[發明專利]一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統及方法

有效

• 申請號: 202010971215.3
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112162036B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 葉波;孔瓊英;鄧為權
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/07;G01N29/06;G01N29/26;G01N29/24;G01N29/44;G01N29/46;G01N29/48
• 代理公司: 昆明明潤知識產權代理事務所(普通合伙) 53215
• 代理人: 王鵬飛

1.一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統的使用方法，所述正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統包括上位機、信號發生器、功率放大器、正三角相控陣傳感網絡、電荷放大器、信號采集卡；

正三角相控陣傳感網絡包括三組壓電傳感器陣列，三組壓電傳感器陣列構成正三角形并分別位于正三角形三個頂點上，三組線性陣列傳感器中，每組陣列由N個完全相同的傳感器陣列單元組成，每個陣列單元均為圓形的壓電傳感器；三組線性陣列傳感器分別依次作為激勵器，剩余兩個陣列作為接收器；

上位機通過USB數據線與信號發生器的USB HOST Device接口連接，信號發生器的輸出端口接功率放大器的輸入端口，功率放大器的USB Device接口通過低噪音電纜線連接正三角形三個頂點處的三組壓電傳感陣列，三組壓電傳感陣列通過低噪音電纜線與電荷放大器的L5接口相連，電荷放大器的BNC接口通過輸出電纜線與信號采集器卡的OPEN5接口相連，信號采集器卡的USB接口通過USB電纜線和上位機的USB接口相連；

其特征在于使用方法具體為：

Step1：將正三角相控陣傳感網絡中的三組壓電傳感器陣列記為A、B、C三點，在上位機中設置激勵信號參數，并將其發送至信號發生器，信號發生器根據接收到的激勵信號參數產生相應的Lamb波，并經功率放大器放大后分別依次加載到正三角相控陣傳感網絡的A、B、C三組線性陣列傳感器中的激勵傳感器陣列單元，激勵傳感器陣列單元產生的Lamb波信號對被監測結構進行相控掃描，得到包含損傷信息的Lamb波信號，該信號被剩余兩組接收器接收；

Step2：包含損傷信息的Lamb波信號傳輸至電荷放大器放大，信號采集器卡采集放大后的有效信號并將其換成數字信號傳輸至上位機并存儲于上位機中；

Step3：上位機通過差分法、窗函數、正三角形相控陣，正三角形時間反轉聚焦對所采集到的信號進行成像、計算、對比，得到被監測對象的健康狀況；

所述Step1中的正三角相控陣傳感網絡具體為：

Step1.1：以被監測的螺栓為等邊三角形的中心，在邊長為的等邊三角形的三個頂點分別布置線性壓電陣列，三個頂點依次編號為A、B、C，每一個頂點處的壓電陣列由N個壓電片組成，N個壓電片依次編號為A₀、A₁、…A_N-1，B₀、B₁、…B_N-1，C₀、C₁、…C_N-1；

Step1.2：對A、B、C三個頂點的壓電傳感器依次施加窄帶Lamb波信號，其中一個頂點作為激勵器，另外兩個頂點作為接收器，形成激勵-傳感通道，一共獲得3*（3-1）=6個激勵-傳感通道的響應信號；

所述Step1中的正三角相控陣傳感網絡中的相控陣具體為：

Step1.3：在一個掃描周期T中，正三角形A、B、C三點激勵信號的初始位置均指向中心點處的被監測的螺栓，此時A、B、C三點的相位分別為30°，150°，270°，在此方向上發射-接收Lamb信號的時間為t；在t+時刻激勵信號相位均處于A、B、C三點的初始相位方向，A、B、C三點初始相位分別為0°，120°，210°，并以逆時針方向為正方向旋轉掃描；在t+至T/2時刻，A、B、C三點處的陣列從初始相位按逆時針方向開始對三角形區域進行掃描，掃描角度為，即A、B、C三點分別掃描到60°、180°、270°時，1/2個掃描周期結束；在T/2+時刻，A、B、C三點相位回到0+時刻的相位，即0°、120°、210°，指向三角形中心螺栓，再經過時間t，A、B、C三點回到相位60°、180°、270°處，并按順時針方向開始掃描三角形區域，掃描角度為60°，完成一個周期的掃描；

Step1.4：在螺栓連接狀態完好且正三角形區域結構健康狀態下，重復Step1.3，并保存記錄相應的響應信號，標注為基準信號；

Step1.5：在螺栓松動，但正三角形區域結構健康狀態下，重復Step1.3，并保存記錄相應的響應信號；

Step1.6：在正三角形區域有結構損傷，螺栓連接完好狀態下，重復Step1.3，并保存記錄相應的響應信號；

Step1.7：在螺栓松動且三角形區域結構損傷狀態下，重復Step1.3，并保存記錄相應的響應信號；

Step1.8：將Step1.4中所得信號作為基準信號，根據差分法，用Step1.5 、Step1.6所得的響應信號分別減去基本信號，得到不同情況下的損傷散射信號，并保存記錄相應的信號；

Step1.9：通過比較Step1.4和Step1.5在（0，t）的周期內和（T/2，T/2+t）的周期內的信號圖，并設置兩個信號差閾值，若兩者信號差超過所設定的閾值，則判定為螺栓松動，人工進行螺栓緊固及安全檢查操作，反之，螺栓處于正常狀態；

Step1.10在Step1.6的情況下，當正三角形相控陣在所控制區域檢測到損傷時，Lamb波會在損傷處聚焦，當傳感器接收到由損傷點反射的響應信號后對其進行時間反轉，并將該信號施加到相應的傳感器上作為激勵信號再次在結構中激發，設激勵信號從A、B、C三頂點到達損傷的最大時刻為t₀，損傷反射信號從損傷點到達A、B、C三頂點的最大時刻為t₁，選取t_mt₁，以t_m- t₀為時間窗口，分別截取各路徑傳感信號，并在t_m- t₀的時間窗內將傳感信號反轉得到相應的反轉信號，將反轉后的傳感信號在對應的傳感器上同時加載，則在損傷處可得波源的反轉聚焦信號，波源即損傷信號在損傷處的反轉聚焦，聚焦時刻為加載結束時刻，將各傳感路徑信號進行反轉聚焦成像，并把各路徑成像結果進行疊加，根據不同傳感路徑信號對應的灰度不同，將損傷呈現在灰度圖中，即可判斷損傷位置；

Step1.11：根據Step1.10測得損傷到A、B、C各點的時間和各方向的波速，得到損傷到A、B、C三點的距離，再根據正三角形的性質，即在等邊三角形中，三頂點A、B、C固定，位置已知并且能夠獲得三角形內同一損傷點到A、B、C三點的距離，求得損傷點在直角坐標系中的具體位置和相位，得到損傷的位置和相位；

Step1.12：對比整合Step1.10和Step1.11即可得到損傷的具體位置，由Step1.10通過成像結果獲得損傷位置情況，通過Step9校準損傷的具體位置；

Step1.13：對Step1.7所獲得的信號利用（0，t）和（T/2，T/2+t）的時間窗函數截取這兩段時間內的信號并減去Step1.4中相對應的基準信號，即為此狀態下螺栓的損傷散射信號，再用剩下時段的信號減去Step1.4中相對應時段的基準信號，即為Step1.7中正三角形區域的損傷信號，重復Step1.10和Step1.11，可得損傷的具體位置。