声发射典型结构健康监测系统-Read

信号处理是结构健康监测系统中必不可少的环节
• 传感器对结构所监测到的信号必须经过信号处理，以获得 反映结构状态的特征参数，其必要性如下： • 实际工程结构所处的环境比较复杂，如飞行器结构就可能 工作在强电磁干扰、振动和高、低温环境下，这些环境因 素会给被监测信号带来很多影响；传感器的灵敏度有限， 结构的一些状态变化反映到传感器的监测信号中，往往信 号微弱，因此需要对传感器网络监测到的信号进行处理以 获得信噪比较高、较为精确的参数。 • 由传感器网络所监测到的结构参数值，往往不是能直接表 征结构健康情况的参数，如应力、应变、位移、温度、湿 度等，这些参数必须经过信号处理方法加以综合，并提取 能直接反映结构中损伤的参数，才能有效评判结构的状态。
•
图4–5 滤波器的幅频特性
频率混叠现象
• 主要解决由于系统采样频率不够高所造成的信号频率混 叠现象，在进行动态信号测试中必须考虑抗混叠滤波器。 根据奈奎斯特采样定律，在对模拟信号进行离散化时， 采样频率至少应2倍于被分析信号的最高频率，否则可 能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠 到低频段，出现虚假频率成分的现象，这称之为频率混 叠现象
图4–6 频率混叠图 a-采集信号﹙虚线﹚ ； b-真实信号﹙实线﹚
抗混叠低通滤波器
• 在对结构进行测量时，被测信号的高频成份往往不可避免， 例如：在大型桥梁、高楼、机械设备等动态应变、振动测 试及模态分析中，信号所包含的频率成份理论上是无穷的， 而测试系统的采样频率不可能无限高也不需要无限高，因 此信号中总存在频率混叠成分，如不去除混叠频率成份， 将对信号的后续处理带来困难。为解决频率混叠，在对监 测信号进行离散化采集前，通常采用低通滤波器滤除高于 1/2采样频率的频率成份，这种低通滤波器就称为抗混叠
结构健康监测中的常用 信号处理方法
小组成员：闫佳妮 王婷 张小宁 张炳良
报告的主要内容
结构健康监测及信号处理单元
常用信号处理方法及其应用
信号分类 时域信号分析与应用
频域信号分析与应用
时频域信号分析与应用 HHT变换与应用 典型结构健监测实例
1 结构健康监测及信号处理单元
结构健康监测
滤波器。
• 滤波器在使用时，应考虑传感器的工作频段而加以选择， 对于压电传感器，其监测信号一般为具有一定频率的动态 信号，因此一般后接带通滤波器。应变电阻元件一般监测 低频信号，一般后接低通滤波器。
时域信号分析与应用
• 时域信号波形参数
信号的到达时间、上升时间、持续时间、信号的峰值、 信号的能量、信号的响铃个数
结构健康监测系统
结构健康监测系统是在原有结构材料上以特定方法融合 进传感器、驱动器及部分信号信息处理元件，同时结合 外部计算机数据采集系统等实现的一种智能系统。
任意波形发生器
TALK / DATA TALK RS CS TR RD TD CD
宽带功率放大器 玻璃纤维增强结构板 压电元件 B
C PCI 电荷放大器 PCI-DSP-4数采卡 计算机
• 时域信号统计参数的提取
时域统计特征：信号的均值、均方值、方差以及概率密 度等函数等。
图4–10 时域波形参数定义图
基于Lamb波信号峰值特征的监测方法
• Lamb波通过结构中的损伤时，其峰值会发生衰减的现象。 • 蜂窝夹芯复合材料梁和碳纤维复合材料梁上制作损伤，一 种是采用在夹层面板与蜂窝夹心之间预埋TEFLON薄膜制 作脱粘损伤，损伤大小为50mm×50mm，另外一种是采 用不同大小的冲击能量制作不同程度的冲击损伤。
幅 值 u/v
时间 t/s
功率谱密度发生变化
幅 值 u/v
功率谱密度是信号 的一种统计特征。 平稳信号的功率谱 密度不随时间变化， 而非平稳信号的功 率谱密度随时间发 生改变。
时间 t/s
图4–4 平稳信号与非平稳信号
信号滤波方法
• 信号滤波在信号处理中有 两类作用，一是滤除噪声 及虚假信号，一是对传感 元件所监测到的信号进行 补偿。 对传感器监测到的信号 首先进行的处理就是信号 滤波。常用的信号滤波方 法主要分为高通滤波、低 通滤波、带通滤波和带阻 滤波。
结构健康监控技术是智能材料结构研究的一个重要分支。 结构健康监控技术是采用智能材料结构的新概念，利用 集成在结构中的先进传感∕驱动元件网络，在线实时地获取 与结构健康状况相关的信息﹙如应力、应变、温度、振动模 态、波传播特性等﹚，结合先进的信号信息处理方法和材料 结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的状 态，包括损伤，并对结构的不安全因素，在其早期就加以控 制以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展，从而实现 结构健康自诊断，自修复，保证结构的安全和降低维修费用。
• 以10μs宽度、10V峰值的半正弦窄脉冲作为激励信号，在完好试件和 带有冲击损伤的试件上进行宽带Lamb波激励，布置在试件另一位置 的传感器对Lamb进行信号采集，损伤处于激励器件和传感器件之间。 蜂窝夹芯复合材料结构和碳纤维板中的监测波形分别如图所示，从图 中的波形可以看出，信号峰值在有损伤试件中有明显降低，因此可以 考虑采用Lamb波信号峰值来表征结构损伤。
主动结构监测系统
损伤
压电元件 A 接线板
信号信息处理技术
传感网络监测到的数据，需要进行分析并提取特定参数，来 识别结构状态。 结构状态参数的提取： 结构力学建模方法 结构振动模态分析技术 信息信号处理技术：不需要依赖结构力学模型，且对结构 中的小尺寸损伤比较敏感。
信号与信息处理
信号处理：除传统傅立叶分析以外，先进 时频信号处理方法在研究中普遍采用，如 小波分析、HHT 分析方法等。 信息处理：模式识别技术、人工神经网络 技术、多主体协作技术、遗传基因算法等 信息处理方法被用来对结构状态参数进行 辨识 。
2.常用信号处理方法及其应用
• 信号的分类方法
• 可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号 • 非确定性信号不能用数学关系式描述，其幅值、相位变化 是不可预知的，所描述的物理现象是一种随机过程。 • 在非确定信号中，如果信号的统计特征保持不变，那么这 类信号称为平稳信号，否则称为非平稳信号。