结构健康监测中的常用信号处理方法

• 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。
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
计算机
PCI PCI-DSP-4数采卡
0.02
通道4
0
-0.02
0 200 400 600 800 1000 1200
0.05
通道3
0
-0.05
0 200 400 600 800 1000 1200 0.02
通道2 0 -0.02
0 200 400 600 800 1000 1200 0.02
0
通道1 -0.02
0 200 400 600 800 1000 1200
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。
幅 值 u/v
• 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。
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
• 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。
• 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。
频域分析法
• 傅立叶变换是信号处理方法中的重要应用工具之 一，它当然也是结构健康监测领域内的一个重要 的信号处理手段
• 周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱 • 非周期信号的幅值谱密度 • 在结构健康监测中，信号在频域的频率分布、主
要峰值出现的频率、某些频段的能量大小等都可 以用作表征结构特征的参数。
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 。
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：
时频域分析法
• 傅立叶分析有它自身的一些缺陷： • 1.不具备时域特性。傅立叶变换在频谱上不能提供任何同
时间相关的信息，也就是信号在某个时刻上的频率信息。 这是因为傅立叶谱是反映的是信号的统计特性，从其表达 式也可以看出，它是整个时间域内的积分，没有局部化分 析信号的功能。
• 2.不适合分析非平稳信号。傅立叶分析从本质上讲是采用 一组正弦基或余弦基去逼近信号，由于正弦和余弦函数都 为无限长的周期信号，因此非平稳信号，特别是瞬态信号 是无法采用它们去有效逼近的，这就是说傅立叶分析不适 用于非平稳信号的分析。
小波变换的应用
• 国内一些学者应用小波分析将复合材料的传感信号分解到不 同的频率带上,根据对信号及噪声所处频带的先验知识,去掉 了某些可能含有大量噪声的水平尺度上的细节信号,再对信 号进行重构,即可获得消除噪声以后的传感信号。进一步对 传感信号进行损伤特征提取,从而判断结构的健康状况。也 可利用离散小波变化提取复合材料传感信号各水平小波细节 信号能量特征参数,利用神经网络对其进行识别,可实现对损 伤位置的识别;也有一些国外学者利用离散小波变换通过提 取复合材料中特殊传播模态的方法实现了对不同复合材料中 损伤位置和程度的判别;国内还有学者利用小波分析在处理 非平稳应力波信号分析的优良特征,研究应力波奇异值大小 与材料损伤之间的关系,从而实现了对损伤有无的判断、应 力波模态的定位 。
• 小波分析采用一簇小波函数替代正弦基去表示或逼近被分析信号，这 一簇函数称为小波函数，它是通过基小波函数的平移和伸缩构成。记
基小波函数为 x，伸缩和平移因子分别为 a 和 b ，则一簇小波变
换函数定义为
b
a,b
t

a
1 2
t
b a

• 对应函数 f x L2 R，其连续小波变换定义为
Wf (a,b)

f
t a,b
t dt

1 a




t
b a

dt
• 其中：W f (a, b) ——小波变换系数
平移
平移 伸缩
平移
平移
采用具有 不同平移 和伸缩因 子的小波 函数的叠 加去逼近 待分析信
号
小波变换过程图示
• 考虑便于计算机实现，常常把连续小波及其变换离散化，这就是离散 傅立叶变换。离散小波变换对连续小波变换中的尺度和位移参数同时 离散化：
a a0 j b ka0 jb0 , j, k Z
• 通常，取 a0 2, b0 1 ，也称二进制离散化，就得到离散二进小波
变换：
k
W2k f (x) f 2k (x) 2 2
R
f
t

xt 2k

dt
小波分解的快速算法──Mallat算法 它相当于有两个滤波器，一个是高通滤波器，一个是低通 滤波器分别在对信号进行滤波。高通滤波器将信号f(x)的 高频成分D滤出，D也称为细节信号，低通滤波器将信号 的低频成分A滤出，称A为逼近信号。以后第二层的逼近 信号A又被继续分解成高低频两部分，这个过程将持续下 去，直到获得所需要的信号分解。
Mallat小波分解过程
小波分析结果表示
幅值 u/v
频 f/Hz
时间 t/s
正弦信号小波分析等高线
时间 (S)
S信号的小波分析三维谱图
小波重构
由重构的小波逆变换定义为
f x 1
C

－Wf (a, b) a,b x dadb
Wf (a,b) 连续小波变换系数
四通道传感器监测的声发射波形图
由于压电传感元件位置 不同，因此从波形中可 以看出声发射信号到达 各传感元件的时刻有所 不同。结构受到冲击时， 也会在结构中产生冲击 波，其传递到不同位置 的压电元件的时间也不 同，可据此对冲击进行 定位。
• 传统的声发射定位所采用的第一次门槛跨 越技术，其困难之处：由于声发射波在有 限介质（例如板状材料）中的频散现象使 其波形改变，当传感器距离增大时，会引 起相当大的误差。这意味着不是在同一相 位点上跨越门槛。
电荷放大器 接线板
主动结构监测系统
C
损伤
压电元件 A
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
• 工程应用中，大量的信号都是非平稳信号。 • 小波分析、Hilbert–Huang变换等先进处理方法。
小波变换
• 小波分析被认为是傅立叶分析方法的突破性进展， 它是结构健康监测中一种有效的时频域联合分析 方法。小波分析则被誉为数学显微镜, 本身具有 放大、缩小和平移等功能, 可通过检查不同放大 倍数下的变化来研究信号的特征, 具有优良的时 频局部化特性。这样, 用小波分析作为信号处理 工具将能对被分析信号进行更细致的分析, 获得 比傅立叶分析更多的信号特征。
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 典型结构健康监测实例
1 结构健康监测及信号处理单元
结构健康监测
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 滤波器。
• 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。
冲击损伤发生前后蜂窝夹心材料试件中的Lamb 波信号
﹙a﹚无损伤；﹙b﹚有损伤
碳纤维试件中的Lamb波信号 ﹙a﹚无损伤；﹙b﹚有损伤
• 该峰值损伤因子来评估结构损伤没有考虑 在结构中的传播时，信号峰值随传播距离 衰减的特性。
• 利用基于最小二乘法的峰值损伤因子
信号到达时间
信号到达时间常常被用来对结构中的冲击载荷、声发射源或损伤进行定位
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。
小波变换在结构健康监测中的应用
（一）声发射事件的变化
幅值
电压(mv)
时 间 (us)
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频率 (kHz)
系数
频率(kHz)
时 间 (us)
频率
时 间 (us)
图11 典型声发射波形，通过FFT计算的 功率谱，小波变换等高线图和3维图