超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统和方法与流程

1.本发明涉及金属板损伤监测技术领域，特别地，涉及超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统和方法。


背景技术：

2.结构损伤监测技术综合运用了传感器技术、信号处理和分析技术、特征提取技术、寿命评估技术等，以实现对结构的损伤状态进行实时监测，从而对可能出现的损伤和破坏进行提前预测，并以此为基础进行维修决策和损伤预后。压电传感器和光纤光栅传感器是结构损伤监测领域应用最广泛的两类传感器。压电传感器既能产生超声激励信号又能接收超声信号，可以对较大范围的区域进行损伤监测，但压电传感器受电磁干扰比较严重，且其引线繁杂增加了监测系统的重量。光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、不受外界电磁干扰等特性，但光纤光栅监测的范围较小，适用于局部区域的应变监测。
3.目前大多数结构损伤监测技术只是单独采用压电传感器或者光纤光栅传感器进行监测，压电传感器线缆多，易受电磁干扰，光纤光栅传感器监测范围小，因而目前在结构损伤监测方面不能得到很好的效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统和方法，用以解决提高结构损伤监测效果的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统，所述金属板中的待测区域包括多个待测像素点，该系统包括：多对传感器，设置在所述金属板的待测区域的边界上，每对传感器包括一个压电传感器和一个光纤光栅传感器，每对传感器中的光纤光栅传感器的轴向方向正对压电传感器的圆心，所述压电传感器用于发射波信号，所述光纤光栅传感器用于接收波信号，其中，发射的波信号为激励信号，接收的波信号为接收信号；信号处理模块，用于根据预先获取的参考基准信号和所述接收信号计算信号差分系数；以及损伤概率计算模块，用于根据所述信号差分系数、所述压电传感器和所述光纤光栅传感器的位置，计算得到所述金属板中每个待测像素点的损伤概率。
6.优选地，所述信号处理模块还用于：预先获取所述参考基准信号的时间参数和幅值，即参考时间参数和参考幅值；对所述接收信号进行信号处理，得到所述接收信号的时间参数和幅值，即测量时间参数和测量幅值；以及根据所述参考时间参数和所述参考幅值以及所述测量时间参数和所述测量幅值，计算得到每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数。
7.优选地，所述参考基准信号为预先在所述金属板无损状态下通过所述多对传感器测量得到的信号。
8.优选地，所述损伤概率计算模块还用于：计算每个待测像素点与每个压电传感器和每个光纤光栅传感器的位置关系，即待测像素点位置参数；以及根据预先确定的形状参
数与所述待测像素点位置参数之间的对比关系，并根据每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数，计算得到每个待测像素点的损伤概率。
9.优选地，所述波信号为基础对称模态的波信号。
10.相应地，本发明还提供了一种超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测方法，所述金属板中的待测区域包括多个待测像素点，在所述金属板的待测区域的边界上设置多对传感器，每对传感器包括一个压电传感器和一个光纤光栅传感器，每对传感器中的光纤光栅传感器的轴向方向正对压电传感器的圆心，所述压电传感器用于发射波信号，所述光纤光栅传感器用于接收波信号，其中，发射的波信号为激励信号，接收的波信号为接收信号，该方法包括：获取所述接收信号；根据预先获取的参考基准信号和所述接收信号计算信号差分系数；以及根据所述信号差分系数、所述压电传感器和所述光纤光栅传感器的位置，计算得到所述金属板中每个待测像素点的损伤概率。
11.优选地，所述根据预先获取的参考基准信号和所述接收信号计算信号差分系数包括：预先获取所述参考基准信号的时间参数和幅值，即参考时间参数和参考幅值；对所述接收信号进行信号处理，得到所述接收信号的时间参数和幅值，即测量时间参数和测量幅值；以及根据所述参考时间参数和所述参考幅值以及所述测量时间参数和所述测量幅值，计算得到每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数。
12.优选地，所述参考基准信号为预先在所述金属板无损状态下通过所述多对传感器测量得到的信号。
13.优选地，所述根据所述信号差分系数、所述压电传感器和所述光纤光栅传感器的位置，计算得到所述金属板中每个待测像素点的损伤概率包括：计算每个待测像素点与每个压电传感器和每个光纤光栅传感器的位置关系，即待测像素点位置参数；以及根据预先确定的形状参数与所述待测像素点位置参数之间的对比关系，并根据每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数，计算得到每个待测像素点的损伤概率。
14.优选地，所述波信号为基础对称模态的波信号。
15.本发明通过在待测区域的边界上设置多对压电传感器和光纤光栅传感器，结合参考基准信号和接收信号计算信号差分系数，再利用信号差分系数和传感器的位置来计算每个待测像素点的损伤概率，本发明将压电传感器和光纤光栅传感器的优点相结合，既能监测较大范围的区域，又具有体积小、重量轻的特点，大大提高了结构损伤监测的效果。
附图说明
16.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
17.图1是本发明提供的超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统的框图；
18.图2是本发明提供的金属板表面设置的压电传感器和光纤光栅传感器的布局示意图；以及
19.图3是本发明提供的超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测方法的流程图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
21.图1是本发明提供的超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测系统的框图，如图1所示，该系统包括该系统包括传感器组10(包括多对传感器，即多个传感器对)、信号处理模块20和损伤概率计算模块30，其中，为了使图1的展示更加容易理解，将多对传感器通过传感器组10来表示，并在图1中显示为多个传感器对，应当说明的是，这仅仅是示意，而并不是用于限制本发明。
22.本发明的目的是对金属板，特别是铝合金板的结构损伤概率进行监测，金属板中的待测区域包括多个待测像素点。
23.多对传感器设置在金属板的待测区域的边界上，每对传感器包括一个压电传感器和一个光纤光栅传感器，每对传感器中的光纤光栅传感器的轴向方向正对压电传感器的圆心，压电传感器用于发射波信号，光纤光栅传感器用于接收波信号，其中，发射的波信号为激励信号，接收的波信号为接收信号。待测区域可以是整个金属板，也可以是金属板的一部分。发射激励信号的传感器可以称为激励传感器，接收到接收信号的传感器可以称为接收传感器，在本技术中，激励传感器采用压电传感器，接收传感器采用光纤光栅传感器。
24.为了达到更好的监测效果，可以对金属板表面用砂纸进行打磨，去除表面的氧化层和划痕，然后在金属板上布贴压电传感器(如压电陶瓷片)和光纤光栅传感器。
25.图2是本发明提供的金属板表面设置的压电传感器和光纤光栅传感器的布局示意图，在图2中，以长和宽均为400mm的正方形金属板为例进行说明，其上设置了8对传感器，共有8个压电传感器(在图2中分别标识为a、b、c、d、e、f、g、h)和8个光纤光栅传感器(在图2中分别标识为1、2、3、4、5、6、7、8)，所形成的8对传感器如下：
26.第1对传感器：标识为a的压电传感器和标识为6的光纤光栅传感器；
27.第2对传感器：标识为b的压电传感器和标识为7的光纤光栅传感器；
28.第3对传感器：标识为c的压电传感器和标识为8的光纤光栅传感器；
29.第4对传感器：标识为d的压电传感器和标识为1的光纤光栅传感器；
30.第5对传感器：标识为e的压电传感器和标识为2的光纤光栅传感器；
31.第6对传感器：标识为f的压电传感器和标识为3的光纤光栅传感器；
32.第7对传感器：标识为g的压电传感器和标识为4的光纤光栅传感器；
33.第8对传感器：标识为h的压电传感器和标识为5的光纤光栅传感器。
34.图2中，待测区域是整个金属板，从图2可以看出，8对传感器的布置围绕正方形金属板的中心，8个压电传感器等间距地布置在正方形相邻的两条边上，类似地，8个光纤光栅传感器等间距地布置在正方形相邻的另外两条边上，每对传感器中的光纤光栅传感器的轴向方向均正对着压电传感器的圆心，例如，在第1对传感器中，标识为6的光纤光栅传感器的轴向方向正对着标识为a的压电传感器。
35.本领域技术人员应当理解，图2所示的实施例仅仅是出于示例的目的，待测区域的大小以及布置的传感器的数量均可以根据实际情况进行改变。
36.图1中所示的信号处理模块20用于根据预先获取的参考基准信号和接收信号计算信号差分系数。应当理解，对于每个光纤光栅传感器每次接收到的接收信号，均可以计算得
到一信号差分系数。
37.参考基准信号为预先在金属板无损状态下通过多对传感器测量得到的信号，应当理解，参考基准信号可以采用上文中所描述的同样的传感器进行监测，参考基准信号的获取和处理的方式和原理与本技术中接收信号的获取和处理的方式和原理类似，不同的是，参考基准信号是在已知金属板是无损状态的情况下得到的。
38.仍以图2所示的实施例为例，图2中显示了8个压电传感器和8个光纤光栅传感器，压电传感器用于发射波信号，光纤光栅传感器用于接收波信号，对于每个压电传感器发射的波信号，8个光纤光栅传感器均可以接收，可以理解，在对8个光纤光栅传感器接收的波信号进行采集后，会得到64组接收信号，类似地，也就有64组参考基准信号，对应地，就可以得到64个信号差分系数。
39.在本技术中，为了达到更好的监测效果，波信号为基础对称模态的波信号，关于对波信号进行提取波信号中的基础对称模态的波信号以及对波信号进行降噪、滤波等处理为本领域的常规技术，于此不予赘述。
40.图1中所示的损伤概率计算模块30用于根据信号差分系数、压电传感器和光纤光栅传感器的位置，计算得到金属板中每个待测像素点的损伤概率。
41.仍以图2所示的实施例为例，在有64个信号差分系数的情况下，对应会计算得到64组损伤概率的数据，每组损伤概率的数据包括待测区域的每个待测像素点的损伤概率的基础值，也就是每个待测像素点有64个损伤概率的基础值，将每个待测像素点的64个损伤概率的基础值叠加，形成每个待测像素点的损伤概率。其中，损伤概率的基础值为通过对一个光纤光栅传感器的一次采集的一个接收信号进行分析得到的损伤概率。
42.图1所示的信号处理模块20还用于：预先获取参考基准信号的时间参数和幅值，即参考时间参数和参考幅值；对接收信号进行信号处理，得到接收信号的时间参数和幅值，即测量时间参数和测量幅值；根据参考时间参数和参考幅值以及测量时间参数和测量幅值，计算得到每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数。这里的幅值可以理解为电信号的电压值。
43.应当理解，对于每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对均计算一信号差分系数，具体计算公式如下：
[0044][0045]
在公式(1)中，sdc
ij
表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号计算得到的信号差分系数；t0表示接收信号的起始时间，t0可以认为是测量时间参数；δt表示接收信号的持续时间(一般来说，参考基准信号的持续时间也为δt)，δt可以认为是测量时间参数，也可以认为是参考时间参数；p
ij
表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号所得到的参考基准信号的幅值(即参考幅值)；表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号所得到的参考基准信号的幅值在δt时间内的平均值；q
ij
表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器
接收波信号所得到的接收信号的幅值(即测量幅值)；表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号所得到的接收信号的幅值在δt时间内的平均值。对于和的计算方式为本领域的公知技术，于此不予赘述。
[0046]
针对每个压电传感器和每个光纤光栅传感器所形成的信号收发对均计算一信号差分系数，那么对于图2所示的实施例，由于有8个压电传感器和8个光纤光栅传感器，因而会形成64个信号收发对，对应地会得到64个信号差分系数，信号差分系数的值越大，表明对应的压电传感器与光纤光栅传感器之间的损伤概率越大。
[0047]
图1所示的损伤概率计算模块30还用于：计算每个待测像素点与每个压电传感器和每个光纤光栅传感器的位置关系，即待测像素点位置参数；根据预先确定的形状参数与待测像素点位置参数之间的对比关系，并根据每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数，计算得到每个待测像素点的损伤概率。
[0048]
上文中介绍了对于每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对均计算一信号差分系数，相应地，对于每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对，均对应地计算一损伤概率，具体计算方式如下：
[0049][0050]
在公式(2)中，s
ij
(x,y)表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号情况下，针对第i个压电传感器与第j个光纤光栅传感器形成的信号收发对所得到的损伤概率；β表示预先确定的形状参数，取值一般在1-1.1之间；r
ij
(x,y)表示第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器到待测像素点(x,y)的距离之和与第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器之间的距离的比值，r
ij
(x,y)即为待测像素点(x,y)的位置参数；sdc
ij
表示第i个压电传感器发射波信号且第j个光纤光栅传感器接收波信号计算得到的信号差分系数。
[0051]
从公式(2)可以看出，在β＞r
ij
(x,y)的情况下，在β≤r
ij
(x,y)的情况下，s
ij
(x,y)＝0，可以这样理解，以第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器之间的距离作为椭圆的焦距，β作为椭圆长轴与焦距的比值，可以确定一个椭圆，也就是说以第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器为基础可以确定一个椭圆区域，在这个椭圆区域内的待测像素点的损伤概率的基础值为s
ij
(x,y)，在这个椭圆区域外的待测像素点的损伤概率的基础值为0，针对每个待测像素点，将所有的损伤概率的基础值叠加，就得到的每个待测像素点的损伤概率。在图2所示的实施例中，i的取值为1-8，j的取值为1-8，那么对于每个待测像素点会有64个这样的损伤概率的基础值，针对每个待测像素点，将64个损伤概率的基础值叠加，就得到了每个待测像素点的损伤概率。
[0052]
公式(2)中的r
ij
(x,y)的计算公式如下：
[0053][0054]
在公式(3)中，r
ij
(x,y)表示第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器到点(x,y)的距离之和与第i个压电传感器和第j个光纤光栅传感器之间的距离的比值；xi表示第i个压电传感器位置坐标中的横坐标值；yi表示第i个压电传感器位置坐标中的纵坐标值；xj表示第j个光纤光栅传感器位置坐标中的横坐标值；yj表示第j个光纤光栅传感器位置坐标中的纵坐标值；x表示待测像素点的位置坐标的横坐标值；y表示待测像素点的位置坐标的纵坐标值。在实际操作过程中，压电传感器的位置可以为压电传感器的中心位置，光纤光栅传感器的位置可以为光纤光栅传感器的中心位置。
[0055]
图3是本发明提供的超声激励-光纤光栅传感的金属板损伤监测方法的流程图，金属板中的待测区域包括多个待测像素点，在金属板的待测区域的边界上设置多对传感器，每对传感器包括一个压电传感器和一个光纤光栅传感器，每对传感器中的光纤光栅传感器的轴向方向正对压电传感器的圆心，压电传感器用于发射波信号，光纤光栅传感器用于接收波信号，其中，发射的波信号为激励信号，接收的波信号为接收信号，如图3所示，该方法包括：
[0056]
步骤s301，获取接收信号；
[0057]
步骤s302，根据预先获取的参考基准信号和接收信号计算信号差分系数；
[0058]
步骤s303，根据信号差分系数、压电传感器和光纤光栅传感器的位置，计算得到金属板中每个待测像素点的损伤概率。
[0059]
其中，根据预先获取的参考基准信号和所述接收信号计算信号差分系数包括：预先获取参考基准信号的时间参数和幅值，即参考时间参数和参考幅值；对接收信号进行信号处理，得到接收信号的时间参数和幅值，即测量时间参数和测量幅值；根据参考时间参数和参考幅值以及测量时间参数和测量幅值，计算得到每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数。
[0060]
其中，参考基准信号为预先在金属板无损状态下通过多对传感器测量得到的信号。
[0061]
其中，根据信号差分系数、压电传感器和光纤光栅传感器的位置，计算得到金属板中每个待测像素点的损伤概率包括：计算每个待测像素点与每个压电传感器和每个光纤光栅传感器的位置关系，即待测像素点位置参数；根据预先确定的形状参数与待测像素点位置参数之间的对比关系，并根据每个压电传感器与每个光纤光栅传感器形成的信号收发对的信号差分系数，计算得到每个待测像素点的损伤概率。
[0062]
其中，波信号为基础对称模态的波信号。
[0063]
需要说明的是，本发明提供的光纤光栅传感的金属板损伤监测方法的具体细节及益处与本发明提供的光纤光栅传感的金属板损伤监测系统类似，于此不予赘述。
[0064]
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
[0065]
通过本发明采用的超声激励-光纤光栅传感监测技术，将光纤光栅的抗电磁干扰、
体积小、重量轻的独特优势与超声波能量高、穿透性强、方向性好的特点相结合，能够对较大范围内的区域进行监测，在结构损伤监测领域展现出巨大的应用潜力。
[0066]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0067]
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。