[发明专利]一种用于超声导波损伤监测的压电传感器优化布置方法

说明书

本发明公开一种用于超声导波损伤监测的压电传感器优化布置方法，属于结构健康监测技术领域，能够在压电传感器数量一定的情况下，通过调整传感器位置，获得尽可能大的监测覆盖区域。本发明首先在整个结构待监测区域设置离散控制点，然后将每两个传感器作为焦点定义的椭圆形式的损伤影响区覆盖控制点的比例作为覆盖率优化目标，最后由人工蜂群智能算法进行迭代求解，获取传感器的最优布置形式。本发明能够有效求解平面结构上的压电传感器布置优化问题，对扩大监测区域提高超声导波进行损伤监测的可靠度具有重要的作用。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，特别涉及一种用于超声导波损伤监测的压电传感器优化布置方法。

背景技术

航空飞行器结构在服役时，不可避免地会受到不确定因素造成的损伤，如冰雹撞击、工具跌落等造成冲击损伤。这些损伤会导致界面脱胶、分层、裂缝等情况，严重削弱结构的强度和稳定性。因此，需要对结构进行结构健康监测，以确保飞行器的服役安全。

结构健康监测系统使用集成在飞行器结构中的驱动和传感单元，在线获得与该结构状态相关的信息，特别是关于结构损伤状况的特征、程度、位置和发展趋势的信息，使决策者及时做出决策防止结构性能的恶化和失效破坏，对降低维护成本和提高结构安全具有至关重要的意义。经过众多研究人员的不懈努力，在结构健康监测领域已经获得了相当大的研究进展。近年来，基于压电传感器和超声导波的损伤识别技术被认为是一种非常有应用前景的方法，得到了广泛的研究。当压电材料受到机械应力处于应变状态时，其内部会引起电极化和电场，这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。与正压电效应相反，当压电材料在电场的作用下发生电极化时，则会产生应变，这种由电能转换成机械能的过程，称为逆压电效应。利用压电材料的逆压电效应和正压电效应可以分别在结构中激励和接收超声导波，通过对超声导波信号进行分析，提取与损伤相关的信号，可以获取有关损伤状态的信息。传统的压电传感器布置方法通常会使用较大数量的传感器在结构待监测区域进行均匀分布，造成一定的资源浪费。而通过优化算法对压电传感器的布置进行优化和合理配置，有助于提高传感器的利用率、减少传感器的数量、降低整个监测系统的复杂度、缓解监测系统对结构性能的附加影响。

因此，压电传感器的优化布置是基于超声导波的结构健康监测技术亟待解决的一个关键问题，这对于超声导波在飞行器结构损伤监测和识别中的实际应用有着重要的价值。

发明内容

本发明提供了一种用于超声导波损伤监测的压电传感器优化布置方法，在压电传感器数量一定的情况下，通过调整传感器位置，获得尽可能大的监测覆盖区域，能够及时发现待监测区域中的损伤，避免有部分区域和部位因为传感器布置的原因而无法获得有效监测。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于超声导波损伤监测的压电传感器优化布置方法，包括以下步骤：

步骤一：在平面结构表面建立坐标系，确定结构中待监测区域几何尺寸以及内外边界的坐标信息；

步骤二：在结构待监测区域设置离散控制点用于定义覆盖率，控制点的数量和分布可以由用户自定义；

步骤三：确定可供布置的压电传感器数量，由用户自定义传感器的初步布置方案或在允许范围内随机生成初始布置方案；

步骤四：将每两个传感器之间的传感路径损伤影响区覆盖控制点的比例作为覆盖率优化目标，构造传感器布置的组合优化问题；

步骤五：为避免以上组合优化问题陷入局部解，利用具有全局优化能力的人工蜂群智能算法进行迭代求解，由初始布置方案逐步优化获取传感器的最优布置方案，最大化覆盖率。

以上步骤中，步骤四中所述传感器布置的组合优化问题包括：

(1)定义传感器优化布置的目标函数：