[发明专利]一种基于Toeplitz近似法的复合材料板损伤检测方法

说明书

本发明属于工程结构健康监测领域，涉及一种基于Toeplitz近似法的复合材料板损伤检测方法。包括以下步骤：步骤一：对复合材料板的损伤散射信号进行采集；步骤二：利用Toeplitz近似法对损伤散射信号的来波方向进行估计；步骤三：结合小波变换和Lamb波传播特性对损伤散射源的距离进行估计。本发明方法所采用的方法一方面无需在监测区域进行搜索，直接计算得出角度，减少了运行时间和计算速度，另一方面采用Toeplitz矩阵代替对角居优矩阵，使方法在低信噪比情况下仍然保持较高的计算精度。

技术领域

本发明属于工程结构健康监测领域，涉及一种基于Toeplitz近似法的复合材料板损伤检测方法。

背景技术

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。它不仅保持了各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能，其具有比重小、比强高、比模高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医学和建筑等领域。复合材料在服役状态下遭受外界低速冲击时，易产生微小损伤。这些微小损伤肉眼基本不可见，但是却会对设备的结构参数造成影响，使结构体的强度、刚度降低，为生产安全带来隐患，甚至造成人员伤亡。因此，对复合材料的损伤进行检测并定位，是非常有价值和显示意义的。

在理想情况下，阵列采集到的数据其协方差矩阵是满足Toeplitz结构的，而在实际情况下，由于各种干扰因素的影响，尤其是噪声，这个矩阵通常是对角居优矩阵，这种情况下基于该矩阵的算法准确度会下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于Toeplitz近似法的复合材料板损伤检测方法。

本发明所采取的技术方案如下：一种基于Toeplitz近似法的复合材料板损伤检测方法，包括以下步骤：

步骤一：采集复合材料板的损伤散射信号：将激励传感器和响应传感器布置在复合材料板上，采集复合材料板在健康状态下的响应信号和损伤状态下的响应信号，以健康状态和损伤状态下的响应信号之差作为损伤散射信号；

步骤二：利用Toeplitz近似法对损伤散射信号的来波方向进行估计：(1)用谱峭度对损伤散射信号进行分析，得出其中心频率和带宽，然后采用小波变换分解某频带下的损伤散射信号；

(2)对损伤散射信号求其数据协方差矩阵；

(3)对数据协方差矩阵进行奇异值分解，得到奇异矢量；

(4)用奇异矢量构造新的Toeplitz矩阵代替原来的数据协方差矩阵；

(5)从新的数据协方差矩阵计算可观测矩阵；

(6)计算旋转不变因子；

(7)对进行特征值分解，得出损伤散射信号的来波方向；

步骤三：结合小波变换和Lamb波传播特性对损伤散射源的距离进行估计；

(1)分别采用响应传感器阵列的最中心的两个传感器组成激励-响应传感器组，实施激励，采集损伤散射信号；

(2)采用小波变换分解出某频带下的损伤散射信号；

(3)用峰值法求出损伤散射信号的飞行时间，结合测得的Lamb波的传播速度求出损伤源到达压电元件的距离，对损伤源和两个传感器间的距离求平均，即可得到压电元件和响应传感器阵列中心之间距离的估计值。

步骤一中，采集复合材料板的损伤散射信号的具体过程如下：

(1)将激励传感器和响应传感器布置在复合材料板上，其中响应传感器成等距线性布置，激励传感器布置在线性阵列的中线上；

(2)对结构损伤检测系统进行设置；