基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，屬于復合材料結(jié)構(gòu)的沖擊事件在線監(jiān)測及沖擊能量等級判別方法。該方法在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時間比的平均值MDR；其次計算數(shù)字序列陣列的上升沿個數(shù)的平均值MNRS；然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識別分類器進行沖擊能量等級判別。本方法能夠在無法獲取沖擊響應信號陣列，只能獲取數(shù)字序列陣列的情況下，對沖擊事件的能量等級進行判別，方便維護人員利用無損檢測技術實現(xiàn)有針對性的區(qū)域檢測和視情檢測，能夠縮短檢測時間，降低維護成本。
【專利說明】基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法
[0001]【技術領域】
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，屬于復合材料結(jié)構(gòu)的沖擊事件在線監(jiān)測及沖擊能量等級判別方法。
[0002]【背景技術】
復合材料結(jié)構(gòu)在各領域的應用越來越廣泛，尤其是航空結(jié)構(gòu)。然而，層合板復合材料在服役過程中不可避免的要承受各種沖擊，極易造成復合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷并導致其力學性能退化，承載能力降低，甚至導致結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效。因此對復合材料結(jié)構(gòu)進行沖擊監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性是具有迫切的應用需求的。
[0003]被動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線的沖擊監(jiān)測，實時獲取沖擊區(qū)域、位置等信息，然后再利用無損檢測對通過被動結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法獲得的沖擊區(qū)域進行進一步檢測，能夠大大縮短檢測時間，降低維護成本。但是針對大型航空結(jié)構(gòu)的沖擊監(jiān)測，以采用64路壓電傳感器監(jiān)測沖擊信號為例，按照傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集測試方式進行監(jiān)測信號采集，系統(tǒng)硬件采用商用的64通道獨立同步高速模擬數(shù)據(jù)采集卡和64通道的信號放大調(diào)理設備，外加集成此數(shù)量硬件所需的帶統(tǒng)一控制核心的處理器和機箱，造成測試環(huán)境復雜度和測試系統(tǒng)調(diào)試難度的高，系統(tǒng)體積和重量龐大等問題。但是，對于機載設備而言，要求該設備的添加不會給飛機造成過大的載重負擔，而且飛機機體結(jié)構(gòu)所需監(jiān)測的面積很大，特別是像我國正處于研制階段的民用大型客機C919，支持64路壓電傳感器的被動監(jiān)測系統(tǒng)是遠遠不夠的，需要大規(guī)模的壓電傳感器陣列才能夠滿足要求，但是這樣又進一步增加了監(jiān)測系統(tǒng)的體積和重量。所以，現(xiàn)有的常規(guī)被動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)并不能夠滿足沖擊監(jiān)測機載設備的要求。
[0004]針對上述問題，近兩年來，一種適用于機載的小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測系統(tǒng)(下文簡稱沖擊監(jiān)測系統(tǒng))被提出并正在逐步得到應用。該系統(tǒng)為了滿足小型化和低功耗的要求，將外部壓電傳感器陣列直接與系統(tǒng)內(nèi)的比較器陣列連接，壓電傳感器陣列輸出的沖擊響應信號陣列經(jīng)過比較器陣列以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列陣列，根據(jù)數(shù)字序列陣列實現(xiàn)沖擊區(qū)域的定位和報警，從而省略了常規(guī)被動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信號放大調(diào)理的硬件。因此，該系統(tǒng)具備了體積小、重量輕、低功耗、安裝和使用方便、監(jiān)測區(qū)域大、能夠?qū)崟r響應沖擊事件并能夠有效存儲沖擊響應信號對應的數(shù)字序列陣列和沖擊報警結(jié)果等多個特點。
[0005]但是，系統(tǒng)目前只配備了沖擊區(qū)域的定位方法，缺少對沖擊事件能量等級的判別方法。然而在實際工程應用中，為了對飛機結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，獲取沖擊事件的能量等級是非常重要的，小能量的沖擊事件不一定會對結(jié)構(gòu)造成損傷，實際應用中更關心的是大能量沖擊事件發(fā)生的區(qū)域，該區(qū)域更容易出現(xiàn)損傷，給結(jié)構(gòu)的整體安全性造成隱患。所以，在判別了沖擊事件發(fā)生的位置后，在對其能量等級進行判別，更能夠有效指導后勤維護，減小不必要的維護次數(shù)，降低維護成本。
[0006]針對復合材料結(jié)構(gòu)沖擊能量的判別問題，目前廣泛研究的方法有兩類:
(I)第一類方法是基于結(jié)構(gòu)的精確的力學模型，通過傳感器獲取的沖擊響應信號，對沖擊源信號進行反演，從而實現(xiàn)沖擊歷程、沖擊力和沖擊能量的判別。這種方法能夠?qū)嵤┑那疤崾墙Y(jié)構(gòu)精確的力學模型已知且需要獲取完整的沖擊響應信號。
[0007](2)第二類方法是基于模式識別的沖擊力等級或沖擊能量等級判別方法。這種方法的核心是用于模式分類的特征向量。實際監(jiān)測中，往往是通過傳感器獲取的完整沖擊響應信號，提取沖擊響應信號在時域、頻域以及時頻域等空間內(nèi)，能夠反映不同沖擊能量的特征參數(shù)，并組成特征向量。
[0008]由于實際的工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式復雜，在加之復合材料結(jié)構(gòu)的各向異性，結(jié)構(gòu)的精確模型很難獲取，所以第二類方法相對于第一類方法而言，更容易在實際工程中得到應用。但是，第二類方法能夠?qū)嵤┑暮诵氖谦@取到完整沖擊響應信號并提取其特征向量。然而，沖擊監(jiān)測系統(tǒng)只能得到?jīng)_擊響應信號陣列對應的數(shù)字序列陣列，無法獲取到完整的沖擊響應信號，所以需要從數(shù)字序列陣列中提取出能夠反映沖擊能量等級的特征參數(shù)，從而在僅依靠數(shù)字序列陣列的情況下，結(jié)合模式識別方法，實現(xiàn)沖擊能量等級的判別。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明提出了一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，使其在現(xiàn)有沖擊區(qū)域定位功能的基礎上，具備判別沖擊能量等級的功能。從而達到在復合材料結(jié)構(gòu)的事后維護時，指示沖擊事件發(fā)生的區(qū)域和能量等級，使維護人員利用無損檢測技術有針對性的區(qū)域檢測和視情檢測，縮短維護時間和降低維護成本的目的。
[0010]本發(fā)明為解決其技術問題采用如下技術方案:
一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時間比的平均值MDR ;其次計算數(shù)字序列陣列的上升沿個數(shù)的平均值MNRS ;然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識別分類器進行沖擊能量等級判別。
[0011]數(shù)字序列陣列二維 特征向量中的MDR的計算方法如下:
設由《個通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列，?為大于I的自然數(shù)，定義單個通道數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時間比:對單個通道的數(shù)字序列長度為/w的數(shù)字序列，由O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點和I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點組成，其中I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點持續(xù)時間的總長度占數(shù)字序列長度P的比例定義為數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時間比DRi ；
設?!個通道的數(shù)字序列中，第?個通道存在*個I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點和《_%個0數(shù)
字電平的數(shù)據(jù)點，則的計算表達式如下:
【權利要求】
1.一種基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，其特征在于，在獲得數(shù)字序列陣列后，首先計算數(shù)字序列陣列中的上升沿持續(xù)時間比的平均值MDR ;其次計算數(shù)字序列陣列的上升沿個數(shù)的平均值MNRS ;然后將MDR和MNRS組成二維數(shù)字特征向量；最后采用模式識別分類器進行沖擊能量等級判別。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，其特征在于，數(shù)字序列陣列二維特征向量中的MDR的計算方法如下: 設由《個通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列力大于I的自然數(shù)，定義單個通道數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時間比DR1.:對單個通道的數(shù)字序列長度為T的數(shù)字序列，由O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點和I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點組成，其中I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點持續(xù)時間的總長度占數(shù)字序列長度m的比例定義為數(shù)字序列的上升沿持續(xù)時間比DR1.； 設個通道的數(shù)字序列中，第i個通道存在個I數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點和《 _n2.個O數(shù)字電平的數(shù)據(jù)點，則的計算表達式如下:
3.根據(jù)權利要求1所述的基于數(shù)字序列陣列二維特征的沖擊能量等級判別方法，其特征在于，數(shù)字序列陣列二維特征向量中的MNRS的計算方法如下: 設由《個通道的數(shù)字序列組成數(shù)字序列陣列，?為大于I的自然數(shù)，定義單個通道數(shù)字序列的上升沿個數(shù)NRS1:數(shù)字序列中，數(shù)字電平的大小由O數(shù)字電平變?yōu)镮數(shù)字電平視為I個上升沿，對單個通道的數(shù)字序列長度為m的數(shù)字序列，存在的上升沿個數(shù)為NRSi ； MNES的計算表達式有如下兩種: ①取《個通道對應的NH民的平均值，表達式如下:
【文檔編號】G06F19/00GK103473441SQ201310375307
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權日:2013年8月26日
【發(fā)明者】邱雷, 袁慎芳, 梅寒飛, 錢偉鋒, 劉小冬, 董江 申請人:南京航空航天大學