基于信号对称性的各向同性平板结构的冲击损伤识别方法与流程

1.本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种各向同性平板结构的冲击损伤识别方法。


背景技术：

2.铝合金是航空结构中主要的金属材料之一，它是一种各向同性材料，广泛应用于蒙皮、框体、支架、等航空结构。航空结构在生产、运输、使用和维护过程中，不可避免的要遭受外部冲击，这将导致结构的强度和稳定性下降，甚至引起整个结构的突发性破坏。如何快速估计冲击位置并确定潜在的损伤位置是保证航空结构安全的重要任务。
3.常见的冲击定位方法，一般只会识别出冲击位置，而不会对结构是否发生损伤进行评估，并不能满足航空冲击监测系统的要求。
4.现在的冲击损伤监测系统，一般是分为两个系统，一个是被动式的冲击监测系统，一个是主动式的损伤监测系统。被动式的冲击监测系统用于冲击位置监测，主动式的损伤监测系统用于损伤的监测。主动式的损伤监测系统对硬件的要求较高，需要在结构中主动激发信号，通过多个路径的损伤散射信号进行信号处理，从而获得损伤识别。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于信号对称性的各向同性平板结构的冲击损伤识别方法，该方法可以有效解决冲击监测中不能同时识别冲击位置和识别损伤的问题，可以快速对监测区域进行冲击位置和冲击损伤的识别和监测。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于信号对称性的各向同性平板结构的冲击损伤识别方法，包括如下步骤：步骤一，在各向同性平板结构的上下表面分别布设用于监测冲击事件的传感器阵列，上下表面的传感器一一对应，对上下表面的传感器进行编号，所有传感器都与同一个监测中心连接；步骤二，以各向同性平板结构上表面所设置的每一个传感器所在位置分别作为一个网格的顶点，一个网格有m个顶点组成，各向同性平板结构上表面具有多个网格，m为大于或等于3的自然数；步骤三，当冲击事件发生时，从各向同性平板结构上表面的传感器中选出信号波达时间最早的传感器，并以该传感器的信号波达时间为参考，选择该传感器信号超阈值的时刻作为传感器信号截取的开始时间；假设传感器信号截取的开始时间为，传感器信号截取的结束时间为，根据以下公式计算各向同性平板结构上表面的各个传感器信号的信号能量：
式中，为传感器信号；步骤四，从步骤三计算的各个传感器信号的信号能量中选择出信号能量最强的前m个传感器，作为冲击传感器；将各向同性平板结构上表面中除冲击传感器以外的其他传感器的传感器信号能量设置为零；步骤五，对各向同性平板结构上表面的各个网格中的传感器的传感器信号能量求和，并对求和结果按照大小排序，选择传感器信号能量最大的网格作为冲击点所在的网格；步骤六，利用冲击点所在网格中的传感器信号能量和传感器的坐标，按照以下公式估计冲击位置：，式中，和是估计的冲击位置的坐标，和是各个传感器的坐标，是各个传感器的信号能量；步骤七，对各向同性平板结构上表面的传感器按照传感器信号能量从大到小排列，选择排序为第m的传感器，假设该传感器编号为p，同时选择对应的下表面编号为p’的传感器，对所选择的两个传感器的传感器信号进行相关性分析，如果两个信号的相关性较低，则认为冲击后各向同性平板结构产生了损伤，反之则认为冲击后各向同性平板结构没有产生损伤。
7.所述网格为三角形网格、四边形网格或五边形网格。
8.所述监测中心的数据采集系统同步采集各个传感器的信号，当各个传感器的信号都没有超信号阈值时，数据采集系统把采集到的信号丢掉，然后处理新采集的信号；当采集的一组信号中存在超阈值信号，就把采集到的信号送入监测中心的处理系统，进行冲击位置的确定和损伤的识别。
9.本发明的基本思路是根据距离冲击点越近，传感器信号的波达时间越早，传感器信号的信号能量越强；当结构发生冲击损伤的时候，平板结构上下表面的传感器信号的对称性将被打破。本发明利用监测区域各个传感器信号的波达时间和信号能量来估计冲击位置，利用平板结构上下表面的传感器信号的对称性来识别冲击损伤，将传统的被动式监测系统和主动式监测系统来监测冲击损伤的问题统一为被动式监测系统来监测冲击位置和冲击损伤是否发生，从而简化了系统的硬件需求，并简化了信号处理过程，能够满足结构健康监测实时监测的在线要求。
10.本发明的有益效果是：本发明通过传感器信号波达时间和信号能量来识别冲击位置，利用平板结构上下表面传感器信号的对称性来识别损伤，可以有效解决冲击监测中不能同时识别冲击位置和识别损伤的问题；本发明的算法新颖，算法速度快，对软件和硬件的要求都较低。本发明能够满足各向同性结构大面积在线实时冲击监测的需求，可以促进我们国家的结构健康监测技术的应用和发展。
附图说明
11.图1为本发明的冲击损伤识别方法的流程示意图。
12.图2为传感器信号的信号截取时间的示意图。
13.图3为冲击测试的冲击点和传感器位置图。
14.图4为各个传感器的信号能量的分布图。
15.图5为不同冲击速度下，平板结构上下表面传感器信号的相似系数。
16.图6为平板结构无损伤时，上表面传感器和下表面传感器的信号图。
17.图7为平板结构有损伤时，上表面传感器和下表面传感器的信号图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
19.本发明所述的基于信号对称性的各向同性平板结构的冲击损伤识别方法按照图1所示的流程进行，详细步骤如下：步骤一，各向同性平板结构上布设了两组传感器阵列，一组传感器阵列布设在平板的上表面，另外一组传感器阵列布设在平板的下表面，并且传感器上下一一对应；两组传感器阵列中每个传感器都与监测中心的数据采集系统相连，监测中心对每个传感器的传感器信号进行同步采集；步骤二，利用传感器的分布将各向同性平板结构的监测区域划分为多个互不重叠的网格，作为监测子区域，任一网格中的传感器都作为该网格的顶点；所述网格可以根据传感器的实际分布灵活选择，例如可以使用三角形网格、四边形网格、五边形网格等，当采用四边形网格划分的时候，每4个相邻的传感器作为一个网格单元的顶点，这个网格单元就是一个监测子区域，类似的，用五边形网格时，每个网格有5个传感器作为顶点；步骤三，（1）当有冲击事件发生，平板上的传感器的信号会超过阈值，各个传感器会接收到平板结构的响应信号，数据采集系统会把采集的信号储存到系统里，以备冲击损伤识别方法来分析和使用；如果各个传感器的信号都没有超信号阈值时，数据采集系统把采集到的信号丢掉，然后处理新采集的信号；（2）从各向同性平板结构上表面的传感器中选出信号波达时间最早的传感器，并以该传感器的信号波达时间为参考，选择该传感器信号超阈值的时刻作为传感器信号截取的开始时间；假设传感器信号截取的开始时间为，传感器信号截取的结束时间为，根据以下公式计算各向同性平板结构上表面的各个传感器信号的信号能量：式中，为传感器信号；步骤四，从步骤三计算的各个传感器信号的信号能量中选择出信号能量最强的前m个传感器，作为冲击传感器；将各向同性平板结构上表面中除冲击传感器以外的其他传感器的传感器信号能量设置为零；其中，m为划分的单个网格中顶点的个数，例如这里可以取m为4，也就是说，四个传感器围成一个监测子区域；步骤五，对各向同性平板结构上表面的各个网格中的传感器的传感器信号能量求
和，并对求和结果按照大小排序，选择传感器信号能量最大的网格作为冲击点所在的网格；步骤六，利用冲击点所在网格中的传感器信号能量和传感器的坐标，利用重心法按照以下公式估计冲击位置：，式中，和是估计的冲击位置的坐标，和是各个传感器的坐标，是各个传感器的信号能量；步骤七，对各向同性平板结构上表面的传感器按照传感器信号能量从大到小排列，选择排序为第m的传感器，假设该传感器编号为p，同时选择对应的下表面编号为p’的传感器，对所选择的两个传感器的传感器信号进行相关性分析，如果两个信号的相关性较低，则认为冲击后各向同性平板结构产生了损伤，反之则认为冲击后各向同性平板结构没有产生损伤。
20.为了更好地说明本发明的技术方案，在一个各向同性的铝板上进行冲击损伤监测，在铝板上下表面均布设传感器阵列，依次来说明本发明方法的具体实施过程。
21.如图3所示，各向同性的铝板尺寸为，在各向同性铝板的上表面和下表面各布设16个传感器，上表面的传感器记为1号到16号传感器，下表面的传感器记为1’号到16’号传感器。如图3所示，16个传感器，4个为一组，把监测区域分成了9个监测子区域，从左到右、从上到下，依次把监测子区域编号为1号子区域到9号子区域。平板结构的下表面也有16个传感器，传感器分布和平板上表面的传感器分布一样，下表面的传感器也把监测区域分成了9个监测子区域，子区域的编号方式和平板上表面的子区域编号方式相同。
22.在以平板结构的中心位置进行冲击为例，完整的监测过程如下所示：（1）按照上述方式布设传感器和划分监测子区域。
23.（2）当发生冲击事件后，平板结构在冲击点会产生应力波，应力波向结构中传播，监测系统采用的是同步采集，平板结构上的传感器阵列会接收到应力波信号，每个传感器采集600个数据点。
24.（3）提取平板结构上表面的传感器信号的波达时间，选择波达时间最早的传感器信号，以此传感器的波达时间为信号截取的开始时间，以传感器的间距和波速来确定信号长度，如图2所示。
25.（4）计算平板结构上表面各个传感器的信号能量，选择信号能量最强的4个传感器信号能量，然后，把其它传感器信号能量设置为0。如图4所示，信号能量最强的前四个传感器为6、7、10、11号。
26.（5）计算各个监测子区域内传感器信号能量之和，选择信号能量之和最大的子区域作为冲击位置所在区域，从图4的各个传感器信号能量分布，可以确定由6、7、10、11号传感器围成的监测子区域为冲击位置所在区域。
27.（6）利用冲击所在网格中的传感器信号能量和传感器的坐标，利用重心法来进一步估计冲击位置。经过计算获得冲击位置为（
‑
0.0077cm，
‑
0.0119cm），真实位置为（0cm,
0cm），估计位置和真实位置很接近。
28.（7）根据传感器信号能量从大到小的排序，选择第m个传感器，这里m取4，根据图4可以知道，选择传感器编号7的传感器。分析编号是7的传感器位置的平板上下表面的传感器信号的对称性，可以进行相关性分析，获得相关系数。
29.（8）如图5所示，随着冲击速度的增加，平板结构从无损伤变为有损伤，平板结构上下表面的传感器信号的对称性减少。当有损伤的时候，结构的对称性被打破，因此，可以利用对称性来识别结构是否发生损伤。
30.（9）如图6所示，当冲击速度为5m/s的时候，平板结构没有损伤，平板结构的上下表面的信号有很好的对称性，信号的波形几乎重合。如图7所示，当冲击速度为20m/s的时候，平板结构发生损伤，平板结构的上下表面的信号的对称性变差，信号的波形出现明显差异性。
31.因此，当有冲击事件发生，通过信号的相似系数分析平板结构上下表面传感器信号的对称性，从而来识别结构是否发生损伤。
32.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。