[发明专利]一种正三角相控阵螺栓紧固结构健康监测系统及方法

权利要求书

1.一种正三角相控阵螺栓紧固结构健康监测系统的使用方法，所述正三角相控阵螺栓紧固结构健康监测系统包括上位机、信号发生器、功率放大器、正三角相控阵传感网络、电荷放大器、信号采集卡；

正三角相控阵传感网络包括三组压电传感器阵列，三组压电传感器阵列构成正三角形并分别位于正三角形三个顶点上，三组线性阵列传感器中，每组阵列由N个完全相同的传感器阵列单元组成，每个阵列单元均为圆形的压电传感器；三组线性阵列传感器分别依次作为激励器，剩余两个阵列作为接收器；

上位机通过USB数据线与信号发生器的USB HOST Device接口连接，信号发生器的输出端口接功率放大器的输入端口，功率放大器的USB Device接口通过低噪音电缆线连接正三角形三个顶点处的三组压电传感阵列，三组压电传感阵列通过低噪音电缆线与电荷放大器的L5接口相连，电荷放大器的BNC接口通过输出电缆线与信号采集器卡的OPEN5接口相连，信号采集器卡的USB接口通过USB电缆线和上位机的USB接口相连；

其特征在于使用方法具体为：

Step1：将正三角相控阵传感网络中的三组压电传感器阵列记为A、B、C三点，在上位机中设置激励信号参数，并将其发送至信号发生器，信号发生器根据接收到的激励信号参数产生相应的Lamb波，并经功率放大器放大后分别依次加载到正三角相控阵传感网络的A、B、C三组线性阵列传感器中的激励传感器阵列单元，激励传感器阵列单元产生的Lamb波信号对被监测结构进行相控扫描，得到包含损伤信息的Lamb波信号，该信号被剩余两组接收器接收；

Step2：包含损伤信息的Lamb波信号传输至电荷放大器放大，信号采集器卡采集放大后的有效信号并将其换成数字信号传输至上位机并存储于上位机中；

Step3：上位机通过差分法、窗函数、正三角形相控阵，正三角形时间反转聚焦对所采集到的信号进行成像、计算、对比，得到被监测对象的健康状况；

所述Step1中的正三角相控阵传感网络具体为：

Step1.1：以被监测的螺栓为等边三角形的中心，在边长为的等边三角形的三个顶点分别布置线性压电阵列，三个顶点依次编号为A、B、C，每一个顶点处的压电阵列由N个压电片组成，N个压电片依次编号为A₀、A₁、…A_N-1，B₀、B₁、…B_N-1，C₀、C₁、…C_N-1；

Step1.2：对A、B、C三个顶点的压电传感器依次施加窄带Lamb波信号，其中一个顶点作为激励器，另外两个顶点作为接收器，形成激励-传感通道，一共获得3*（3-1）=6个激励-传感通道的响应信号；

所述Step1中的正三角相控阵传感网络中的相控阵具体为：

Step1.3：在一个扫描周期T中，正三角形A、B、C三点激励信号的初始位置均指向中心点处的被监测的螺栓，此时A、B、C三点的相位分别为30°，150°，270°，在此方向上发射-接收Lamb信号的时间为t；在t+时刻激励信号相位均处于A、B、C三点的初始相位方向，A、B、C三点初始相位分别为0°，120°，210°，并以逆时针方向为正方向旋转扫描；在t+至T/2时刻，A、B、C三点处的阵列从初始相位按逆时针方向开始对三角形区域进行扫描，扫描角度为，即A、B、C三点分别扫描到60°、180°、270°时，1/2个扫描周期结束；在T/2+时刻，A、B、C三点相位回到0+时刻的相位，即0°、120°、210°，指向三角形中心螺栓，再经过时间t，A、B、C三点回到相位60°、180°、270°处，并按顺时针方向开始扫描三角形区域，扫描角度为60°，完成一个周期的扫描；

Step1.4：在螺栓连接状态完好且正三角形区域结构健康状态下，重复Step1.3，并保存记录相应的响应信号，标注为基准信号；

Step1.5：在螺栓松动，但正三角形区域结构健康状态下，重复Step1.3，并保存记录相应的响应信号；

Step1.6：在正三角形区域有结构损伤，螺栓连接完好状态下，重复Step1.3，并保存记录相应的响应信号；

Step1.7：在螺栓松动且三角形区域结构损伤状态下，重复Step1.3，并保存记录相应的响应信号；

Step1.8：将Step1.4中所得信号作为基准信号，根据差分法，用Step1.5 、Step1.6所得的响应信号分别减去基本信号，得到不同情况下的损伤散射信号，并保存记录相应的信号；

Step1.9：通过比较Step1.4和Step1.5在（0，t）的周期内和（T/2，T/2+t）的周期内的信号图，并设置两个信号差阈值，若两者信号差超过所设定的阈值，则判定为螺栓松动，人工进行螺栓紧固及安全检查操作，反之，螺栓处于正常状态；

Step1.10在Step1.6的情况下，当正三角形相控阵在所控制区域检测到损伤时，Lamb波会在损伤处聚焦，当传感器接收到由损伤点反射的响应信号后对其进行时间反转，并将该信号施加到相应的传感器上作为激励信号再次在结构中激发，设激励信号从A、B、C三顶点到达损伤的最大时刻为t₀，损伤反射信号从损伤点到达A、B、C三顶点的最大时刻为t₁，选取t_mt₁，以t_m- t₀为时间窗口，分别截取各路径传感信号，并在t_m- t₀的时间窗内将传感信号反转得到相应的反转信号，将反转后的传感信号在对应的传感器上同时加载，则在损伤处可得波源的反转聚焦信号，波源即损伤信号在损伤处的反转聚焦，聚焦时刻为加载结束时刻，将各传感路径信号进行反转聚焦成像，并把各路径成像结果进行叠加，根据不同传感路径信号对应的灰度不同，将损伤呈现在灰度图中，即可判断损伤位置；

Step1.11：根据Step1.10测得损伤到A、B、C各点的时间和各方向的波速，得到损伤到A、B、C三点的距离，再根据正三角形的性质，即在等边三角形中，三顶点A、B、C固定，位置已知并且能够获得三角形内同一损伤点到A、B、C三点的距离，求得损伤点在直角坐标系中的具体位置和相位，得到损伤的位置和相位；

Step1.12：对比整合Step1.10和Step1.11即可得到损伤的具体位置，由Step1.10通过成像结果获得损伤位置情况，通过Step9校准损伤的具体位置；

Step1.13：对Step1.7所获得的信号利用（0，t）和（T/2，T/2+t）的时间窗函数截取这两段时间内的信号并减去Step1.4中相对应的基准信号，即为此状态下螺栓的损伤散射信号，再用剩下时段的信号减去Step1.4中相对应时段的基准信号，即为Step1.7中正三角形区域的损伤信号，重复Step1.10和Step1.11，可得损伤的具体位置。