是傳感器一(3)和傳感器二(4)之間的直線距離，Tcll是波包從傳感器一(3)到達損傷(2)邊緣再回到傳感器一(3)的時間，T12是波包從傳感器一(3)直接到達傳感器二(4)的時間； 傳感器二(4)自發自收模式形成的第一定位曲線由公式^
確定，其中，(x2，y2)為傳感器二(4)的坐標，L23是傳感器二(4)和傳感器三(5)之間的直線距離，Tc22是波包從傳感器二(4)到達損傷(2)邊緣再回到傳感器二(4)的時間，T23是波包從傳感器二(4)直接到達傳感器三(5)的時間； 傳感器三(5)自發自收模式形成的第一定位曲線由公式3)
確定，其中，(x3，y3)為傳感器三(5)的坐標，L31是傳感器三(5)和傳感器一(3)之間的直線距離，Tc33是波包從傳感器三(5)到達損傷(2)邊緣再回到傳感器三(5)的時間，T31是波包從傳感器三(5)直接到達傳感器一(3)的時間； 傳感器一(3)和傳感器二(4) 一發一收模式形成的第二定位曲線由公式
確定，其中，Tcl2是波包從傳感器一(3)到
損傷(2)邊緣再到達傳感器二(4)的時間； 傳感器二(4)和傳感器三(5) —發一收模式形成的第二定位曲線由公式
，其中，Tc23是波包從傳感器二(4)到損 傷(2)邊緣再到達傳感器三(5)的時間； 傳感器三(5)和傳感器一(3) —發一收模式形成的第二定位曲線由公式
確定，其中，Te3i是波包從傳感器三(5)到損傷(2)邊緣再到達傳感器一(3)的時間； 步驟C、步驟B中獲得的六條曲線相交所圍成的最靠內區域即為利用一個網格單元所確定的損傷區域。
3.根據權利要求2所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:當被測結構(I)處於健康狀態時的信號波為基準信號波，將監測到的當前信號波減去基準信號波即為損傷信號波，由損傷信號波獲得由損傷(2)邊緣抵達接收傳感器的信號波的飛行時間。
4.根據權利要求3所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:選用經由損傷(2)邊緣最先抵達接收傳感器的信號波波群計算波的飛行時間。
5.根據權利要求1所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:所述利用多個網格單元組合的傳感器進行損傷定量化監測。具體為，在被測結構(I)上布置多個傳感器從而形成多個網格單元，分別作出各個傳感器自發自收模式形成的多條第一定位曲線以及相鄰傳感器一發一收模式形成的多條第二定位曲線，所述多條第一定位曲線和多條第二定位曲線相交所圍成的最靠內區域即為利用多個網格單元組合所確定的損傷區域。
6.根據權利要求5所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:所述多個網格單元組合為由兩個相鄰網格單元形成的菱形傳感器網絡、由三個相鄰網絡單元形成的梯形傳感器網絡或由四個相鄰網絡單元形成的三角形傳感器網絡。
7.根據權利要求3所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:取基準信號波和當前信號波時，被測結構(I)所處的環境溫度差小於3°C。
8.根據權利要求3所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:取基準信號波和當前信號波時，被測結構(I)的載荷條件基本相同。
9.根據權利要求3所述的一種損傷定量化監測方法，其特徵在於:取基準信號波和當前信號波時，被測結構(I)的噪聲環境基本相同。
10.一種損傷定量化監測系統，用於實現如權利要求1至9任一項所述的損傷定量化監測方法，其特徵在於:包括信號激勵裝置、傳感器網絡、信號採集裝置、信號處理裝置及控制面板，其中， 信號激勵裝置，用於提供激勵信號； 傳感器網絡，用於提供監測的基準信號波及當前信號波； 信號採集裝置，用於採集傳感器網絡提供的基準信號波及當前信號波並傳輸至信號處理裝置； 信號處理裝置，用於根據當前信號波形成所述多條第一定位曲線和所述多條第二定位曲線並確定損傷區域；控制面板，包括用於顯示處理結果的顯示屏和用於控制損傷定量化監測過程的控制界面。
【文檔編號】G01N23/00GK104181173SQ201410135808
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】杜朝亮, 趙琳, 高麗敏, 卿新林 申請人:中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心, 中國商用飛機有限責任公司