一种复合材料结构的损伤监测方法、装置和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构损伤监测技术领域，尤其涉及一种复合材料结构的损伤监测方 法、装置和系统。
【背景技术】
[0002] 复合材料是由两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组 合而成的一种多相材料，它既保留了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有 的新性能。伴随着科学技术的进步，复合材料在各个技术领域的应用也越来越广泛，如航空 航天技术领域。复合材料的优点不言而喻，但复合材料在加工和使用过程中不可避免的会 产生损伤，因而有必要对复合材料结构进行实时的结构健康监测（SHM，StructuralHealth Monitoring)〇
[0003] 声发射（AE，AcousticEmission)是指在外界应力或温度等作用下，材料内部出现 变形或裂纹等微观状态的变化时，一部分能量以弹性波的形式释放的现象。因声发射具有 动态、实时监测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤监测。
[0004] 然而，复合材料的损伤类型多样，其发生的损伤类型主要包括：基体开裂（Matrix Crack)、脱胶（Debonding)、分层（Delamination)和纤维断裂（FiberBreakage)。每种类 型的损伤都对应一种具有不同时频参数的声发射信号，并且往往多种类型的损伤信号会混 叠在一起，因此需要合适的解混方法。
[0005] 盲源分离（BSS，BlindSourceSeparation)是为解决多个信号混合的分离问题而 产生的一种信号处理方法，在语音、振动、图像、生物医学等领域上都有广阔的应用前景。当 传感器数量比损伤类型数量少时的盲源分离问题称为欠定盲源分离，欠定盲源分离相对于 超定盲源分离（传感器数量比损伤类型数量多）及正定盲源分离（传感器数量与损伤类型 数量相同）的情形，由于损伤信号混合矩阵不可逆，因而更具有挑战性，是目前盲源分离的 研究热点和难点。
[0006]目前关于复合材料结构损伤的监测手段存在以下缺陷：
[0007] 1、复合材料的结构损伤类型多，损伤信号常常是多种损伤的混合信号，目前缺乏 有效的混合信号分离方法；
[0008] 2、虽然通过增加传感器数量可以提高结构损伤的监测精度，但是过多的传感器及 其引线会增加结构的复杂度和负担。
[0009] 因此，亟需探索利用少量传感器就能获得较好监测效果的复合材料结构的损伤监 测方法。
【发明内容】
[0010] 为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种复合材料结构的损伤监 测方法、装置和系统。
[0011] 本发明实施例提供了一种复合材料结构的损伤监测方法，所述方法包括：
[0012] 获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，得到声发射波形信号；
[0013] 对所述声发射波形信号进行预处理，得到预处理后的数据矩阵；
[0014] 对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离后的信号；
[0015] 对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。
[0016] 在一种可实施方式中，所述对声发射波形信号进行预处理，得到预处理后的数据 矩阵，包括：
[0017] 对所述声发射波形信号进行低频载荷信号滤除处理，得到无载荷声发射信号；
[0018] 对所述无载荷声发射信号进行有效的声发射数据段截取处理，得到有效声发射信 号；
[0019] 对所述有效声发射信号进行中心化处理，得到中心化声发射信号；
[0020] 对所述中心化声发射信号进行预白化处理，得到所述预处理后的数据矩阵。
[0021] 在一种可实施方式中，所述对预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离 后的信号，包括：
[0022] 对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏表示，得到稀疏混合信号；
[0023] 对所述稀疏混合信号进行混合矩阵估计，得到稀疏混合矩阵；
[0024] 对所述稀疏混合信号和稀疏混合矩阵进行1^范数最小化处理，得到稀疏源信号；
[0025] 对所述稀疏源信号进行信号重构，得到所述分离后的信号。
[0026] 在一种可实施方式中，在所述获得消噪后的分离信号后，所述方法还包括：
[0027] 分析所述分离信号的时频特性，并将所述分离信号的时频特性与已知的各种损伤 类型的声发射信号的时频特性进行比较，以确定所述分离信号对应的损伤类型。
[0028] 本发明实施例还提供了一种复合材料结构的损伤监测装置，所述装置包括：
[0029] 原始波形信号提取单元，用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换， 输出声发射波形信号；
[0030] 信号预处理单元，用于对所述声发射波形信号进行预处理，输出预处理后的数据 矩阵；
[0031] 稀疏盲源分离单元，用于对所述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，输出分 离后的信号；
[0032] 后处理单元，用于对所述分离后的信号进行小波消噪处理，得到消噪后的分离信 号。
[0033] 在一种可实施方式中，所述信号预处理单元包括：
[0034] 带通滤波器子单元，用于对所述声发射波形信号进行低频载荷信号滤除处理，输 出无载荷声发射信号；
[0035] 有效数据提取子单元，用于对所述带通滤波器子单元输出的无载荷声发射信号进 行有效的声发射数据段截取处理，输出有效声发射信号；
[0036] 中心化子单元，用于对所述有效数据提取子单元输出的有效声发射信号进行中心 化处理，输出中心化声发射信号；
[0037] 预白化子单元，用于对所述中心化子单元输出的中心化声发射信号进行预白化处 理，输出所述预处理后的数据矩阵。
[0038] 在一种可实施方式中，所述稀疏盲源分离单元包括：
[0039] 稀疏表示子单元，用于所述预处理后的数据矩阵进行稀疏表示，输出稀疏混合信 号；
[0040] 混合矩阵估计子单元，用于对所述稀疏表示子单元输出的稀疏混合信号进行混合 矩阵估计，输出稀疏混合矩阵；
[0041] 信号估计子单元，用于对所述混合矩阵估计子单元输出的稀疏混合矩阵和所述稀 疏表示子单元输出的稀疏混合信号进行信号估计，输出稀疏源信号；
[0042] 信号重构子单元，用于对所述信号估计子单元输出的稀疏源信号进行信号重构， 得到所述分离后的信号。
[0043] 在一种可实施方式中，所述装置还包括：
[0044] 损伤类型分析单元，连接所述后处理单元，用于分析所述分离信号的时频特性，并 将所述分离信号的时频特性与已知的各种损伤类型的声发射信号的时频特性进行比较，以 确定所述分离信号对应的损伤类型。
[0045] 本发明实施例还提供了一种复合材料结构的损伤监测系统，所述系统包括：至少 两个声发射传感器、电荷放大器和数据采集处理器；
[0046] 所述声发射传感器，用于采集针对所述复合材料结构的声发射信号，输出给所述 电荷放大器；
[0047] 所述电荷放大器，用于对所述声发射传感器输出的声发射信号进行放大处理，输 出传感信号给所述数据采集处理器；
[0048] 所述数据采集处理器，用于获得传感信号，并对获得的传感信号进行模数转换，得 到声发射波形信号；对所述声发射波形信号进行预处理，得到预处理后的数据矩阵；对所 述预处理后的数据矩阵进行稀疏盲源分离，得到分离后的信号；对所述分离后的信号进行 小波消噪处理，得到消噪后的分离信号。
[0049] 在一种可实施方式中，所述数据采集处理器包括本发明实施例所述的复合材料结 构的损伤监测装置。
[0050] 本发明实施例所提供的一种复合材料结构的损伤监测方法、装置和系统，提取多 源损伤声发射混合波形信息，并结合稀疏盲源分离理论，通过对混合声发射波形信息进行 预处理、稀疏盲源分离及后处理等处理手段后，得到了多个反映复合材料单一损伤形式的 声发射波形信息；这种方法结合了声发射波形信号的时频域信息，具有定量化的特点，能够 全面准确的对复合材料结构的损伤状态做出正确的评估；
[0051] 本发明实施例利用声发射技术，可以对复合材料结构上同时出现的多个不同类损 伤信号进行分离，适用于实际构件，并能更准确的对复合材料结构损伤状态作出评估；
[0052] 本发明实施例利用稀疏盲源分离理论，可以减少系统中声发射传感器的数量，从 而减小系统的硬件复杂度，更利于该系统的实际推广应用；
[0053] 使用本发明实施例可以对各种工况下的复合材料结构进行实时监测，出现危险情 况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。
【附图说明】
[0054]图1为本发明实施例一的复合材料结构的损伤监测方法的流程示意图；
[0055] 图2为本发明实施例二的复合材料结构的损伤监测装置的组成结构示意图；
[0056]图3为本发明实施例三的复合材料结构的损伤监测系统的组成结构示意图；
[0057]图4为本发明实施例四中复合材料结构的损伤监测系统的结构框图；
[0058] 图5a为本发明实施例四中信号预处理单元的结构框图；
[0059] 图5b为本发明实施例四中稀疏盲源分离单元