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1、精品论文主动 Lamb 波结构健康监测集成化系统研究王强1，苏众庆25（1. 南京邮电大学自动化学院，江苏南京，210023；2. 香港理工大学机械工程系，香港）摘要：主动 Lamb 波技术被认为是最具应用潜力的结构健康监测技术之一，然而其系统应用技术研究尚处于起步阶段。本文针对目前研究中广泛采用的分立式系统设备，在应用中存 在的实时性、互联性以及效率等方面的诸多问题，研究提出了基于标准化通用总线平台的10模块化集成主动 Lamb 波结构健康监测系统。用总线平台的开放性，集成系统运行所需的 硬件设备，并构建监测系统的软件平台；同时，研究了标准化压电传感器及其网络控制技 术。对系统设计方案进行了
2、设计验证和实验研究，实验结果表明，该系统具备良好的开放 性、实时性和兼容性，基本满足在线主动 Lamb 波结构健康监测应用化要求。 关键词：测试计量技术及仪器；结构健康监测；Lamb 波；集成应用系统；传感器网络。15中图分类号：TP277，TP391.4Research on Integrated Active Lamb Wave Based StructuralHealth Monitoring SystemWANG Qiang1, SU Zhongqing220(1. College of Automation, Nanjing University of Post & Telecomm
3、unications, Nanjing, 210023,China;2. Department of mechanical engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China)Abstract: Active Lamb wave methodology was regarded as one of the most potential structural health25monitoring (SHM) techniques. However, its application and system resea
4、rches were just on the stage ofbeginning. To resolve the problems existed in most of current experimental systems which were usually composed of independent devices, such as real-time performance, inter-telecommunication and efficiency, an integrated and modularized active Lamb wave SHM system and i
5、ts software based on standardized general BUS platform technique was proposed. This system can integrate all the necessary30devices for the application conveniently for its openness character. At the same time, standard PZT sensor and sensor network control technique were also researched. Validation
6、 for the system design was conducted by experiments, and the experimental results indicated that the proposed system canfulfill the application requests of the online active Lamb wave SHM with good openness, timelinessand compatibility.35Key words: Test measurement technology and instruments; Struct
7、ural health monitoring; Lamb waves; integrated application system; sensor network0引言航天飞行器、高速列车等在运行过程中，其结构由于受到载荷、冲击以及突发性事故的基金项目：国家自然科学基金（11202107，61001077）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20113223120008）；江苏省高校自然科学基金（11KJB130002）作者简介：王强（1980-），男，副教授，主要研究方向：结构健康监测，测试信号分析与处理，智能仪器 设计. E-mail: wangqiang- 10 -40影响，容易引起
8、损伤，如裂纹、脱层等，严重情况下将导致灾难性后果。为避免由此带来的人员及财产损失，必须对关键结构进行定期维护和检测。受空间、效率、运行时间、设备体 积等因素的制约，常规无损检测技术难以实现结构的在线监测。为解决这一问题，上世纪90 年代初，结构健康监测技术首先在航空领域被研究提出，并得到了广泛关注和发展1。该 技术是利用集成在结构内部或表面的传感器与驱动器网络，实时在线获取与结构状态相关的45信息，结合理论模型与先进信号处理技术，实时监测结构的健康状态，并预测结构剩余寿命1。在现有的结构健康监测技术中，Lamb 波损伤监测技术由于其导波特性以及对小损伤敏 感特点，被认为是最具有应用前景的技术之
9、一2。近二十年来，该技术研究在 Lamb 波传播 理论、损伤监测机理、传感器网络、信号分析与处理等方面取得了大量的成果3-9，然而，50其中绝大部分的成果还集中在理论研究领域，包括系统理论研究10-11，系统实现及应用技术 方面的研究成果还很少。目前，美国 Acellent 公司首先研制了专用集成化的应用系统技术（SMART Suitcase），然而该技术定位于专用系统，只能通过增加系统台数来实现扩展，在 开放性和兼容性上，难以和其他测试系统融合，且成本高昂。针对这些问题，本领域内的研 究学者开始关注并开展开放式集成健康监测应用系统技术的研究12。本文在已有研究基础55上，对基于压电传感器网络
10、的集成化主动 Lamb 波健康监测应用系统技术进行了深入分析， 研究提出了标准化开放式软硬件框架和平台，以及传感器网络实现方案，并进行了实验验证 和分析。1主动 Lamb 波健康监测技术Lamb 波是一种在板壳类结构中传播的导波，最早由 Horace Lamb 在求解无限大板中的60超声波过程中发现13，其传播特殊性在于频散及多模特性，存在对称及反对称两类模式， 分别表示为 S0、S1、S2和 A0、A1、A2，其频散方程如下2： tan(qd )= -4k 2 pq对称模式 tan( pd )(k 2 - q 2 )2（1） tan( pd ) = -4k 2 pq反对称模式T tan(qd
11、 )(k 2 - q 2 )2L其中， p 2 = w 2c 2 - k 2 ，q 2 = w 2c 2 - k 2 ， k 为波数，cL 和 cT 分别为纵波和横波波速。对上述方程进行求解，可以得到波数 k 有关频率和传播速度的一系列解，每一个解就对应一65种对称或反对称模式，其频散特性也可以通过上述方程的解描述。主动 Lamb 波健康监测基本原理如图 1 所示，首先将设定的激励信号加载到预先安装在 结构表面和内部的驱动器上，由此在结构中激发出一定形式和模式的 Lamb 波，一般以单模 式为主，在其他位置通过预埋的传感器接收结构响应信号；由于 Lamb 波对结构的损伤以及 状态变化较为敏感，
12、通过对比健康状态下的结构响应情况，就可以监测出结构中可能存在的70损伤，借助于先进信号处理技术和方法，如时间反转理论、相控阵技术等6-8，可以对损伤 的位置、大小、区域和程度等进行进一步的分析，并可以以图像的形式显示出来。其中，由 于压电材料具有正反压电效应，研究中被广泛用来作为激励器和传感器。根据上述基本原理，主动 Lamb 波结构健康监测技术涉及到的硬件设备包括信号发生与功率放大、信号传感与调理、数据采集与存储、信号处理设备以及传感器。在现有的研究中，75这些设备一般都是由函数发生器、示波器以及计算机等常规分立式通用设备充当的，即采用 函数发生器产生需要的激励信号经放大之后加载到驱动器，传
13、感器信号在经过电荷放大后通精品论文过示波器或数据采集设备收集到计算机，进行处理和分析。这样的系统设计便于实现，十分有利于原理性实验研究。然而，对于技术应用而言，上述的设备无论是实时性还是专业性方 面，都无法满足在线监测要求，也就难以实现结构健康监测的初衷。80传感器驱动器Lamb 波85波阵面传感器损伤损伤散射传感信号图 1 主动 Lamb 波结构健康监测基本原理90Figure 1 The principle of active Lamb wave SHM951002集成主动 Lamb 波健康监测系统设计考虑到分立式设备在应用中存在的实时性、专业型等诸多问题，本文研究采用标准化总 线模块设备
14、，设计实时监测系统，实现设备的管理、数据存储、信号分析以及监测算法集成 等功能。2.1 开放式标准化硬件框架传统分立式系统设备实时性和实用性差的一个主要原因在于，各设备互相独立工作，其 数据系统和通信模式各异，设备之间的自动通信和同步控制较为困难，只能是通过操作者人 为实现，效率低下。而且这些设备臃肿的体积和通用化的功能进一步限制了它们的实用性。 基于此本文研究采用标准化总线式模块，实现主动 Lamb 波健康监测的各功能部分，并通过 总线实现对设备模块的管理、数据通信和同步，其框架如图 2 所示。控制管理及数据 处理模块通讯 接口105总线Lamb 波信号发生 模块110传感器网络及 控制模块
15、传感信号调 理与采集模 块 115传感器网络 1 传感器网络 2激励信号传感信号图 2 开放式标准化主动 Lamb 波结构健康监测硬件系统框架Figure 2 Hardware frame of open standard active Lamb wave SHM system精品论文120125130135系统硬件主要由 4 部分组成，即（1）Lamb 波信号发生模块，用以产生合适的 Lamb 波激发信号，经功率放大后加载到激励源端；（2）传感信号调理与采集模块，用以实现压电 传感器感应信号的电荷放大和采集存储；（3）传感器网络及控制模块，该模块针对实际结 构特点，实现对大规模传感器网络的管
16、理和控制；（4）控制管理及数据处理模块，根据实 时采集得到的传感信号，采用先进信号处理技术进行分析和特征提取，对当前结构状态进行 分析和判断，给出监测结果。上述 4 组模块通过总线互联，如测试系统典型的 PXI 总线、 PCI 总线，并由控制运算单元协调管理。由于借助了总线方式，该框架为开放式系统，可以 很方便的实现与其他系统的兼容和功能模块扩展，如扩充信号采集通道、扩展传感器网络以 监测更大范围结构。2.2软件框架及构成系统参数管理系统自诊断任意波形产生数据处理与融合数据采集与存储监测通道控制监测数据管理监测结果显示损伤监测与评估主动 Lamb 波结构健康监测系统中主要的运行任务包括：系统管
17、理与自诊断、选择并产 生合适的激励信号、监测通道控制、实时采集并存储当前状态下的结构响应信号、采用先进 信号处理方法进行数据融合和特征提取、损伤监测与评估、对监测结果进行实时显示等。根 据这些功能任务，本文将软件系统划分为物理层、应用层以及界面 3 部分，如图 3 所示，其 中物理层主要是标准模块的底层驱动，这部分模块一般由模块供应商提供，主要的设计工作 主要体现在应用层，此外，人机界面主要用以实现用户指令和参数的输入以及监测结果的输 出。140145在图 3 所示系统中，应用层的各功能模块按照专业性划分为常规测试模块和专用技术模 块，前者包括系统参数管理、自诊断、数据采集与存储等模块。其余的
18、专用技术模块中，监 测通道控制模块主要是实现对传感器网络中激励器和传感器的选通，形成合理有效的监测路 径覆盖被监测结构；监测数据管理模块可以方便用户实现历史数据的查询以及信息融合处 理，数据格式可设置为电子表格、数据文件及文本文件等格式；数据处理与融合模块主要是 集成了 Lamb 波信号处理相关的算法，如信号变换、相控阵处理、时间反转聚焦处理等；损 伤监测与评估模块主要实现损伤特征参数的提取，损伤诊断、辨识和评估等算法；系统的监 测与诊断结果、提示和预警信息由监测结果显示模块提供；此外，还需要指出的是，为了激 发出单模式 Lamb 波以简化信号，通常 Lamb 波的波形产生有一定的限制，如窄带
19、激励、频 率调制等5-9，这也在任意波形产生模块中予以实现。考虑到在设备模块管理、系统开放性 以及兼容性方面的优势，本文采用虚拟仪器技术实现上述软硬件系统的设计。人机界面150155应用层数据采集设 备驱动波形发生设 备驱动160物理层开关控制器驱动图 3 开放式标准化主动 Lamb 波结构健康监测软件系统框架Figure 3 Software frame of open standard active Lamb wave SHM system1651701751801853标准化压电传感器及传感网络控制设计目前用于 Lamb 波结构健康监测研究的压电传感器通常为裸压电片，绝大多数采用直接 粘
20、贴的方式安装，并通过软导线连接作为传感器或激励器，这一手工操作方式降低了其性能 和电气参数的一致性，且裸露粘贴方式和软导线焊接工艺使得传感器缺乏必要的保护，容易 失效，实用性较差。针对上述问题，本文采用柔性电路板技术开发了标准化压电传感器，如 图 4 所示。该传感器由压电陶瓷片、柔性电路层和通用接口组成，压电陶瓷片的电极通过导 电胶或焊接方式与电路导通，实现传感器与监测系统之间的连接，并通过电路设计对电气参 数加以控制，便于安装的同时，其柔性电路薄膜层也对核心压电陶瓷片和导通电极起到保护 作用。考虑到 Lamb 波传播速度很快，单个通道的信号激励与传感器过程时间很短（0.5ms 以 内），研究
21、采用了开关阵列技术和时分复用方法实现传感器网络的控制12，其原理图如图 5 所示。压电传感器网络中的所有节点均通过开关阵列分别与监测系统激励端和传感端相连， 任意节点的连接情况由对应开关阵列的状态决定；在系统运行过程中，采用时分复用原则， 轮流选取一个节点作为激励器，其他几点作为传感器，实现数据采集。为了消除导通开关切 换建立过程中的延迟带来的影响，按照开关阵列的特性参数，在切换和采样之间设定合适的 延迟，延迟值主要根据开关阵列参数设定。图 4 标准化压电传感器Figure 4 Standard PZT sensor190195激励端 传感端开关阵列传感器网络200图 5 压电传感器网络控制基
22、本原理Figure 5 PZT sensor network and its control4系统验证及实验研究2052102152202252304.1系统设计验证按照上述设计思想，进行了系统和实验验证。硬件系统设计主要采用了较为稳定和成熟 的标准化 PXI 总线模块及相关功能器件。其中，选用 NI PXIe-8108 控制器实现控制管理及 数据处理模块；选用 NI PXI-5412 任意函数发生卡、PIEZO 公司的 EPA-104 功率放大器实现 Lamb 波信号发生模块；传感信号调理与采集模块由 CIPRIAN 公司的 EO-LNA-3 前置放大 器和 NI PXI-5105 多通道数
23、字化仪构成；传感器网络及控制模块主要由图 4 所示标准化压电 传感器和 NI PXI-2529 高密度开关阵列组成。这些模块按照 PXI 总线标准和接口集成在 NI PXIe-1071 机箱当中，共同构成主动 Lamb 波集成结构健康监测硬件系统。最终的硬件系统 还采用了铝合金材料进行加固，系统如图 6 所示，所具备的主要硬件参数指标包括：1）幅 值 0-60V、频率 0-2.5MHz 的任意波形输出；2）8 通道独立 60MS/s 数据采集及存储；3）含32 个节点的压电传感器网络及通道控制模块，且可根据实际需要进行节点扩容。图 6 集成主动 Lamb 波健康监测系统硬件Figure 6 H
24、ardware of integrated active Lamb wave SHM system考虑到兼容性以及稳定性，系统软件采用了 NI LabView 软件平台，利用其良好的图形 化编程界面和丰富的信号处理控件，主程序的流程如图 7 所示。系统的各个功能模块及算法 经编译之后作为子程序供软件主程序调用，主要的几个模块设计及功能算法如下：1）任意波形产生模块：如式（1）所示，由于 Lamb 波传播存在多模及频散特性，采用 宽带激励时，激发出的不同频率下的各模式 Lamb 波信号以不同的速度传播，响应信号将变得异常复杂而难以分析，因此目前大多数研究中主要采用窄带信号进行激励，且中心频率选
25、择以激发出单一模式为主的响应信号为准。在该模块中设计集成了多种加窗形式的窄带正弦 调制信号，同时，还可以根据指定数据文件产生任意波形，波形发生率可调，最高为 100MS/s； 与此同时，根据如式（2）所示基于压电片的 Lamb 波激励理论模型8，模块设计集成了单 模式 Lamb 波激励频率调制参考曲线，可以根据监测对象和损伤类型的不同，给出参考频率 以及选择激发出单一模式为主的 Lamb 波信号，简化后续信号处理；()at 0 () N S (k S )i (k S x -wt )at 0 () N A (k A )i (k A x -wt )235u x, t = -Gsin k S ak
26、SeDS (k S )- sin k A aAG keDA (k A )(2)240式中，u 为位移量，a 为压电片半径，0 为耦合剪应力，G 为耦合胶层剪切模量，NS、DS、 NA、DA 为幅值相关项8。根据上式，压电片激励出的各模式 Lamb 波信号幅值大小取决于 压电片半径与对应各模式波数的乘积。2）监测通道控制模块：读取压电传感网络节点坐标，采用时分复用原则，模块自动轮 流选择节点作为驱动器，其他节点作为传感器，形成监测路径，实现对整个传感器网络的扫245250描和结构响应信号的采集，单通道切换时间典型值约为 2ms。根据声波传播互易性原理，互N为驱动器和传感器的路径得到的两组监测信号
27、相同，因此，对于包含 N 个节点的传感器网 络，监测路径数量为C 2 。对于本文设计中的单块开关阵列所提供的 32 个节点数，可实现 的监测路径数量为 496 条，则一个循环周期监测所需的典型时间值为 992ms，即 1s 内即可 完成所有通道的数据采集。为了消除数据采集过程中的随机噪声对监测结果和成像效果的影响，系统数据采集单元中设计集成了平均滤波和带通滤波进行噪声抑制处理。开始并初始 化所有设备系统自诊断设置波形发生和数据采集参数读取传感器网络坐标255生成监测通道传感器网络和监测通道扫描 与结构响应信号采集存储260数据处理与特征提取损伤监测、评估与报警参数重设? 是265否 否停止监测
28、?270是关闭所有设备退出图 7 主动 Lamb 波结构健康监测系统软件流程Figure 7 Flow chart of the active Lamb wave SHM system3）数据预处理模块：该模块根据结构损伤前后的响应信号变化，采用相关算法实现对损伤散射信号的提取14，降低系统及环境参数变化对信号幅值的影响，该算法如式（3）所 示：d (t ) = sd(t ) - sh(t ) = sd(t ) - ahshbt(t - t h ),= maxhtsd (t ), shb(t )(3)ah =sd (t ), shb (t )shb (t ), shb (t )275280式中
29、，d (t ) 为损伤散射信号，sd(t)为结构损伤后响应信号，shb(t)为健康状态下的基准信 号。同时，考虑到激励信号为窄带信号，采用 Hilbert 变换求取各损伤散射信号的能量曲线， 便于后续特征参数的提取和损伤成像监测；4）损伤监测与评估模块：目前 Lamb 波损伤监测与评估中较为典型而有效的方法包括 Pulse-echo 和 Pitch-catch 两种方式6-7, 15。前者是提取并根据监测信号的散射或返射信号来判 断损伤的发生和位置，采用的参数包括传播时间和信号幅值等，其特点是监测精度高但易受285模式变换及噪声干扰；后者是根据传播路径上直达波信号的变化来实现所在路径及周边区域
30、的损伤监测，可利用的参数可以是信号幅值或相位变化，其特点是实现简单，但监测精度受 传感器数量和传播路径覆盖情况的限制。系统设计中，分别应用了上述两种方式，并以信号 能量为特征参数，采用成像算法对损伤的发生及状态进行监测和评估，成像原理分别如式（4） 和（5）所示： R a+ R s nS (i ,j ) = nA n d n =n(Rijnnvijn (4)() (x s- x a )2+ (y s- y a )2 (5)S i, j =rn p vn + Ra ijns n)vijn nR=a ijnR=s ijn(i (i f - x a )2nvf - x s )2+ ( j fnv+
31、( j f- y a )2 ,n- y s )2(6)290其中，S(i,j)表示图像结果中的第（i, j）个象素点的像素值；An 信号权系数，用以补偿 不同路径和传播距离引起的幅值差异；dn 为提取出来的损伤散射信号；v 为 Lamb 波传播群速度； R a和 R s分别为像素点到第 n 条监测路径激励器和传感器的距离， xa 、 y a 、 x s 、ijnijnnnn295300305ny s 分别为激励器与传感器横纵坐标；fv 为图像分辨率；rn 为损伤前后监测信号变化量，可通 过损伤前后结构响应信号互相关运算得到；p 信号衰减相关权系数。5）监测结果显示模块：最终的监测结果以图像的形
32、式显示给用户，模块采用了三维显示控件以直观还原结构及变化情况，可通过能量阈值来分层观察损伤的情况，如位置、大小 和区域等。4.2 系统实验验证对上述系统的在线监测功能进行了实验验证，采用了典型铝合金板结构试件为对象，通 过粘贴砝码的形式模拟可能发生的冲击、腐蚀等典型损伤，实验试件的尺寸为 600 mm600 mm2mm。在压电传感器布置方面，实验中采用了压电阵列技术，为了从多个角度探测损 伤的存在及可能的形状，一般常用的阵列形式为环形和矩形，可根据具体情况而定，本文中 采用了环形布置，以板结构中心为坐标原点，布置了 8 片压电传感器构建传感器网络，形成28 条监测路径，各传感器坐标如表 1 所
33、示，试件及传感器网络情况如图 8 所示。当监测面 积较大时，可以通过增加监测单元来实现对整个结构的覆盖6。表 1 压电传感器网络坐标Table 1 Coordinates of PZT sensor net workNo.12345678坐标(x, y) /mm181, 7575, 181-75, 181-181, 75-181,-75-75, -18175, -181181, -75310需要强调的是，实验中压电传感器网络的节点数是可以扩展的，即使超出当前系统可容纳节点数，也可通过插入新的 PXI-2529 或其他同类的开关阵列而方便的扩容，如图 2 所示。 实验中采用了较为常用典型的窄带
34、5 波峰正弦调制信号作为激励信号，激发频率为200kHz，输出电压 30V，激发出的 Lamb 波以 S0 模式为主，系统的初始化及中间的数据采 集过程如图 9 所示。激励信号波形及系统采集得到的典型响应信号如图 10 所示，可以看出 系统得到的信号较为清晰，且串扰控制的较小，这对于后续的信号分析和处理十分有利。实精品论文315320验过程中，根据模拟损伤粘贴加载时强力胶固化时间，设置系统相邻两次的结构信息采集与状态监测扫描间隔为 20s（可调）。在此期间系统对损伤前后的结构响应信号进行实时处理 和特征提取，系统运行情况及监测结果如图 11 所示，根据损伤与传感器的相对位置可以清 楚的看到监测
35、结果准确的反映了损伤的发生情况以及区域。这表明，该系统课基本实现对损 伤的在线监测，具有较好的实时性。鉴于在波速估计误差以及监测信号波长和损伤尺寸比等 方面的因素，损伤的定位和估计存在一定的误差，经过多次测试，该误差范围一般在 20mm 以内，基本满足监测需求。325330335340图 8 实验试件及压电传感器网络Figure 8 Experimental specimen and PZT sensor network图 9 系统初始化及数据采集过程Figure 9 System initiation and data acquisition5激励波形345幅值/V0-500.050.10.
36、150.2时间/ms幅值/V2响应信号0350-200.050.10.150.2时间/ms5结论图 10 激励信号波形及典型响应信号Figure 10 Exciting signal and typical response355本文对主动 Lamb 波结构健康监测应用技术进行了研究，提出了开放式集成化监测系统 软硬件构架以及压电传感器网络控制技术。利用可集成总线式功能模块替代传统的分立式仪 器设备，并研究设计了标准化压电传感器和传感器网络控制技术；采用虚拟仪器技术编程实精品论文360365370375380385390395400405现健康监测所需的所有功能软件模块和算法集成；最后给出了系
37、统设计的功能实验验证，结果表明，该系统设计可以有效的实现实时在线结构健康监测，其开放式系统构架便于系统的 集成、扩展以及和其他监测系统的兼容，这为主动 Lamb 波结构健康监测技术的应用化进展 提供了一条可行的思路。图 11 系统实时运行及监测结果Figure 11 Real-time system operation and monitoring result参考文献 (References)1 袁慎芳. 结构健康监控M.北京：国防工业出版社，2007.2 Su Z, Ye L, Lu, Y. Guided Lamb waves for identification of damage in
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