一种压电夹层性能的两级一致性控制方法

1.本发明属于航空结构健康监测技术领域，具体涉及一种压电夹层性能的两级一致性控制方法。


背景技术：

2.航空结构健康监测技术能够在线监测航空结构的健康状态，进而对结构损伤及剩余寿命进行预测和估计，从而达到保障飞行器结构安全和降低结构维护成本等目的。在众多的结构健康监测技术中，基于导波的结构健康监测技术具有监测距离远、监测面积大、能够实现区域监测、对结构的小损伤敏感等优点。在结构状态监测过程中，损伤定量化诊断结果可以作为单机结构剩余寿命评估与预测的重要依据，因此提高损伤定量化诊断技术的准确性具有重大意义。通常情况下，损伤定量化诊断的关键步骤是使用批量结构件作为训练件，标定信号特征与损伤程度的定量关系，然后将标定模型应用到被监测结构件上。然而，压电传感器网络性能的分散性会直接导致输出导波信号特征的分散性，最终降低基于导波监测技术的损伤定量化诊断的精度，因此控制压电传感器网络性能的一致性技术对提高航空结构单机监控应用中的定量化损伤诊断精度至关重要。
3.然而，当前技术只针对了单个压电传感器的初步性能控制，没有针对定量化损伤诊断的工程应用，不能用于提高单机监控应用中损伤定量化诊断精度。近年来，压电夹层技术逐步应用于飞行器结构健康监测技术中，并验证了压电夹层技术在提高传感器网络性能一致性上的有效性。然而在目前工程应用中，压电夹层技术仅仅保证了单个夹层组成的网络内压电传感器性能的一致性，仍缺少用于损伤定量化诊断的批量压电夹层一致性控制技术。综上所述，开发出批量压电夹层性能的一致性控制技术对提高单机监控应用中损伤定量化诊断的精度具有重大意义。


技术实现要素：

4.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压电夹层性能的两级一致性控制方法，以解决现有技术中压电夹层性能分散性大导致结构损伤定量化诊断精度低的问题。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明的一种压电夹层性能的两级一致性控制方法，步骤如下：
7.(1)获取同一批次生产的压电元件的阻抗曲线，提取压电元件多个典型频率下的阻抗值并构建多维特征向量，根据不同压电元件多维特征向量相似性距离剔除阻抗性能偏差大的压电元件，实现对压电元件的性能第一级一致性控制；
8.(2)基于第一级一致性控制筛选后的压电元件制备批量压电夹层，获取压电夹层上压电元件的阻抗曲线，结合一致性阈值指标对批量压电夹层中相同位置压电元件的多维特征向量进行第二级一致性控制，进一步筛选一致性高的批量压电夹层。
9.进一步地，所述步骤(1)具体包括：
10.(11)获取同一批次生产的压电元件的阻抗曲线，删除阻抗曲线畸变的压电元件；
11.(12)对于第i个压电元件，提取k个典型频率(f1,f2,
…
,fk,
…
,fk)下的阻抗值，构建多维特征向量mfvi：
[0012][0013]
式中，为第i个压电元件在典型频率fk下的阻抗值；
[0014]
(13)度量第i个压电元件的多维特征向量mfvi距离原点的相似性距离di；按di的降序排序，排序后，将距离相近的压电元件分为一类，类别数根据压电夹层中压电元件的数量确定；
[0015]
(14)计算每个类别中压电元件阻抗性能的分散性，典型频率fk中c类压电元件的分散性定义如下：
[0016][0017]
其中，z(c)
max
和z(c)
min
分别表示典型频率fk中c类压电元件阻抗的最大值和最小值，k＝1,2,3,...,k，mean(z(c))表示典型频率fk下c类压电元件的阻抗均值；
[0018]
(15)设置一致性强化阈值控制指标th，如果第c类压电元件的性能参数分散性ec》th，则剔除第c类压电元件中性能相对偏差最大的压电元件，重复执行本步骤，直到满足ec《th，以挑选出一致性好的压电元件，最终实现压电元件性能的一致性控制。
[0019]
进一步地，所述步骤(2)具体包括：
[0020]
(21)基于第一级一致性控制筛选后的压电元件制备批量压电夹层，将第一级一致性控制后的同一类别的压电元件焊接在批量压电夹层的同一位置上，每一个位置单独使用同一类别的压电元件焊接；
[0021]
(22)获取压电夹层上所有位置压电元件的阻抗曲线，分别提取批量压电夹层相同位置的压电元件在k个典型频率(f1,f2,
…
,fk,
…
,fk)下的阻抗值构建多维特征向量；
[0022]
(23)计算批量压电夹层位置p上压电元件阻抗性能的分散性，0《p≤p；在典型频率fk下位置p上压电元件的分散性定义如下：
[0023][0024]
其中，z(p)
max
和z(p)
min
分别表示典型频率fk下位置p压电元件阻抗的最大值和最小值，mean(z(p))表示典型频率fk下位置p压电元件的阻抗均值，k＝1,2,3,...,k；
[0025]
(24)如果批量压电夹层位置p的压电元件性能分散性e
p
》th，则剔除位置p阻抗值相对偏差最大的压电夹层，重复执行本步骤，直到满足e
p
《th，以挑选出一致性好的压电夹层，最终实现压电夹层性能的第二级一致性控制。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
本发明能够大幅降低结构健康监测应用中批量压电夹层导波监测性能的分散性，有效提高定量化诊断精度，在单机结构健康监测的工程应用方面有很好的前景。
附图说明
[0028]
图1为本发明方法流程图。
[0029]
图2为实施例中被监测结构及压电传感器网络布置示意图。
[0030]
图3a为所有压电元件阻抗曲线测试结果示意图。
[0031]
图3b为剔除阻抗曲线畸变后的批量压电元件的阻抗曲线测试结果示意图。
[0032]
图4为同一批次的压电元件提取的多个典型频率下的阻抗值，构建的多维特征向量结果示意图。
[0033]
图5为经过第一级控制后的压电元件分组结果示意图。
[0034]
图6为经过第二级控制后的批量压电夹层不同位置压电元件的阻抗分散性结果示意图。
[0035]
图7为损伤因子和裂纹长度关系标定模型的建立结果示意图。
[0036]
图8a为实施本发明方法后的损伤定量化诊断结果示意图。
[0037]
图8b为未实施本发明方法后的损伤定量化诊断结果示意图。
具体实施方式
[0038]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0039]
图2为实施例的被监测结构及压电传感器网络布置示意图。被监测的结构为典型航空耳片结构件，材料为ly12铝合金，厚度为5mm。根据结构及损伤萌生及扩展的特点，在结构上布置由5个压电传感器组成的传感器网络，以进行损伤定量化诊断。
[0040]
参照图1所示，本发明的一种压电夹层性能的两级一致性控制方法，步骤如下：
[0041]
(1)获取同一批次生产的压电元件的阻抗曲线，提取压电元件多个典型频率下的阻抗值并构建多维特征向量，根据不同压电元件多维特征向量相似性距离剔除阻抗性能偏差大的压电元件，实现对压电元件的性能第一级一致性控制；
[0042]
(11)获取由同一批次制成的所有压电元件的阻抗曲线，然后删除阻抗曲线畸变的压电元件；
[0043]
本实施例中，利用阻抗分析仪测量同一批次生产的100个压电元件的阻抗曲线，图3a为所有压电元件阻抗曲线测试结果，图3b为剔除阻抗曲线畸变后的批量压电元件的阻抗曲线测试结果。
[0044]
(12)对于第i个压电元件来说，提取k个典型频率(f1,f2,
…
,fk,
…
,fk)下的阻抗值，构建多维特征向量mfvi：
[0045][0046]
式中，为第i个压电元件在典型频率fk下的阻抗值；
[0047]
本次实施例中，提取典型频率70khz和典型频率170khz时的阻抗值，即k＝2；图4为同一批次的压电元件提取的多个典型频率下的阻抗值，构建的多维特征向量结果；其中，横坐标mfv(1)表示典型频率70khz下的阻抗值，纵坐标mfv(2)表示典型频率170khz时的阻抗值。
[0048]
(13)计算第i个压电元件多维特征向量mfvi距原点的相似性距离di，本实施例中使
用工程中常用的欧式距离来进行相似性度量，其计算公式如下：
[0049][0050]
然后，按di的降序排序，排序后，将距离相近的压电元件分为一类，根据批量压电夹层数量来确定每个类别中的压电元件数量，所分的类别数根据压电夹层中压电元件的数量确定。
[0051]
(14)计算每个类别中压电元件阻抗性能的分散性；典型频率fk(k＝1,2,3,...,k)中c类压电元件的分散性定义如下：
[0052][0053]
其中，z(c)
max
和z(c)
min
分别表示典型频率fk中c类压电元件阻抗的最大值和最小值，mean(z(c))表示典型频率fk下c类压电元件的阻抗均值。
[0054]
(15)设置一致性强化阈值控制指标th＝5％，如果第c类压电元件的性能参数分散性ec》th，则剔除第c类压电元件中性能相对偏差最大的压电元件，重复执行本步骤，直到满足ec《th，以挑选出一致性好的压电夹层，最终实现压电元件性能的一致性控制；
[0055]
本实施例中，最终需要制作6个批量压电夹层，且每个压电夹层有5个传感器位置，为了保证不同压电夹层上相同位置传感器性能的一致性，最终根据欧式距离的远近，将压电元件分成5组，每组至少10个；图5为经过第一级控制后的压电元件分组结果，其中相同形状的散点代表一组，每组压电元件的阻抗分散性控制在5％以内。
[0056]
(2)基于第一级一致性控制筛选后的压电元件制备批量压电夹层，获取压电夹层上压电元件的阻抗曲线，结合一致性阈值指标对批量压电夹层中相同位置压电元件的多维特征向量进行第二级一致性控制，进一步筛选一致性高的批量压电夹层。
[0057]
(21)基于第一级一致性控制筛选后的压电元件制备批量压电夹层，将第一级一致性控制后的同一类别的压电元件焊接在批量压电夹层的同一位置上，每一个位置单独使用同一类别的压电元件焊接；
[0058]
(22)获取压电夹层上所有位置压电元件的阻抗曲线，分别提取批量压电夹层相同位置的压电元件在k个典型频率(f1,f2,
…
,fk,
…
,fk)下的阻抗值构建多维特征向量；
[0059]
(23)计算批量压电夹层位置p上压电元件阻抗性能的分散性，0《p≤p；在典型频率fk下位置p上压电元件的分散性定义如下：
[0060][0061]
其中，z(p)
max
和z(p)
min
分别表示典型频率fk下位置p压电元件阻抗的最大值和最小值，mean(z(p))表示典型频率fk下位置p压电元件的阻抗均值，k＝1,2,3,...,k；
[0062]
(24)如果批量压电夹层位置p的压电元件性能分散性e
p
》th，则剔除位置p阻抗值相对偏差最大的压电夹层，重复执行本步骤，直到满足e
p
《th，以挑选出一致性好的压电夹层，最终实现压电夹层性能的第二级一致性控制。图6为经过第二级控制后的批量压电夹层不同位置压电元件的阻抗分散性结果示意图，典型频率下的阻抗分散性均控制在5％以内。
[0063]
将实施本发明所提出的两级一致性控制方法后的批量压电夹层固化在批量耳片结构件上，开展疲劳试验使结构裂纹长度发生扩展，并使用显微镜记录真实裂纹长度数据，同时获取典型激励-传感通道1-3的导波信号并提取相应的损伤因子，得到的训练数据集如图7所示；采用如下式所示的多项式构建裂纹长度和损伤因子的之间的标定模型，多项式模型的参数由最小二乘法得到；
[0064]
a＝f(di)＝β0 β1·
di β2·
(di)2 ... β
p
·
(di)
p
[0065]
式中，a表示裂纹长度，f(.)表示训练出的标定模型，di表示获取的损伤因子，β0,β1,β2,...,β
p
为多项式拟合参数，p为多项式的阶数，损伤因子和裂纹长度关系标定模型的建立结果如图7所示。
[0066]
在被监测试件裂纹扩展过程中，获取当前监测时间时刻tn的导波信号并提取相应的损伤因子，记为gwf(tn)；当gwf(tn)输入到标定模型中时，可以定量输出裂纹长度：
[0067]
d(tn)＝f(gwf(tn))
[0068]
其中，d(tn)表示当前监测时刻tn监测结构的裂纹长度；f(.)表示训练出的标定模型；图8a为实施本发明方法后的损伤定量化诊断结果，其中横坐标为载荷循环数，纵坐标为裂纹长度，可以看出，被监测试件的裂纹定量化诊断结果和实际裂纹长度都较为接近，裂纹监测的绝对误差范围为
±
1.1mm，均方根误差为0.8mm；相比于图8b未实施本发明方法的定量化诊断结果而言，本发明方法可以有效地提高损伤定量化评估精度，损伤定量化精度提高了38％。
[0069]
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。