基于Lamb波主动结构健康监测系统的研制

基于压电传感器和Lamb波的主动诊断技术是结构健康监测方法中行之有效的热门研究方法,它能实现对金属和复合材料结构中的微小损伤进行在线实时的监测.该文基于上述方法,研制了一台通用的结构健康监测系统.针对该方法在实际工程应用中的需求,详细讨论了系统整体软硬件的实现、运行效率和抗串扰能力.最后在某型无人机机翼盒段上完成了该系统地面应用的功能验证实验.     

基于Lamb的金属薄板损伤主动监测技术研究

开发了一个主动嵌入式多激励健康监测系统,介绍了利用Lamb波进行损伤监测的原理和流程,测试了试验用铝板的群速度频散曲线。分别利用不同的压电陶瓷(PZT)片作为激励端和响应端,进行了不同传播路径的试验测试,对损伤前后的不同传播路径的测试波形进行分析处理和比较,找到了反映损伤前后波形变化的规律。利用散射波能量与基准能量的比值定义了损伤率的概念,以孔洞损伤为例计算了损伤对不同传播路径损伤率的数值影响,结果表明该特征值可用来实现对损伤位置的判断。     

非线性Lamb波结构早期损伤监测研究

非线性Lamb波监测技术是结构健康监测研究的热点之一。为了解决线性Lamb波监测结构早期微损伤敏感度低的问题,采用具有积累效应的(S1,S2)对称模式非线性Lamb波方法,实现对金属结构材料非线性变化的定量监测。实验结果表明,非线性Lamb波信号及特征参数对结构材料非线性变化十分敏感,且随模拟疲劳损伤范围的扩大,特征参数呈线性增长,而基频信号的变化很微弱,从而验证了非线性Lamb波方法对疲劳等结构早期损伤监测的有效性和可行性。     

压电阵列Lamb波损伤监测信号一致性补偿方法

Lamb波结构损伤监测是结构健康监测领域的研究热点之一。针对基于压电阵列的Lamb波损伤监测研究中因传感器性能差异引起的信号偏差问题,通过分析Lamb波信号的激励、传播和传感过程,利用压电阵列中等距离传播通道直达波传递函数相同的特点,提出了窄带激励下的压电传感器机电耦合系数归一化补偿,实现对结构响应信号的一致性补偿。实验验证表明,该方法能在一定程度上抑制因压电传感器性能差异引起的信号偏差,提高了监测结果的准确性。     

主动Lamb波结构损伤监测中的非线性信号提取

基于非线性Lamb波信号的损伤监测研究是近几年发展起来的热点。受频散及多模特性的影响,非线性Lamb波目标模式信号的分析和提取较难。采用时频处理法,结合频散曲线,研究了主动Lamb波结构损伤监测中的非线性信号提取法,并进行了实验验证。实验结果表明,该方法可有效分辨和提取出期望的基频和非线性二倍频模式信号,进一步模拟损伤实验验证了非线性特征信号对结构状态变化的敏感性。     

基于Lamb波和典型相关分析的复合材料结构损伤监测

为了监测复合材料尾翼结构在受载条件下的健康状况变化,该文提出了一种基于超声导波和典型相关分析的结构健康监测方法。首先,将代表结构健康状况的基准信号和损伤信号之间的相关系数定义为损伤指数,通过典型结构试验确定损伤指数阈值。然后,在载荷施加的过程中以损伤指数超过该阈值的信号路径数量作为衡量结构健康状态的结构损伤指标,通过监测该指标的变化掌握结构的健康状况。在全尺寸复合材料尾翼损伤演化监测实验中,验证了该方法对于复合材料飞行器结构损伤扩展监测的有效性。研究结果表明,结构损伤指标的变化可以反应结构健康状况的变化趋势,在役结构健康监测方法可以实现对复合材料尾翼结构的实时监测。     

基于压电元件的Lamb波模式调制方法

Lamb波损伤监测技术是近年来结构健康监测研究的热点之一。由于Lamb波传播过程中存在频散及多模效应,监测过程中结构响应信号十分复杂,给信号处理和分析带来困难。根据压电元件激励与传感模型,对Lamb波模式调制及选择方法进行了分析研究,给出了基于压电元件的选择性模式激励与接收原理,实现对期望模式的激发和采集,简化响应信号及后续处理。在铝板结构上的实验研究验证了方法的有效性。     

基于Lamb波群速度的铝合金疲劳损伤检测

从理论上分析Lamb波群速度识别铝合金疲劳损伤的可行性。搭建主动Lamb波结构健康监测系统,采用基于Lamb波群速度的结构损伤检测方法,研究金属疲劳引起的损伤形变的识别过程;通过波包分解技术将接收信号中混叠的激励波包分解出来,从而准确地提取波包的到达时刻,实现Lamb波传播群速度的计算。在实际7050铝合金板材结构上进行了实验验证,并与短时傅里叶变换法进行对比。实验结果表明,采用波包分解技术能准确获取波包的传播时间,通过对比群速度识别金属疲劳的存在,其有效性高于短时傅里叶变换法。     

含金属芯压电纤维对Lamb波传感实验研究

含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型的压电功能元件,该文将其应用于超声Lamb波的传感.该文简述了其传感特性、研究现状,建立了一套基于MPF的兰姆(Lamb)波主动监测系统,实验研究并分析了MPF对Lamb波的传感特性.实验结果表明,MPF作为Lamb波传感器是可行的,且其对Lamb波的传感具有很强的方向性,随着Lamb波传播方向与MPF轴向夹角的增大,信号的峰值单调递减.当激励信号频率为160 kHz时,沿MPF轴向激励时信号幅值约为垂直于MPF轴向时的5倍.     

基于双压电晶圆的Lamb波单模式提取方法

基于压电传感器和兰姆(Lamb)波的主动诊断技术是一种有效的复合材料结构健康监测方法。Lamb波传播特性复杂,频散现象和模态混叠导致接收信号的单一模式难以分辨。该文提出了一种采用双压电晶圆来提取Lamb波中单一模式信号方法,它可以有效地解决由于多模式所引起信号混叠。由于该方法是从传感器自身物理特性出发,不依赖具体结构或者传感器布置特性,所以该方法具有更好的工程适应性。碳纤维复合材料平板中的单模式Lamb波提取实验,验证了方法有效性。     

采用聚焦Lamb波方法的板结构螺钉松动监测

针对基于压电元件和主动Lamb波的螺钉松动监测研究中存在的问题,研究采用聚焦Lamb波信号方法改进现有监测技术。介绍和分析了基于时间反转处理的Lamb波信号聚焦原理和过程,以及基于此的螺钉松动监测特征参数提取以及方法的实现技术;通过在铝板盒段试件上的实验,给出了实验验证,证明了该方法具有较好的实用性。     

基于压电阵列的无波速主动损伤监测方法研究

主动技术在结构健康监测研究中有着不可替代的作用。文章研究了基于压电传感阵列的无波速主动结构健康监测方法,给出了单像素点的损伤概率计算方法及在不计算Lamb波波速的情况下对结构进行主动损伤成像、定位的方法。通过实验,对比了利用波速标定值的传统方法和无波速监测方法的成像定位效果,发现了无波速主动监测方法能有效提高定位精度,提升成像效果,为基于压电阵列的结构健康监测技术提供了一种新的工业应用方法。     

火箭贮箱结构健康监测传感器系统设计

为了保证火箭贮箱结构在存储过程中的完整性,需要开发适用于低温环境的贮箱结构在役结构健康监测传感器系统。该文进行了一系列低温测试试验。首先,利用长期监测试验考察了长期处于低温环境下的压电晶片传感器和粘接剂的性能退化情况,以表征其低温耐久性;然后,利用低温/常温剪切强度试验测试了不同种类粘接剂在贮箱结构使用环境下的抗高应变性能;最后,通过不同温度(室温~-180℃)下的Lamb信号收发试验评估了不同传感器系统的低温工作性能。实验结果表明,选用的粘接剂在低温下的力学性能和耐久性较好,压电晶片传感器在低温下耐久性良好。该文设计的传感器系统可用于火箭贮箱结构低温监测。     

无线结构健康监测系统设计

为了对结构工程进行长期健康监测,并可根据监测数据进行分析、评估结构安全性,设计了一套实用性较强的无线监测系统。该系统采用由微功耗的单片机控制的24位模数转换器完成模数转换,加入太阳能充电方式来保证节点可以长时间工作。数据通过针对实际应用定制的网络协议进行传输,用户可以根据不同应用场合选择现场或者远程监控模式,上位机软件实时显示监控状态并给出可视化图形分析结果。测试实验证明,该系统具有工作时间长、低功耗、易维护和搭建和移动方便等优点。