王 強(qiáng)， 華 杰

(南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京，210046)

引 言

航空航天飛行器、土木工程、船舶鐵路及輸油管道等大型工程結(jié)構(gòu)因受到外部環(huán)境荷載的作用、疲勞、腐蝕效應(yīng)及材料老化等影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面及其內(nèi)部損傷的形成或深化。為避免引起突發(fā)事故，20世紀(jì)90年代初，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)首先在航空領(lǐng)域被提出，并得到了廣泛關(guān)注和發(fā)展[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring,簡(jiǎn)稱SHM)是一種實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，以不破壞結(jié)構(gòu)件本體和保證結(jié)構(gòu)件完整性為前提，運(yùn)用專業(yè)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，對(duì)收集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，并以此來(lái)確定是否存在損傷和判定損傷位置以及分析損傷程度[2-3]。

Lamb波監(jiān)測(cè)技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，應(yīng)用前景廣泛。Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)按照監(jiān)測(cè)機(jī)理可分為被動(dòng)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)兩大類，被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法即捕獲待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生的沖擊響應(yīng)信號(hào)，利用沖擊響應(yīng)產(chǎn)生的Lamb波信號(hào)提取損傷相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的在線監(jiān)測(cè)和定位[1,4]。主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，即主動(dòng)向結(jié)構(gòu)激勵(lì)一定形式的Lamb波信號(hào)，利用分布在結(jié)構(gòu)各處的傳感器接收響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)分析損傷前后響應(yīng)信號(hào)的差異變化來(lái)提取損傷特征信息，實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè)和診斷[4-6]。受系統(tǒng)技術(shù)等因素的限制，現(xiàn)有的研究大多是針對(duì)上述某一種監(jiān)測(cè)方法展開研究和驗(yàn)證，各自的優(yōu)勢(shì)難以兼顧。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者在現(xiàn)有的兩種監(jiān)測(cè)方法成果的基礎(chǔ)上，研究了主被動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作機(jī)制，提出了主被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)融合技術(shù)，并進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。

1 主被動(dòng)協(xié)同Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)機(jī)理及信息融合分析

1.1 主被動(dòng)協(xié)同Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)機(jī)理分析

主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)向待測(cè)結(jié)構(gòu)中激勵(lì)一定形式的Lamb波信號(hào)，對(duì)比損傷前后的響應(yīng)信號(hào)，分析提取與損傷相關(guān)的信息進(jìn)而對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行診斷，故對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)的固有損傷(已形成的損傷)較為敏感。被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法是捕獲待測(cè)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)或損傷發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)Lamb波響應(yīng)信號(hào)或聲發(fā)射信號(hào)的損傷相關(guān)信息進(jìn)行分析提取，對(duì)損傷進(jìn)行定位，故其偏向于對(duì)瞬時(shí)損傷或原始損傷發(fā)生點(diǎn)的定位監(jiān)測(cè)。主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式由于對(duì)沖擊響應(yīng)的損傷不敏感，為了防止對(duì)損傷監(jiān)測(cè)的遺漏，需要設(shè)定短時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行定時(shí)的掃查監(jiān)測(cè)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間周期內(nèi)，掃查監(jiān)測(cè)設(shè)定的時(shí)間間隔越短，其功耗就越大。被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式由于對(duì)沖擊損傷敏感，可以在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)全時(shí)段的待機(jī)監(jiān)測(cè)，對(duì)損傷反應(yīng)及時(shí)且待機(jī)功耗很小，但是被動(dòng)監(jiān)測(cè)只能對(duì)損傷發(fā)生時(shí)的定位點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)損傷的范圍不敏感，故監(jiān)測(cè)精度差。針對(duì)上述問(wèn)題，融合主被動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)機(jī)理的各自優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在時(shí)序上對(duì)兩類監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行功能組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)全時(shí)段的高效監(jiān)測(cè)。提出的主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)機(jī)理如圖1所示。

由圖1可得，主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)方式根據(jù)主動(dòng)和被動(dòng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，在時(shí)間序列上分時(shí)采用主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式，被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式在主動(dòng)掃查間歇處于全時(shí)段的待機(jī)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。由于主動(dòng)監(jiān)測(cè)是基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變，而突發(fā)性結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變往往伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象，因此可以用被動(dòng)監(jiān)測(cè)作為主動(dòng)監(jiān)測(cè)的觸發(fā)事件，并將主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的掃查間隔延長(zhǎng)，降低功耗和提高監(jiān)測(cè)效率。當(dāng)沖擊響應(yīng)發(fā)生時(shí)，被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式可以及時(shí)對(duì)損傷進(jìn)行定位，同時(shí)觸發(fā)主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式對(duì)損傷大小及范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩次的監(jiān)測(cè)信息可進(jìn)一步的融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的精確評(píng)估。

圖1 主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)機(jī)理Fig.1 Principle of the active and passive fusion monitoring methodology

1.2 主被動(dòng)協(xié)同Lamb波監(jiān)測(cè)信息融合

主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)機(jī)理為結(jié)構(gòu)損傷信息的融合提供了基礎(chǔ)，有助于提高監(jiān)測(cè)和診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究中主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)信息的融合結(jié)合概率定位成像算法[7-8]，分別提取主被動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下Lamb波損傷特征信號(hào)，分析損傷特征參數(shù)，通過(guò)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)表面坐標(biāo)化，等分為M×N個(gè)像素點(diǎn)來(lái)求取每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度值，得到主被動(dòng)監(jiān)測(cè)的定位成像矩陣，并對(duì)定位成像矩陣進(jìn)一步融合。

被動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下的像素點(diǎn)對(duì)比度計(jì)算公式為

(1)

主動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下的像素點(diǎn)對(duì)比度計(jì)算公式為

(2)

同上，聯(lián)立每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度可得M×N階主動(dòng)定位成像矩陣BMN。由于主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式像素點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息來(lái)自3個(gè)配對(duì)傳感器，故式(2)中a的取值為序號(hào)從小到大不為z的值，b的取值同理。

(3)

其中：K為傳感器數(shù)量；δα為被動(dòng)方法成像矩陣的權(quán)值；δβ為主動(dòng)方法矩陣的權(quán)值。

利用Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化方法使矩陣中的元素都線性化并映射到[0,1]之中。被動(dòng)方法標(biāo)準(zhǔn)化的公式為

(4)

兩矩陣融合得到主被動(dòng)協(xié)同信息融合矩陣為

其中：K為傳感器數(shù)量；δα，δβ分別主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息的權(quán)值系數(shù)。

2 集成主被動(dòng)協(xié)同結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)主被動(dòng)系統(tǒng)Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)機(jī)理，筆者對(duì)該監(jiān)測(cè)機(jī)理進(jìn)行功能驗(yàn)證，采用現(xiàn)有的模塊設(shè)計(jì)開發(fā)集成主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基于軟件后臺(tái)的人機(jī)交互界面和硬件設(shè)備模塊，如圖2所示。

圖2 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram based on the integrated system

2.1 集成系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

集成系統(tǒng)的硬件框架如圖2中虛線框所示，主要組成為主控制模塊、監(jiān)測(cè)通道切換模塊和信號(hào)調(diào)理模塊。其中，信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)的激勵(lì)與采集設(shè)備、可調(diào)功率放大器、電荷放大器。硬件各部分由外部通訊控制，通過(guò)總線相連并協(xié)調(diào)統(tǒng)一管理。該集成系統(tǒng)總線互聯(lián)的方式使其與其他系統(tǒng)兼容，并能擴(kuò)展監(jiān)測(cè)通道和傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)大范圍大面積的監(jiān)測(cè)。

主控制模塊通過(guò)總線與PC機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)人機(jī)交互界面發(fā)出的控制信號(hào)指令進(jìn)行緩存、處理和轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的切換、采集通道的選擇及相應(yīng)地線的選擇。信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)Lamb波激勵(lì)信號(hào)的發(fā)生、可調(diào)功率放大、壓電傳感網(wǎng)絡(luò)的壓電感應(yīng)電荷信號(hào)放大和采集存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)通道切換模塊是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心之一，解決了主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式中壓電陣列自由切換的難點(diǎn)。該模塊采用繼電器陣列方法，其切換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本單元(兩個(gè)繼電器組成一個(gè)通道)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)通道切換模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology diagram of channel switching

根據(jù)圖3，結(jié)合主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)的機(jī)理分析，被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式在主動(dòng)掃查間歇處于全時(shí)段的待機(jī)監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，第二級(jí)繼電器的常閉開關(guān)分別接通電荷放大器信號(hào)輸入端及電荷放大器的地端；當(dāng)主動(dòng)掃查或者事件觸發(fā)切換到主動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，第二級(jí)繼電器連接到常開開關(guān)，接通功率放大器的輸出端及功率放大器的地端；在時(shí)間序列上方便地實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的切換。

2.2 集成系統(tǒng)軟件框架

根據(jù)集成系統(tǒng)的協(xié)同工作機(jī)制及硬件設(shè)計(jì)，基于Labview軟件編程，主被動(dòng)系統(tǒng)的軟件框架主要?jiǎng)澐譃閼?yīng)用層和驅(qū)動(dòng)層，并通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行交互，其軟件設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 主被動(dòng)協(xié)同系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.4 The framework of the software

圖4中，人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和用戶指令的輸入及損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果的呈現(xiàn)等功能。其用戶指令的輸入方便地實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)方式的切換、監(jiān)測(cè)通道的擴(kuò)展及傳感網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

應(yīng)用層的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在激勵(lì)波形的產(chǎn)生、監(jiān)測(cè)通道的控制、主被動(dòng)采集信息的融合及損傷的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。監(jiān)測(cè)通道控制實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)方式下激勵(lì)器與傳感器的選通，以及根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的范圍進(jìn)行通道的擴(kuò)展。主被動(dòng)采集信息的融合體現(xiàn)在對(duì)主被動(dòng)Lamb波的損傷信息進(jìn)行特征參數(shù)的提取，并可在成像算法中進(jìn)行融合。驅(qū)動(dòng)層主要是通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，包括通道的切換、Lamb波信號(hào)的激勵(lì)、數(shù)據(jù)的采集及系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)。

主被動(dòng)協(xié)同Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程如圖5所示，系統(tǒng)中傳感陣列同時(shí)應(yīng)用于主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)。首先，預(yù)設(shè)置采集參數(shù)、通道及波形發(fā)生，被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作待機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)中的沖擊響應(yīng)，進(jìn)行被動(dòng)損傷信息提取和數(shù)據(jù)處理；其次，利用主動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行掃查，提取主動(dòng)損傷信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，融合被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息和主動(dòng)監(jiān)測(cè)信息，判斷固有損傷位置與瞬時(shí)沖擊位置的關(guān)系，并給出主被動(dòng)信息融合后的定位成像，以此為依據(jù)對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估。

圖5 主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)流程圖Fig.5 The Active and passive collaborative monitoring flow diagram

3 實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象、平臺(tái)及步驟

本技術(shù)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一塊長(zhǎng)矩形的玻璃纖維復(fù)合材料板，如圖6所示。其長(zhǎng)寬為1 000 mm×500 mm，厚度為3 mm，8枚壓電傳感器以傳感陣列的形式均勻分布在復(fù)合材料表面，傳感器間距d=250 mm，并且以左下角傳感器為1號(hào)，依次逆時(shí)針編號(hào)組成了A，B，C三個(gè)傳感區(qū)域。根據(jù)矩形成像的原理，設(shè)置左上角8號(hào)傳感器為坐標(biāo)原點(diǎn)，由8號(hào)到1號(hào)傳感器的方向?yàn)閤軸正方向，8號(hào)到5號(hào)傳感器的方向?yàn)閥軸正方向，整個(gè)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)區(qū)域分為250×750個(gè)1 mm×1 mm的正方形像素塊。

集成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中被動(dòng)監(jiān)測(cè)的模擬沖擊損傷使用沖擊錘敲擊結(jié)構(gòu)表面，主動(dòng)監(jiān)測(cè)的模擬裂紋、孔洞及脫層等損傷則在結(jié)構(gòu)表面粘貼質(zhì)量塊。筆者粘貼的是質(zhì)量較大的螺母。集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)對(duì)象示意圖(單位：mm)Fig.6 Schematic diagram of the experimental object (unit: mm)

圖7 集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimental Platform of Integrated System

3.2 集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)定位與成像

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，采用典型的五波峰正弦調(diào)制信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)頻率為60 kHz，激發(fā)出的Lamb波信號(hào)主要以A0模式為主，模擬輸出電壓幅值為1 V，經(jīng)功率放大器放大后為100 V。先對(duì)復(fù)合材料板進(jìn)行模擬沖擊，并在大致模擬沖擊位置采用粘貼質(zhì)量塊的方式模擬損傷的形成[9-11]，其位置為(125,187)，沖擊觸發(fā)被動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，利用被動(dòng)定位成像算法及傳感器陣列幾何排布得出沖擊點(diǎn)坐標(biāo)(單位：mm)為(123,183)。同時(shí)觸發(fā)主動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，利用主動(dòng)監(jiān)測(cè)的定位成像算法得到損傷點(diǎn)坐標(biāo)為(123,189)。根據(jù)主被動(dòng)融合算法得到的定位坐標(biāo)為(124,185)。定位坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 模擬定位及各方法定位對(duì)比

對(duì)主被動(dòng)單獨(dú)監(jiān)測(cè)的信息和協(xié)同融合監(jiān)測(cè)信息分別進(jìn)行了定位成像，且局部放大到(x:100～140,y:170～210)的范圍，如圖8所示。圖中的十字為模擬沖擊及損傷粘貼的定位點(diǎn)，顏色加深高亮的部分為被動(dòng)、主動(dòng)及融合后的定位區(qū)域。從圖8(a)可以看到，顏色加深的定位點(diǎn)及其成像對(duì)于模擬沖擊的位置說(shuō)明了被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式對(duì)定位點(diǎn)敏感。圖8(b)中顏色加深區(qū)域?yàn)閺闹虚g向兩側(cè)擴(kuò)展的橫向區(qū)域，其符合正六邊形螺母模擬損傷的橫向粘貼形式。筆者雖然用數(shù)學(xué)方法求出了主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的定位點(diǎn)，但是其只具備參考價(jià)值，因?yàn)橹鲃?dòng)方法是利用散射信號(hào)對(duì)損傷范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明主動(dòng)監(jiān)測(cè)的定位點(diǎn)精度是不能保證的。由圖8(c)可知，相較于單一的主動(dòng)或被動(dòng)方式，主被動(dòng)協(xié)同融合之后定位點(diǎn)相對(duì)更加精確，十字更接近于顏色高亮區(qū)域，從顏色高亮的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，損傷發(fā)生后是向右擴(kuò)展的，而右側(cè)也確實(shí)是實(shí)際模擬損傷的位置。

由成像結(jié)果可得，主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)方式的損傷信息融合了被動(dòng)方法定位點(diǎn)精確及主動(dòng)方法對(duì)損傷區(qū)域敏感的優(yōu)勢(shì)，具有更多的損傷發(fā)展信息。

圖8 集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成像效果圖Fig.8 The single and fusion of information by imaging

4 結(jié)束語(yǔ)

主被動(dòng)協(xié)同Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)機(jī)制利用主被動(dòng)單獨(dú)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的全時(shí)段監(jiān)測(cè)且功耗小、對(duì)瞬時(shí)損傷反應(yīng)靈敏。主被動(dòng)協(xié)同Lamb波監(jiān)測(cè)信息的融合及算法的實(shí)現(xiàn)，提高了損傷定位的準(zhǔn)確性并預(yù)測(cè)了損傷發(fā)展趨勢(shì)。主被動(dòng)協(xié)同結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化和小型化，提高了主被動(dòng)協(xié)同監(jiān)測(cè)方式的工作效率。