集成主被動協同Lamb波結構健康監測技術*

王 強， 華 杰

(南京郵電大學自動化學院 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構因受到外部環境荷載的作用、疲勞、腐蝕效應及材料老化等影響，導致結構表面及其內部損傷的形成或深化。為避免引起突發事故，20世紀90年代初，結構健康監測技術首先在航空領域被提出，并得到了廣泛關注和發展[1]。結構健康監測(structural health monitoring,簡稱SHM)是一種實時、在線監測技術，以不破壞結構件本體和保證結構件完整性為前提，運用專業設備對結構件進行不間斷監測，對收集到的結構響應信號進行分析，并以此來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波監測技術是結構健康監測領域內的熱點和前沿技術之一，應用前景廣泛。Lamb波結構健康監測按照監測機理可分為被動監測和主動監測兩大類，被動監測方法即捕獲待監測結構發生的沖擊響應信號，利用沖擊響應產生的Lamb波信號提取損傷相關信息，實現對損傷的在線監測和定位[1,4]。主動監測方法，即主動向結構激勵一定形式的Lamb波信號，利用分布在結構各處的傳感器接收響應信號，通過分析損傷前后響應信號的差異變化來提取損傷特征信息，實現損傷監測和診斷[4-6]。受系統技術等因素的限制，現有的研究大多是針對上述某一種監測方法展開研究和驗證，各自的優勢難以兼顧。針對這一問題，筆者在現有的兩種監測方法成果的基礎上，研究了主被動系統協同工作機制，提出了主被動結構健康監測融合技術，并進行了技術驗證。

1 主被動協同Lamb波結構健康監測機理及信息融合分析

1.1 主被動協同Lamb波結構健康監測機理分析

主動監測方法是通過向待測結構中激勵一定形式的Lamb波信號，對比損傷前后的響應信號，分析提取與損傷相關的信息進而對損傷區域進行診斷，故對待測結構的固有損傷(已形成的損傷)較為敏感。被動監測方法是捕獲待測結構的沖擊響應或損傷發生時產生的聲發射信號，對Lamb波響應信號或聲發射信號的損傷相關信息進行分析提取，對損傷進行定位，故其偏向于對瞬時損傷或原始損傷發生點的定位監測。主動監測方式由于對沖擊響應的損傷不敏感，為了防止對損傷監測的遺漏，需要設定短時間節點對待測結構件進行定時的掃查監測。在整個監測時間周期內，掃查監測設定的時間間隔越短，其功耗就越大。被動監測方式由于對沖擊損傷敏感，可以在整個監測周期內全時段的待機監測，對損傷反應及時且待機功耗很小，但是被動監測只能對損傷發生時的定位點進行監測，對損傷的范圍不敏感，故監測精度差。針對上述問題，融合主被動Lamb波監測機理的各自優勢，通過在時序上對兩類監測方法進行功能組合，實現對被測結構全時段的高效監測。提出的主被動協同監測機理如圖1所示。

由圖1可得，主被動協同監測方式根據主動和被動監測的特點，在時間序列上分時采用主被動監測方式，被動監測方式在主動掃查間歇處于全時段的待機監測狀態。由于主動監測是基于結構狀態的改變，而突發性結構狀態改變往往伴隨著聲發射現象，因此可以用被動監測作為主動監測的觸發事件，并將主動監測方式的掃查間隔延長，降低功耗和提高監測效率。當沖擊響應發生時，被動監測方式可以及時對損傷進行定位，同時觸發主動監測方式對損傷大小及范圍進行監測，兩次的監測信息可進一步的融合，實現對損傷的精確評估。

圖1 主被動協同監測機理Fig.1 Principle of the active and passive fusion monitoring methodology

1.2 主被動協同Lamb波監測信息融合

主被動協同監測機理為結構損傷信息的融合提供了基礎，有助于提高監測和診斷結果的準確性。本研究中主被動協同監測信息的融合結合概率定位成像算法[7-8]，分別提取主被動監測狀態下Lamb波損傷特征信號，分析損傷特征參數，通過對被測結構表面坐標化，等分為M×N個像素點來求取每個像素點的對比度值，得到主被動監測的定位成像矩陣，并對定位成像矩陣進一步融合。

被動監測狀態下的像素點對比度計算公式為

(1)

主動監測狀態下的像素點對比度計算公式為

(2)

同上，聯立每個像素點的對比度可得M×N階主動定位成像矩陣BMN。由于主動監測方式像素點的監測信息來自3個配對傳感器，故式(2)中a的取值為序號從小到大不為z的值，b的取值同理。

(3)

其中：K為傳感器數量；δα為被動方法成像矩陣的權值；δβ為主動方法矩陣的權值。

利用Min-Max標準化方法使矩陣中的元素都線性化并映射到[0,1]之中。被動方法標準化的公式為

(4)

兩矩陣融合得到主被動協同信息融合矩陣為

其中：K為傳感器數量；δα，δβ分別主被動監測信息的權值系數。

2 集成主被動協同結構健康監測系統設計

根據主被動系統Lamb波結構健康監測機理，筆者對該監測機理進行功能驗證，采用現有的模塊設計開發集成主被動協同監測系統。該系統包括基于軟件后臺的人機交互界面和硬件設備模塊，如圖2所示。

圖2 集成系統設計框圖Fig.2 Block diagram based on the integrated system

2.1 集成系統硬件框架設計

集成系統的硬件框架如圖2中虛線框所示，主要組成為主控制模塊、監測通道切換模塊和信號調理模塊。其中，信號調理模塊包括信號的激勵與采集設備、可調功率放大器、電荷放大器。硬件各部分由外部通訊控制，通過總線相連并協調統一管理。該集成系統總線互聯的方式使其與其他系統兼容，并能擴展監測通道和傳感器網絡，從而實現對被監測結構大范圍大面積的監測。

主控制模塊通過總線與PC機進行通信，對人機交互界面發出的控制信號指令進行緩存、處理和轉化，從而實現系統主被動監測方式的切換、采集通道的選擇及相應地線的選擇。信號調理模塊實現Lamb波激勵信號的發生、可調功率放大、壓電傳感網絡的壓電感應電荷信號放大和采集存儲。監測通道切換模塊是硬件系統設計的核心之一，解決了主被動監測方式中壓電陣列自由切換的難點。該模塊采用繼電器陣列方法，其切換的拓撲結構基本單元(兩個繼電器組成一個通道)如圖3所示。

圖3 監測通道切換模塊拓撲結構圖Fig.3 Topology diagram of channel switching

根據圖3，結合主被動協同監測的機理分析，被動監測方式在主動掃查間歇處于全時段的待機監測狀態時，第二級繼電器的常閉開關分別接通電荷放大器信號輸入端及電荷放大器的地端；當主動掃查或者事件觸發切換到主動監測狀態時，第二級繼電器連接到常開開關，接通功率放大器的輸出端及功率放大器的地端；在時間序列上方便地實現主被動監測方式的切換。

2.2 集成系統軟件框架

根據集成系統的協同工作機制及硬件設計，基于Labview軟件編程，主被動系統的軟件框架主要劃分為應用層和驅動層，并通過人機界面進行交互，其軟件設計框架如圖4所示。

圖4 主被動協同系統軟件設計框圖Fig.4 The framework of the software

圖4中，人機交互界面實現主被動系統參數和用戶指令的輸入及損傷監測結果的呈現等功能。其用戶指令的輸入方便地實現主被動方式的切換、監測通道的擴展及傳感網絡的擴展。

應用層的設計主要體現在激勵波形的產生、監測通道的控制、主被動采集信息的融合及損傷的監測與評估。監測通道控制實現了主被動方式下激勵器與傳感器的選通，以及根據監測對象的范圍進行通道的擴展。主被動采集信息的融合體現在對主被動Lamb波的損傷信息進行特征參數的提取，并可在成像算法中進行融合。驅動層主要是通過控制信號實現對硬件設備的驅動，包括通道的切換、Lamb波信號的激勵、數據的采集及系統待機狀態的驅動。

主被動協同Lamb波結構健康監測系統流程如圖5所示，系統中傳感陣列同時應用于主動和被動系統。首先，預設置采集參數、通道及波形發生，被動監測系統作待機狀態實時在線監測，監測到結構中的沖擊響應，進行被動損傷信息提取和數據處理；其次，利用主動監測系統進行掃查，提取主動損傷信息并進行數據處理，融合被動監測信息和主動監測信息，判斷固有損傷位置與瞬時沖擊位置的關系，并給出主被動信息融合后的定位成像，以此為依據對損傷進行評估。

圖5 主被動協同監測流程圖Fig.5 The Active and passive collaborative monitoring flow diagram

3 實驗研究與驗證

3.1 實驗對象、平臺及步驟

本技術驗證的實驗對象為一塊長矩形的玻璃纖維復合材料板，如圖6所示。其長寬為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，依次逆時針編號組成了A，B，C三個傳感區域。根據矩形成像的原理，設置左上角8號傳感器為坐標原點，由8號到1號傳感器的方向為x軸正方向，8號到5號傳感器的方向為y軸正方向，整個結構監測區域分為250×750個1 mm×1 mm的正方形像素塊。

集成系統監測實驗中被動監測的模擬沖擊損傷使用沖擊錘敲擊結構表面，主動監測的模擬裂紋、孔洞及脫層等損傷則在結構表面粘貼質量塊。筆者粘貼的是質量較大的螺母。集成系統實驗平臺如圖7所示。

圖6 實驗對象示意圖(單位：mm)Fig.6 Schematic diagram of the experimental object (unit: mm)

圖7 集成系統實驗平臺Fig.7 Experimental Platform of Integrated System

3.2 集成系統實驗定位與成像

在實驗驗證時，采用典型的五波峰正弦調制信號作為激勵信號，激發頻率為60 kHz，激發出的Lamb波信號主要以A0模式為主，模擬輸出電壓幅值為1 V，經功率放大器放大后為100 V。先對復合材料板進行模擬沖擊，并在大致模擬沖擊位置采用粘貼質量塊的方式模擬損傷的形成[9-11]，其位置為(125,187)，沖擊觸發被動監測和數據采集，利用被動定位成像算法及傳感器陣列幾何排布得出沖擊點坐標(單位：mm)為(123,183)。同時觸發主動監測和數據采集，利用主動監測的定位成像算法得到損傷點坐標為(123,189)。根據主被動融合算法得到的定位坐標為(124,185)。定位坐標對比如表1所示。

表1 模擬定位及各方法定位對比

對主被動單獨監測的信息和協同融合監測信息分別進行了定位成像，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，顏色加深高亮的部分為被動、主動及融合后的定位區域。從圖8(a)可以看到，顏色加深的定位點及其成像對于模擬沖擊的位置說明了被動監測方式對定位點敏感。圖8(b)中顏色加深區域為從中間向兩側擴展的橫向區域，其符合正六邊形螺母模擬損傷的橫向粘貼形式。筆者雖然用數學方法求出了主動監測方法的定位點，但是其只具備參考價值，因為主動方法是利用散射信號對損傷范圍進行監測，實驗結果也證明主動監測的定位點精度是不能保證的。由圖8(c)可知，相較于單一的主動或被動方式，主被動協同融合之后定位點相對更加精確，十字更接近于顏色高亮區域，從顏色高亮的發展趨勢來看，損傷發生后是向右擴展的，而右側也確實是實際模擬損傷的位置。

由成像結果可得，主被動協同監測方式的損傷信息融合了被動方法定位點精確及主動方法對損傷區域敏感的優勢，具有更多的損傷發展信息。

圖8 集成系統實驗成像效果圖Fig.8 The single and fusion of information by imaging

4 結束語

主被動協同Lamb波結構健康監測機制利用主被動單獨監測的優勢，實現對被測結構的全時段監測且功耗小、對瞬時損傷反應靈敏。主被動協同Lamb波監測信息的融合及算法的實現，提高了損傷定位的準確性并預測了損傷發展趨勢。主被動協同結構健康監測系統實現了主被動監測系統的集成化和小型化，提高了主被動協同監測方式的工作效率。