采用相控阵方法的结构螺钉松动监测成像研究

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1、第33卷第6期振动、测试与诊断Vo1．33No．62013年12月JournalofVibration．Measurement＆DiagnosisDec．2O13采用相控阵方法的结构螺钉松动监测成像研究孙亚杰，张永宏，钱承山(南京信息工程大学信息与控制学院南京，210044)摘要相控阵监测成像方法是结构健康监测领域中一个新的发展方向，通过控制信号的时间延迟控制信号的波束指向，从而监测复合材料结构中的损伤。将相控阵理论用于碳纤维复合材料航空结构中对螺钉松动进行监测并成像，分析螺钉松动情况下散射信号特点，采用相控阵原理控制信号的时间延迟使其聚焦，增强响应信号

2、的信噪比，提高监测系统的稳定性。将监测结果按照信号的幅值包络采用二维灰度图像的形式直观显示。该方法在碳纤维复合材料机翼盒段试件上针对螺钉松动进行实验分析，验证相控阵监测成像方法的正确性和实用性。关键词结构健康监测；相控阵；复合材料结构；螺钉松动；幅值包络成像中图分类号TB553焦，提高信噪比，实现对结构状态的监测[9-13]。引言笔者研究利用相控阵原理进行复合材料结构螺钉松动监测，分析螺钉松动情况下散射信号特点，采机械故障诊断技术是监测、诊断和预示连续运用相控阵原理控制信号的延迟聚焦，增强响应信号行机械设备的状态和故障，保证机械设备安全运行的信噪比，提高

3、监测系统的稳定性。的一门科学技术[1]。及时准确识别故障将对保证机械系统安全运行，减少或避免灾难性事故具有非常1相控阵监测原理与成像方法重要的意义。航空智能结构的健康监测技术能够在损伤发生的初期，将其发现并能够准确定位。复合1．1监测原理材料由于轻质、高强度、高模量，可提高飞机结构的性能，降低飞机结构重量系数，在飞机上的应用越来相控阵结构健康监测技术通过控制传感器阵列越多。无人作战飞机大模块复合材料结构用量高达中各阵元在发射和接收过程中信号的时间延迟而控80；直升机用量高达6O以上。复合材料结构的制波束指向，实现对结构的多方位扫描。连接处是容易发生螺钉松

4、动的部位，为了防止结构相控阵扫描原理图(图1)中，xOy平面内M个损伤所带来的损失或灾难，需要对结构进行有效的压电元件沿z轴等间距均匀排列成一个线阵，各压监测]。Lamb波由于对小损伤比较敏感，所以在电阵元之间的间距为d。点P(r，)为监测远场区结构健康监测中应用比较广泛_3．8_。远场目标点P(r，口)采用Lamb波响应信号的幅值作为特征参数，人通过幅值变化情况来考察结构连接处螺钉松动与否／，)波束指是比较有效的方法。但Lamb波在复合材料结构中的传播特性与使用环境和复合材料结构的复杂性，往往会使结构响应信号的稳定性和信噪比降低，从压电列而造成监测的失

5、效。相控阵监测技术是结构健康监D；测领域新的发展方向，是利用超声相控阵传感器阵‘d‘列对结构进行扫描的一种技术，可以灵活而有效控制声束指向，通过相位控制使Lamb波波束偏转聚图1相控阵监测原理图*国家自然科学基金资助项目(51305211)；江苏省产学研联合创新资金计划资助项目(2012s028)；南京信息工程大学基金资助项目(20100385)收稿日期：2013—05—27；修改稿收到日期：2013—07—30第6期孙亚杰，等：采用相控阵方法的结构螺钉松动监测成像研究任意一点，r为P点到原点的距离，为P点对应的点反射的信号为波束指向(P点和坐标原点的连

6、线与轴的夹角)。s()：K2SPIt一÷+()I(6)以压电阵列的中心位置为原点建立坐标系，则第iL_J其中：K。为接收过程中信号传播一定距离后幅值的号压电元件的坐标为(z，0)，i一0～M一1，．27的表衰减系数，因在相同的传播材料中，其与发射过程的达式为幅值衰减系数K近似相等；S为P点处的信号；z：f一1d(1)、厶／()为第i个压电阵元作为传感器接收信号时，P点阵元发射信号时，远场区P(r，)点接收到的信到第i个压电阵元与到原点之间的时间差，At()=号为各个激励信号在板中传播一定距离后信号的累zcosO／c，i=0～M一1。加，那么点P接收到的信

7、号为对各压电阵元接收的响应信号附加At()的时^卜l间延迟，其中第i个压电阵元接收点P反射的信号为Sp(r，0)一K∑s(￡一号+31(口))(2)￡0、s(￡)一K2SPfLt一C+()一At()Jf(7)其中：K为发射过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；S(￡)为激励信号；r／c为信号从坐标原点若Atf()：()一zcosO／c，一0～M～1，波束传播到P点所需要的时间；C为超声波在板中的传指向方向的信号为各压电阵元接收的方向的信播速度；()为第i个压电元件相对于坐标原点到号的累加，即达P点的时间差，()：==．7CcosO／c，i一0～M～1，

8、该s∽一，(一)=KM。s。(t-)㈣时间差是由第i个压电元件相对于坐标原点到达