一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方 法、裝置和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過(guò)復(fù)合工藝組 合而成的一種多相材料，它既保留了原組分材料的主要特點(diǎn)，又顯示了原組分材料所沒(méi)有 的新性能。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如航空 航天技術(shù)領(lǐng)域。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)不言而喻，但復(fù)合材料在加工和使用過(guò)程中不可避免的會(huì) 產(chǎn)生損傷，因而有必要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM，StructuralHealth Monitoring)〇
[0003] 聲發(fā)射（AE，AcousticEmission)是指在外界應(yīng)力或溫度等作用下，材料內(nèi)部出現(xiàn) 變形或裂紋等微觀狀態(tài)的變化時(shí)，一部分能量以彈性波的形式釋放的現(xiàn)象。因聲發(fā)射具有 動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的損傷監(jiān)測(cè)。
[0004] 然而，復(fù)合材料的損傷類型多樣，其發(fā)生的損傷類型主要包括：基體開(kāi)裂（Matrix Crack)、脫膠（Debonding)、分層（Delamination)和纖維斷裂（FiberBreakage)。每種類 型的損傷都對(duì)應(yīng)一種具有不同時(shí)頻參數(shù)的聲發(fā)射信號(hào)，并且往往多種類型的損傷信號(hào)會(huì)混 疊在一起，因此需要合適的解混方法。
[0005] 盲源分離（BSS，BlindSourceSeparation)是為解決多個(gè)信號(hào)混合的分離問(wèn)題而 產(chǎn)生的一種信號(hào)處理方法，在語(yǔ)音、振動(dòng)、圖像、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域上都有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng) 傳感器數(shù)量比損傷類型數(shù)量少時(shí)的盲源分離問(wèn)題稱為欠定盲源分離，欠定盲源分離相對(duì)于 超定盲源分離（傳感器數(shù)量比損傷類型數(shù)量多）及正定盲源分離（傳感器數(shù)量與損傷類型 數(shù)量相同）的情形，由于損傷信號(hào)混合矩陣不可逆，因而更具有挑戰(zhàn)性，是目前盲源分離的 研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0006]目前關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)手段存在以下缺陷：
[0007] 1、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷類型多，損傷信號(hào)常常是多種損傷的混合信號(hào)，目前缺乏 有效的混合信號(hào)分離方法；
[0008] 2、雖然通過(guò)增加傳感器數(shù)量可以提高結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)精度，但是過(guò)多的傳感器及 其引線會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和負(fù)擔(dān)。
[0009] 因此，亟需探索利用少量傳感器就能獲得較好監(jiān)測(cè)效果的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān) 測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例期望提供一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān) 測(cè)方法、裝置和系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方法，所述方法包括：
[0012] 獲得傳感信號(hào)，并對(duì)獲得的傳感信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到聲發(fā)射波形信號(hào)；
[0013] 對(duì)所述聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣；
[0014] 對(duì)所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏盲源分離，得到分離后的信號(hào)；
[0015] 對(duì)所述分離后的信號(hào)進(jìn)行小波消噪處理，得到消噪后的分離信號(hào)。
[0016] 在一種可實(shí)施方式中，所述對(duì)聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù) 矩陣，包括：
[0017] 對(duì)所述聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行低頻載荷信號(hào)濾除處理，得到無(wú)載荷聲發(fā)射信號(hào)；
[0018] 對(duì)所述無(wú)載荷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行有效的聲發(fā)射數(shù)據(jù)段截取處理，得到有效聲發(fā)射信 號(hào)；
[0019] 對(duì)所述有效聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行中心化處理，得到中心化聲發(fā)射信號(hào)；
[0020] 對(duì)所述中心化聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)白化處理，得到所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣。
[0021] 在一種可實(shí)施方式中，所述對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏盲源分離，得到分離 后的信號(hào)，包括：
[0022] 對(duì)所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏表示，得到稀疏混合信號(hào)；
[0023] 對(duì)所述稀疏混合信號(hào)進(jìn)行混合矩陣估計(jì)，得到稀疏混合矩陣；
[0024] 對(duì)所述稀疏混合信號(hào)和稀疏混合矩陣進(jìn)行1^范數(shù)最小化處理，得到稀疏源信號(hào)；
[0025] 對(duì)所述稀疏源信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到所述分離后的信號(hào)。
[0026] 在一種可實(shí)施方式中，在所述獲得消噪后的分離信號(hào)后，所述方法還包括：
[0027] 分析所述分離信號(hào)的時(shí)頻特性，并將所述分離信號(hào)的時(shí)頻特性與已知的各種損傷 類型的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特性進(jìn)行比較，以確定所述分離信號(hào)對(duì)應(yīng)的損傷類型。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)裝置，所述裝置包括：
[0029] 原始波形信號(hào)提取單元，用于獲得傳感信號(hào)，并對(duì)獲得的傳感信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 輸出聲發(fā)射波形信號(hào)；
[0030] 信號(hào)預(yù)處理單元，用于對(duì)所述聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，輸出預(yù)處理后的數(shù)據(jù) 矩陣；
[0031] 稀疏盲源分離單元，用于對(duì)所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏盲源分離，輸出分 離后的信號(hào)；
[0032] 后處理單元，用于對(duì)所述分離后的信號(hào)進(jìn)行小波消噪處理，得到消噪后的分離信 號(hào)。
[0033] 在一種可實(shí)施方式中，所述信號(hào)預(yù)處理單元包括：
[0034] 帶通濾波器子單元，用于對(duì)所述聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行低頻載荷信號(hào)濾除處理，輸 出無(wú)載荷聲發(fā)射信號(hào)；
[0035] 有效數(shù)據(jù)提取子單元，用于對(duì)所述帶通濾波器子單元輸出的無(wú)載荷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn) 行有效的聲發(fā)射數(shù)據(jù)段截取處理，輸出有效聲發(fā)射信號(hào)；
[0036] 中心化子單元，用于對(duì)所述有效數(shù)據(jù)提取子單元輸出的有效聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行中心 化處理，輸出中心化聲發(fā)射信號(hào)；
[0037] 預(yù)白化子單元，用于對(duì)所述中心化子單元輸出的中心化聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)白化處 理，輸出所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣。
[0038] 在一種可實(shí)施方式中，所述稀疏盲源分離單元包括：
[0039] 稀疏表示子單元，用于所述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏表示，輸出稀疏混合信 號(hào)；
[0040] 混合矩陣估計(jì)子單元，用于對(duì)所述稀疏表示子單元輸出的稀疏混合信號(hào)進(jìn)行混合 矩陣估計(jì)，輸出稀疏混合矩陣；
[0041] 信號(hào)估計(jì)子單元，用于對(duì)所述混合矩陣估計(jì)子單元輸出的稀疏混合矩陣和所述稀 疏表示子單元輸出的稀疏混合信號(hào)進(jìn)行信號(hào)估計(jì)，輸出稀疏源信號(hào)；
[0042] 信號(hào)重構(gòu)子單元，用于對(duì)所述信號(hào)估計(jì)子單元輸出的稀疏源信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)， 得到所述分離后的信號(hào)。
[0043] 在一種可實(shí)施方式中，所述裝置還包括：
[0044] 損傷類型分析單元，連接所述后處理單元，用于分析所述分離信號(hào)的時(shí)頻特性，并 將所述分離信號(hào)的時(shí)頻特性與已知的各種損傷類型的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特性進(jìn)行比較，以 確定所述分離信號(hào)對(duì)應(yīng)的損傷類型。
[0045] 本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：至少 兩個(gè)聲發(fā)射傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集處理器；
[0046] 所述聲發(fā)射傳感器，用于采集針對(duì)所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射信號(hào)，輸出給所述 電荷放大器；
[0047] 所述電荷放大器，用于對(duì)所述聲發(fā)射傳感器輸出的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大處理，輸 出傳感信號(hào)給所述數(shù)據(jù)采集處理器；
[0048] 所述數(shù)據(jù)采集處理器，用于獲得傳感信號(hào)，并對(duì)獲得的傳感信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得 到聲發(fā)射波形信號(hào)；對(duì)所述聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣；對(duì)所 述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行稀疏盲源分離，得到分離后的信號(hào)；對(duì)所述分離后的信號(hào)進(jìn)行 小波消噪處理，得到消噪后的分離信號(hào)。
[0049] 在一種可實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)采集處理器包括本發(fā)明實(shí)施例所述的復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)裝置。
[0050] 本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方法、裝置和系統(tǒng)，提取多 源損傷聲發(fā)射混合波形信息，并結(jié)合稀疏盲源分離理論，通過(guò)對(duì)混合聲發(fā)射波形信息進(jìn)行 預(yù)處理、稀疏盲源分離及后處理等處理手段后，得到了多個(gè)反映復(fù)合材料單一損傷形式的 聲發(fā)射波形信息；這種方法結(jié)合了聲發(fā)射波形信號(hào)的時(shí)頻域信息，具有定量化的特點(diǎn)，能夠 全面準(zhǔn)確的對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)做出正確的評(píng)估；
[0051] 本發(fā)明實(shí)施例利用聲發(fā)射技術(shù)，可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)不同類損 傷信號(hào)進(jìn)行分離，適用于實(shí)際構(gòu)件，并能更準(zhǔn)確的對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)作出評(píng)估；
[0052] 本發(fā)明實(shí)施例利用稀疏盲源分離理論，可以減少系統(tǒng)中聲發(fā)射傳感器的數(shù)量，從 而減小系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，更利于該系統(tǒng)的實(shí)際推廣應(yīng)用；
[0053] 使用本發(fā)明實(shí)施例可以對(duì)各種工況下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)危險(xiǎn)情 況時(shí)可及時(shí)預(yù)警，因此可以大大減少人員財(cái)產(chǎn)的損失，保證安全以及經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0054]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方法的流程示意圖；
[0055] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖4為本發(fā)明實(shí)施例四中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0058] 圖5a為本發(fā)明實(shí)施例四中信號(hào)預(yù)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖；
[0059] 圖5b為本發(fā)明實(shí)施例四中稀疏盲源分離單元