[发明专利]一种导波信号标定系统及方法

说明书

本发明公开了一种导波信号标定系统及方法，属于航空结构健康监测技术领域，本发明的导波信号标定方法集成在上位机里，通过逻辑控制器输出控制信号给四象限乘法器调节电压增益，待标定导波信号进入导波信号标定系统后，依次经过反向比例器、四象限乘法器和电流反馈型放大器后输出标定后导波信号。本发明的一种导波信号标定系统及方法，设计简单，易于集成，标定精度高，信噪比高。

技术领域

本发明涉及航空结构健康监测技术领域，且特别是有关于一种导波信号标定系统及方法。

背景技术

飞行器在服役过程中，在役条件和故障模式通常是复杂且无法准确预测的，航空航天工业通常使用基于时间或基于使用的定期维护，然而这种方法非常耗时并且非常昂贵，因此支持实时在线监测的结构健康监测技术具有巨大应用前景。

结构健康监测技术是在智能材料结构的基础上，在结构中安装智能传感/驱动元件，通过结构健康监测系统实时在线地获取智能传感/驱动元件的物理信息，再利用先进的损伤识别算法对获取的信号进行处理，提取出结构健康状况的特征参数，识别结构状态，来实现对结构的在线或离线监测。结构健康监测技术可以在飞行器的设计、实验和服役全过程中对飞行器结构的状态进行监测和控制，从而保障指导飞行器的结构设计，降低维护成本，提高飞行的安全性。在众多的结构健康监测技术中，基于压电导波的结构健康监测技术因具有监测距离远、监测面积大、能够实现区域监测、对结构的小损伤敏感等优点而被广泛运用，其主要是通过高频率高幅值的导波电压信号激励结构上的驱动元件，并在传感元件上采集导波响应信号，再使用先进的损伤成像算法来判别结构上的损伤。

然而，在飞行器结构中应用基于压电导波的结构健康监测技术时，在真实的服役环境中存在着多种随时间变化的不确定因素，例如，环境温湿度变化、运行条件、结构边界条件变化等，而这些时变环境因素都可能会对监测的导波信号产生不确定性的影响；此外，飞行器结构的材料、结构、传感器布置误差等因素也会对监测的导波信号产生影响。基于压电导波的结构健康监测方法通过对比结构损伤前后监测的健康信号和损伤信号之间的信号差异来表征损伤，因此，以上导波信号的不确定性变化都会对后续结构损伤判别带来影响。

为此需要在导波采集系统中引入导波标定，将受时变因素、结构变化、传感器差异等影响前的导波信号作为标准信号，对受上述因素影响后的信号进行标定，从而提升结构损伤诊断的准确性。由上述因素引起的导波信号变化主要是信号幅值的变化，因此，对于导波信号的标定需在导波调理器中引入电压调节电路，调节导波信号的电压增益从而调节其幅值，其中，导波调理器用于将微弱的导波信号进行放大(详情参见公开号为CN111697946A的专利)。该电路应满足：电压增益近似连续可调，调节步进尽量小；在导波信号频域内(15kHz～700kHz)，除导波信号幅值外，不改变原始信号的其他特征，特别是相位；该电路可通过微控制器实时控制。常用的电压调节电路由集成运算放大器构成的反馈电路实现，通过改变电路反馈通路的阻值实现增益可控，其中常用的电压调节电路包括模拟开关和电阻网络法、数字电位器法、VGA(Variable Gain Amplifier，可变增益放大器)法等。模拟开关和电阻网络法的电路示意图如图1所示，然而其具有如下缺点：增益调节范围窄，增益调节分辨率低；受模拟开关导通电阻的影响，增益调节精度不高；模拟开关通道之间存在串扰，无法准确调节增益。数字电位器法的电路示意图如图2所示，然而其具有如下缺点：数字电位器抽头存在寄生电阻，且该电阻的温漂系数大，导致增益调节精度受影响；数字电位器内部存在大量寄生电容，包括抽头寄生电容、端接地电容等，导致数字电位器输出不同阻值时，对交流信号表现出的频率特性也不同，同时数字电位器带宽有限，无法用于导波信号的标定。VGA法的电路示意图如图3所示，然而其缺点如下：模拟控制VGA电路的增益通过外部电压控制，用于导波信号的标定时还需设计控制电压产生电路，易受外界干扰导致精度不高，且市面上大多VGA以控制电压的指数规律实现电压放大倍数控制，复杂化了整个标定过程；数字控制VGA的数字控制字目前仅能达到5～7位，导致增益调节步长较大，对于导波信号的标定精度不高；数字控制VGA的电压放大倍数与数字控制字呈指数规律，导致标定过程复杂；数字控制VGA器件的下限截止频率多在5MHz以上，高于导波信号频率范围(15kHz～700kHz)。