一种结构损伤检测方法和系统与流程

本发明涉及结构损伤监测领域，尤其涉及一种结构损伤检测方法和系统，利用健康声子晶体与其他外加结构组合成新的人工周期结构，通过新的人工周期结构的缺陷模式来判定外加结构的缺陷(损伤)，为声子晶体缺陷模式的应用提供新的途径。

背景技术：

分析声子晶体的带隙特性是物理和工程领域中重要的研究课题之一，由于带隙的存在，弹性波传播行为表现出特殊的性质：带隙频率范围内的弹性波传播被抑制；而声子晶体存在缺陷时，弹性波局域在缺陷内或只沿缺陷方向传播，这使得弹性波传播的调控成为可能。

考虑到声子晶体缺陷本身也是一种损伤，如果利用健康声子晶体与其他外加结构组合成新的人工周期结构，通过新的人工周期结构的缺陷模式来判定外加结构的缺陷(损伤)，从而利用声子晶体缺陷模式来进行损伤监测，为声子晶体缺陷模式的应用提供新的途径。

技术实现要素：

本发明的目的是为声子晶体缺陷模式的应用提供新的途径，提供了一种结构损伤检测方法和系统，本发明的具体方案如下。

本发明的结构损伤检测方法包括如下步骤：

s1:将声子晶体与待测对象组合为周期结构；

s2:采用信号发生器或实时控制系统连接电压放大器输入激振信号给压电叠堆陶瓷作动器，压电叠堆陶瓷作动器位于步骤s1所述周期结构一端底部，压电叠堆陶瓷作动器激发周期结构的振动响应，周期结构另一端上部放置位移传感器或加速度计，位移传感器或加速度计感受振动导致的位移或加速度变化，记录产生变化的位移或加速度信号；

s3:改变激振信号，记录输入信号与位移信号并分析生成频率响应函数，当观测到带隙当中出现共振峰，即认为待测对象有损伤，所述的带隙为频率响应函数中明显低于0db的频率范围。

进一步的，在步骤s1中，所述的声子晶体为没有缺陷态的健康声子晶体；所述的将声子晶体与待测对象组合为周期结构的方法具体可以为：在待测对象上下表面对称均匀黏贴声子晶体，组成周期结构。实际上任何利用利用健康声子晶体与待测结构组合，生产新的人工周期结构的方法均是允许的。

优选的，所述的周期结构的周期数大于等于8个。周期数目越多，频率响应函数的带隙越清楚，带隙越明显，通常产生8个周期数目及以上就可以满足检测要求。

为了检测损伤的具体位置，作为优选的，所述的结构损伤检测方法还包括步骤s4，所述的步骤s4为：当待测对象有损伤时，在每个周期单元内等间距布置应变传感器，观察频率响应函数的缺陷态频率，然后通过缺陷态频率下的激励，找寻最大应变处，所述的最大应变处就是损伤处。

损伤的判断定量的方法可以通过共振频率的漂移幅度得到，该方法属于本领域较熟知的方法，不再另做介绍。

本发明还公开了一种结构损伤检测系统，包括待测周期结构、实时控制系统、电压放大器、压电叠堆陶瓷作动器、光纤光栅位移传感器、宽带光源、光纤光栅滤波器、光环行器a、光环行器b和光电二极管，所述的实时控制系统与电压放大器相连，所述的电压放大器与压电叠堆陶瓷作动器相连，所述的压电叠堆陶瓷作动器位于待测周期结构一端的底部，所述的光纤光栅位移传感器位于待测周期结构一端的上部，所述的光纤光栅位移传感器与光环行器b的2号端口相连，光环行器a的1号端口连接宽带光源、2号端口连接光纤光栅滤波器、3号端口连接光环行器b的1号端口，光环行器b的3号端口通过光电二极管与实时控制系统相连。

优选的，所述的待测周期结构为上下表面对称均匀黏贴声子晶体的待测结构。所述的待测结构可以为工程梁。

本发明方法利用健康声子晶体与其他结构组合成新的人工周期结构，通过新的人工周期结构的缺陷模式来判定外加结构的缺陷(损伤)，从而利用声子晶体缺陷模式来进行损伤监测，为声子晶体缺陷模式的应用提供新的途径。同时本发明方法对待测结构没有任何损伤，声子晶体法对损伤程度敏感，开拓了声子晶体的应用途径，也为损伤监测的方法提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明的结构损伤检测示意图；

图2为本发明实施例中的周期结构示意图；

图3为本发明实施例中第6元胞梁损伤示意图；

图4为复合梁不同程度损伤的频率响应函数图。

图中，实时控制系统1，电压放大器2，压电叠堆陶瓷作动器3，待测周期结构4，光纤光栅位移传感器5，宽带光源6，光纤光栅滤波器7，光环行器a8，光环行器b9，光电二极管10。

具体实施方式

下面结合实施例和附图本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明的结构损伤检测系统，包括待测周期结构4、实时控制系统1、电压放大器2、压电叠堆陶瓷作动器3、光纤光栅位移传感器5、宽带光源6、光纤光栅滤波器7、光环行器a8、光环行器b9和光电二极管10，所述的实时控制系统与电压放大器相连，所述的电压放大器与压电叠堆陶瓷作动器相连，所述的压电叠堆陶瓷作动器位于待测周期结构一端的底部，所述的光纤光栅位移传感器位于待测周期结构一端的上部，所述的光纤光栅位移传感器与光环行器b的2号端口相连，光环行器a的1号端口连接宽带光源、2号端口连接光纤光栅滤波器、3号端口连接光环行器b的1号端口，光环行器b的3号端口通过光电二极管与实时控制系统相连。

在本实施例中，所述的待测周期结构为上下表面对称均匀黏贴声子晶体的待测结构。所述的待测结构可以为工程铝梁。周期数为8，其结构图如图2所示。其中铝梁的尺寸参数为1.28m*0.03m*0.004m。在8个周期的声子晶体梁中，所选材料为铝和有机玻璃，晶格常数a＝0.16m，截面为正方形，边长b＝0.015m，材料组分比1:1。

为了进一步分析如何应用声子晶体缺陷模式来进行损伤监测。在声子晶体第6元胞对应的铝梁中，设置不同长度损伤来比较其对传输特性曲线的影响，如图3所示为第6元胞梁损伤示意图。

在将声子晶体与待测对象组合为周期结构后，采用实时控制系统连接电压放大器输入激振信号给压电叠堆陶瓷作动器，压电叠堆陶瓷作动器位于步骤s1所述周期结构一端底部，压电叠堆陶瓷作动器激发周期结构的振动响应，周期结构一端上部放置光纤光栅位移传感器，光纤光栅位移传感器感受振动导致的位移变化，产生变化的位移信号通过光纤光栅传感系统输入到实时控制系统；改变激振信号，记录输入信号与位移信号并分析生成频率响应函数，图4是复合梁不同程度损伤的频率响应仿真图。

如图4所示，不同程度的损伤时，带隙内的通带频率会发生漂移，其他频率几乎不变，如损伤长度从0.05a(晶格长度为a)变化到0.15a时，第二带隙内的通带频率从b移到b'，漂移幅度为8％。而且发现频率越高，对通带频率影响更为明显，如第三带隙内从a移到a'，漂移幅度达20％，观察第一带隙，发现带隙内没有通带。这是因为频率越高，对应的波长越小，而波传播时波长越小对局部的损伤更为敏感。综上所述，声子晶体法对损伤程度敏感，当观测到频率响应函数带隙当中出现共振峰(共振峰即缺陷态)，即认为待测对象有损伤；而不是周期结构的结构频率响应函数没有带隙。故可以利用声子晶体法对结构进行损伤监测。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种结构损伤检测方法和系统，利用健康声子晶体与其他外加结构组合成新的人工周期结构，通过新的人工周期结构的缺陷模式来判定外加结构的缺陷(损伤)，当观测到带隙当中出现共振峰，即认为待测对象有损伤。根据带隙内通带的漂移情况来测量损伤的大小，为声子晶体缺陷模式的应用提供新的途径。

技术研发人员：庄国志;汪华鑫;张志强;袁志文
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.03.29
技术公布日：2017.07.28