集成主被动协同Lamb波结构健康监测技术*

王 强， 华 杰

(南京邮电大学自动化学院 南京，210046)

引 言

航空航天飞行器、土木工程、船舶铁路及输油管道等大型工程结构因受到外部环境荷载的作用、疲劳、腐蚀效应及材料老化等影响，导致结构表面及其内部损伤的形成或深化。为避免引起突发事故，20世纪90年代初，结构健康监测技术首先在航空领域被提出，并得到了广泛关注和发展[1]。结构健康监测(structural health monitoring,简称SHM)是一种实时、在线监测技术，以不破坏结构件本体和保证结构件完整性为前提，运用专业设备对结构件进行不间断监测，对收集到的结构响应信号进行分析，并以此来确定是否存在损伤和判定损伤位置以及分析损伤程度[2-3]。

Lamb波监测技术是结构健康监测领域内的热点和前沿技术之一，应用前景广泛。Lamb波结构健康监测按照监测机理可分为被动监测和主动监测两大类，被动监测方法即捕获待监测结构发生的冲击响应信号，利用冲击响应产生的Lamb波信号提取损伤相关信息，实现对损伤的在线监测和定位[1,4]。主动监测方法，即主动向结构激励一定形式的Lamb波信号，利用分布在结构各处的传感器接收响应信号，通过分析损伤前后响应信号的差异变化来提取损伤特征信息，实现损伤监测和诊断[4-6]。受系统技术等因素的限制，现有的研究大多是针对上述某一种监测方法展开研究和验证，各自的优势难以兼顾。针对这一问题，笔者在现有的两种监测方法成果的基础上，研究了主被动系统协同工作机制，提出了主被动结构健康监测融合技术，并进行了技术验证。

1 主被动协同Lamb波结构健康监测机理及信息融合分析

1.1 主被动协同Lamb波结构健康监测机理分析

主动监测方法是通过向待测结构中激励一定形式的Lamb波信号，对比损伤前后的响应信号，分析提取与损伤相关的信息进而对损伤区域进行诊断，故对待测结构的固有损伤(已形成的损伤)较为敏感。被动监测方法是捕获待测结构的冲击响应或损伤发生时产生的声发射信号，对Lamb波响应信号或声发射信号的损伤相关信息进行分析提取，对损伤进行定位，故其偏向于对瞬时损伤或原始损伤发生点的定位监测。主动监测方式由于对冲击响应的损伤不敏感，为了防止对损伤监测的遗漏，需要设定短时间节点对待测结构件进行定时的扫查监测。在整个监测时间周期内，扫查监测设定的时间间隔越短，其功耗就越大。被动监测方式由于对冲击损伤敏感，可以在整个监测周期内全时段的待机监测，对损伤反应及时且待机功耗很小，但是被动监测只能对损伤发生时的定位点进行监测，对损伤的范围不敏感，故监测精度差。针对上述问题，融合主被动Lamb波监测机理的各自优势，通过在时序上对两类监测方法进行功能组合，实现对被测结构全时段的高效监测。提出的主被动协同监测机理如图1所示。

由图1可得，主被动协同监测方式根据主动和被动监测的特点，在时间序列上分时采用主被动监测方式，被动监测方式在主动扫查间歇处于全时段的待机监测状态。由于主动监测是基于结构状态的改变，而突发性结构状态改变往往伴随着声发射现象，因此可以用被动监测作为主动监测的触发事件，并将主动监测方式的扫查间隔延长，降低功耗和提高监测效率。当冲击响应发生时，被动监测方式可以及时对损伤进行定位，同时触发主动监测方式对损伤大小及范围进行监测，两次的监测信息可进一步的融合，实现对损伤的精确评估。

图1 主被动协同监测机理Fig.1 Principle of the active and passive fusion monitoring methodology

1.2 主被动协同Lamb波监测信息融合

主被动协同监测机理为结构损伤信息的融合提供了基础，有助于提高监测和诊断结果的准确性。本研究中主被动协同监测信息的融合结合概率定位成像算法[7-8]，分别提取主被动监测状态下Lamb波损伤特征信号，分析损伤特征参数，通过对被测结构表面坐标化，等分为M×N个像素点来求取每个像素点的对比度值，得到主被动监测的定位成像矩阵，并对定位成像矩阵进一步融合。

被动监测状态下的像素点对比度计算公式为

(1)

主动监测状态下的像素点对比度计算公式为

(2)

同上，联立每个像素点的对比度可得M×N阶主动定位成像矩阵BMN。由于主动监测方式像素点的监测信息来自3个配对传感器，故式(2)中a的取值为序号从小到大不为z的值，b的取值同理。

(3)

其中：K为传感器数量；δα为被动方法成像矩阵的权值；δβ为主动方法矩阵的权值。

利用Min-Max标准化方法使矩阵中的元素都线性化并映射到[0,1]之中。被动方法标准化的公式为

(4)

两矩阵融合得到主被动协同信息融合矩阵为

其中：K为传感器数量；δα，δβ分别主被动监测信息的权值系数。

2 集成主被动协同结构健康监测系统设计

根据主被动系统Lamb波结构健康监测机理，笔者对该监测机理进行功能验证，采用现有的模块设计开发集成主被动协同监测系统。该系统包括基于软件后台的人机交互界面和硬件设备模块，如图2所示。

图2 集成系统设计框图Fig.2 Block diagram based on the integrated system

2.1 集成系统硬件框架设计

集成系统的硬件框架如图2中虚线框所示，主要组成为主控制模块、监测通道切换模块和信号调理模块。其中，信号调理模块包括信号的激励与采集设备、可调功率放大器、电荷放大器。硬件各部分由外部通讯控制，通过总线相连并协调统一管理。该集成系统总线互联的方式使其与其他系统兼容，并能扩展监测通道和传感器网络，从而实现对被监测结构大范围大面积的监测。

主控制模块通过总线与PC机进行通信，对人机交互界面发出的控制信号指令进行缓存、处理和转化，从而实现系统主被动监测方式的切换、采集通道的选择及相应地线的选择。信号调理模块实现Lamb波激励信号的发生、可调功率放大、压电传感网络的压电感应电荷信号放大和采集存储。监测通道切换模块是硬件系统设计的核心之一，解决了主被动监测方式中压电阵列自由切换的难点。该模块采用继电器阵列方法，其切换的拓扑结构基本单元(两个继电器组成一个通道)如图3所示。

图3 监测通道切换模块拓扑结构图Fig.3 Topology diagram of channel switching

根据图3，结合主被动协同监测的机理分析，被动监测方式在主动扫查间歇处于全时段的待机监测状态时，第二级继电器的常闭开关分别接通电荷放大器信号输入端及电荷放大器的地端；当主动扫查或者事件触发切换到主动监测状态时，第二级继电器连接到常开开关，接通功率放大器的输出端及功率放大器的地端；在时间序列上方便地实现主被动监测方式的切换。

2.2 集成系统软件框架

根据集成系统的协同工作机制及硬件设计，基于Labview软件编程，主被动系统的软件框架主要划分为应用层和驱动层，并通过人机界面进行交互，其软件设计框架如图4所示。

图4 主被动协同系统软件设计框图Fig.4 The framework of the software

图4中，人机交互界面实现主被动系统参数和用户指令的输入及损伤监测结果的呈现等功能。其用户指令的输入方便地实现主被动方式的切换、监测通道的扩展及传感网络的扩展。

应用层的设计主要体现在激励波形的产生、监测通道的控制、主被动采集信息的融合及损伤的监测与评估。监测通道控制实现了主被动方式下激励器与传感器的选通，以及根据监测对象的范围进行通道的扩展。主被动采集信息的融合体现在对主被动Lamb波的损伤信息进行特征参数的提取，并可在成像算法中进行融合。驱动层主要是通过控制信号实现对硬件设备的驱动，包括通道的切换、Lamb波信号的激励、数据的采集及系统待机状态的驱动。

主被动协同Lamb波结构健康监测系统流程如图5所示，系统中传感阵列同时应用于主动和被动系统。首先，预设置采集参数、通道及波形发生，被动监测系统作待机状态实时在线监测，监测到结构中的冲击响应，进行被动损伤信息提取和数据处理；其次，利用主动监测系统进行扫查，提取主动损伤信息并进行数据处理，融合被动监测信息和主动监测信息，判断固有损伤位置与瞬时冲击位置的关系，并给出主被动信息融合后的定位成像，以此为依据对损伤进行评估。

图5 主被动协同监测流程图Fig.5 The Active and passive collaborative monitoring flow diagram

3 实验研究与验证

3.1 实验对象、平台及步骤

本技术验证的实验对象为一块长矩形的玻璃纤维复合材料板，如图6所示。其长宽为1 000 mm×500 mm，厚度为3 mm，8枚压电传感器以传感阵列的形式均匀分布在复合材料表面，传感器间距d=250 mm，并且以左下角传感器为1号，依次逆时针编号组成了A，B，C三个传感区域。根据矩形成像的原理，设置左上角8号传感器为坐标原点，由8号到1号传感器的方向为x轴正方向，8号到5号传感器的方向为y轴正方向，整个结构监测区域分为250×750个1 mm×1 mm的正方形像素块。

集成系统监测实验中被动监测的模拟冲击损伤使用冲击锤敲击结构表面，主动监测的模拟裂纹、孔洞及脱层等损伤则在结构表面粘贴质量块。笔者粘贴的是质量较大的螺母。集成系统实验平台如图7所示。

图6 实验对象示意图(单位：mm)Fig.6 Schematic diagram of the experimental object (unit: mm)

图7 集成系统实验平台Fig.7 Experimental Platform of Integrated System

3.2 集成系统实验定位与成像

在实验验证时，采用典型的五波峰正弦调制信号作为激励信号，激发频率为60 kHz，激发出的Lamb波信号主要以A0模式为主，模拟输出电压幅值为1 V，经功率放大器放大后为100 V。先对复合材料板进行模拟冲击，并在大致模拟冲击位置采用粘贴质量块的方式模拟损伤的形成[9-11]，其位置为(125,187)，冲击触发被动监测和数据采集，利用被动定位成像算法及传感器阵列几何排布得出冲击点坐标(单位：mm)为(123,183)。同时触发主动监测和数据采集，利用主动监测的定位成像算法得到损伤点坐标为(123,189)。根据主被动融合算法得到的定位坐标为(124,185)。定位坐标对比如表1所示。

表1 模拟定位及各方法定位对比

对主被动单独监测的信息和协同融合监测信息分别进行了定位成像，且局部放大到(x:100～140,y:170～210)的范围，如图8所示。图中的十字为模拟冲击及损伤粘贴的定位点，颜色加深高亮的部分为被动、主动及融合后的定位区域。从图8(a)可以看到，颜色加深的定位点及其成像对于模拟冲击的位置说明了被动监测方式对定位点敏感。图8(b)中颜色加深区域为从中间向两侧扩展的横向区域，其符合正六边形螺母模拟损伤的横向粘贴形式。笔者虽然用数学方法求出了主动监测方法的定位点，但是其只具备参考价值，因为主动方法是利用散射信号对损伤范围进行监测，实验结果也证明主动监测的定位点精度是不能保证的。由图8(c)可知，相较于单一的主动或被动方式，主被动协同融合之后定位点相对更加精确，十字更接近于颜色高亮区域，从颜色高亮的发展趋势来看，损伤发生后是向右扩展的，而右侧也确实是实际模拟损伤的位置。

由成像结果可得，主被动协同监测方式的损伤信息融合了被动方法定位点精确及主动方法对损伤区域敏感的优势，具有更多的损伤发展信息。

图8 集成系统实验成像效果图Fig.8 The single and fusion of information by imaging

4 结束语

主被动协同Lamb波结构健康监测机制利用主被动单独监测的优势，实现对被测结构的全时段监测且功耗小、对瞬时损伤反应灵敏。主被动协同Lamb波监测信息的融合及算法的实现，提高了损伤定位的准确性并预测了损伤发展趋势。主被动协同结构健康监测系统实现了主被动监测系统的集成化和小型化，提高了主被动协同监测方式的工作效率。