王光瑞，鮑 嶠，胡偉偉，王 強(qiáng)

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023)

板結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 然而板結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中受到振動(dòng)沖擊作用會(huì)產(chǎn)生隱蔽性損傷，隱形的損傷在一定程度上降低了板結(jié)構(gòu)的使用可靠性。 因此，對(duì)板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷程度實(shí)時(shí)分析評(píng)價(jià)的研究非常必要。

壓電傳感器在板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，張華等［1］使用壓電傳感器對(duì)復(fù)合材料的沖擊損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)成像方法進(jìn)行了優(yōu)化，使得損傷定位精度達(dá)到了82%。 張倩昀等［2］研究了概率損傷成像優(yōu)化方法，消除了壓電傳感網(wǎng)絡(luò)布置對(duì)沖擊損傷成像效果的影響。 然而傳統(tǒng)的壓電傳感器由于其接觸式、窄帶寬的工作特性，使用場(chǎng)景受限。 因此，研究有效的激光測(cè)量方法對(duì)沖擊損傷程度的表征具有重要意義。

激光測(cè)振技術(shù)采用非接觸式的探測(cè)方式，可以更加直接地探測(cè)到物體表面的振動(dòng)信息，避免了附加傳感器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響［3］并且采集的數(shù)據(jù)的帶寬也更高［4－6］，有利于提取到更多的損傷信號(hào)的特征，因此被廣泛地應(yīng)用到了板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用激光干涉的方法對(duì)板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；Chiariotti 等［7］使用激光測(cè)振儀對(duì)復(fù)合板沖擊損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)合能量圖法檢測(cè)板中的損傷程度。 Wang 等［8］提出了一種基于掃描式激光多普勒測(cè)振儀（SLDV）的非接觸式?jīng)_擊損傷定位方法，將希爾伯特黃變換應(yīng)用于信號(hào)處理中，極大提高了定位精度。 但是在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中，因?yàn)闆_擊振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，僅靠沖擊損傷響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)損傷說(shuō)服力不足，還需要從多個(gè)參數(shù)角度對(duì)沖擊響應(yīng)信號(hào)分析，從而能夠準(zhǔn)確地表征沖擊損傷程度。

本文利用激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，在板結(jié)構(gòu)不同位置采集到?jīng)_擊響應(yīng)信號(hào)，使用快速傅里葉變換和小波分析對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，研究不同位置所產(chǎn)生的沖擊損傷程度和特征參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)板結(jié)構(gòu)表面沖擊損傷程度的精確表征，并給出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 板結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)分析

自然界當(dāng)中的飛鳥(niǎo)、雷擊和冰雹等這些瞬時(shí)沖擊會(huì)出現(xiàn)在板結(jié)構(gòu)的不同位置，且它們的能量不同造成的損傷程度也不同，這極大增加了對(duì)損傷程度評(píng)價(jià)的難度。 針對(duì)這一現(xiàn)象，需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中布置激光傳感點(diǎn)與沖擊損傷不在同一沖擊面（鋼板的正面或反面）上來(lái)模擬不同位置對(duì)瞬時(shí)沖擊損傷響應(yīng)信號(hào)的影響。 通過(guò)對(duì)瞬時(shí)沖擊損傷響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行損傷特征提取，分析損傷特征和損傷程度之間的關(guān)系，找到合適的特征參數(shù)來(lái)表征板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷程度。

然而，傳統(tǒng)的壓電傳感陣列［9］來(lái)監(jiān)測(cè)板結(jié)構(gòu)上的沖擊損傷時(shí)有以下主要的問(wèn)題：壓電傳感器采集的信號(hào)帶寬較窄，不同結(jié)構(gòu)的頻率特性差異大，壓電傳感器諧振頻率的選擇受制于自身結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)，無(wú)法滿足寬頻帶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量，為結(jié)構(gòu)沖擊等測(cè)量中多特征參數(shù)的分析和提取帶來(lái)了限制。 外差干涉測(cè)振儀在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)時(shí)，需要引入?yún)⒖脊忸l移系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成更加復(fù)雜，成本更高；外差干涉法在測(cè)量速度上受到頻差的限制而降低了測(cè)量分辨能力。 而基于零差干涉的激光測(cè)振技術(shù)擁有非接觸、高帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的特性，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。 本文激光測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如圖1 所示。

圖1 激光干涉測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

2 沖擊監(jiān)測(cè)原理與方法

2.1 激光干涉測(cè)量原理

被測(cè)對(duì)象相對(duì)于激光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波頻率發(fā)生多普勒頻移［10］，在此基礎(chǔ)上由于目標(biāo)自身的振動(dòng)，會(huì)對(duì)信號(hào)波光頻率附加頻率調(diào)制，信號(hào)光和參考光發(fā)生干涉時(shí)會(huì)解調(diào)出目標(biāo)對(duì)象的振動(dòng)信息。

光電探測(cè)器將目標(biāo)物體的振動(dòng)信息通過(guò)光強(qiáng)信號(hào)的變化輸出到數(shù)據(jù)采集卡，最終的干涉光光強(qiáng)可以表示為

式中：Am為測(cè)量光振幅，Ar為參考光振幅，ωc為載波圓頻率，φ0為本振光與測(cè)量光初始相位差，φ（t）為多普勒項(xiàng)，攜帶了物體的振動(dòng)信息。

2.2 沖擊損傷機(jī)理分析

激光測(cè)振系統(tǒng)采集到?jīng)_擊損傷數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行信號(hào)分析，推斷產(chǎn)生的機(jī)理，然后再提取損傷特征，進(jìn)行損傷的量化分析。 利用信息處理技術(shù)對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行分析不依賴于力學(xué)模型［11－13］。

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給垂直于板結(jié)構(gòu)的外部沖擊時(shí)會(huì)在應(yīng)變力的作用下產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中形成導(dǎo)波信號(hào)，導(dǎo)波的傳播會(huì)引起板結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)［14］。 結(jié)合2.1 節(jié)的分析，如果板結(jié)構(gòu)遭受的沖擊程度越大損傷信號(hào)的峰峰值也越大，那么可以根據(jù)損傷信號(hào)的峰峰值來(lái)作為板結(jié)構(gòu)受到的損傷程度的一個(gè)基準(zhǔn)特征，記為沖擊損傷－i。 但僅以信號(hào)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)損傷說(shuō)服力不足，后文又提取其他特征參數(shù)來(lái)對(duì)損傷程度進(jìn)行精確的表征。 以鋼板為例，首先固定其安裝的位置，然后確定激光探照點(diǎn)的位置，使用同一個(gè)沖擊錘在不同位置用不同的能量沖擊鋼板表面，鋼板在受到外部沖擊之后會(huì)在其表面激發(fā)出沖擊損傷信號(hào)，激光測(cè)量系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)后上傳至上位機(jī)，進(jìn)行下一步的損傷特征提取。 具體的實(shí)施方式如圖2 所示。

圖2 激光傳感點(diǎn)布置圖

2.3 激光測(cè)量的損傷特征提取方法

采用小波分解的方法對(duì)沖擊損傷信號(hào)進(jìn)行降噪處理，基于其母函數(shù)可以對(duì)所處理的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和尺度上的平移，能自動(dòng)適應(yīng)各頻率成分。 小波就是小區(qū)域的、有限長(zhǎng)的、均值為0 的波，不僅能夠獲取頻率，還可以定位到時(shí)間。 小波定義如下，設(shè)ψ（t）為一平方可積函數(shù)，即ψ（t）∈L2（R），若ψ（w）滿足條件：

式中：v（t）為傳感信號(hào)；ψ?（t）為母小波函數(shù)的復(fù)共軛形式；a為尺度因子；b為時(shí)間因子。 通過(guò)調(diào)整伸縮因子a和平移因子b，可得到具有不同時(shí)頻寬度的小波以匹配原始信號(hào)的任意位置，達(dá)到對(duì)信號(hào)局部化分析的目的［15］。 尺度a對(duì)應(yīng)于頻率，成反比關(guān)系，平移量b對(duì)應(yīng)于時(shí)間。

板結(jié)構(gòu)在受到振動(dòng)沖擊之后，造成的沖擊響應(yīng)信號(hào)頻率成分復(fù)雜，因此需要找出信號(hào)的特征頻率，基于此分析其他的特征參數(shù)來(lái)表征沖擊損傷。 小波分解方法具有不同尺度的小波母函數(shù)，能根據(jù)信號(hào)特征頻率選擇相應(yīng)的頻帶以提高時(shí)頻分辨率，文中采用db5 母小波函數(shù)。

對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，可以描述損傷振動(dòng)波在頻域和時(shí)域上的關(guān)系為

采用時(shí)域信號(hào)分析法和頻域信號(hào)分析法對(duì)需要的損傷特征進(jìn)行提取，根據(jù)式（1）取得時(shí)域上的損傷信號(hào)的峰峰值Vpp，根據(jù)式（6），（7）取得頻域上的中心頻率fc、中心頻率對(duì)應(yīng)的相位αp。

2.4 基于激光測(cè)量的損傷程度表征

首先，在距離激光探照點(diǎn)的水平直線方向L上布置n（正反兩面相同位置）個(gè)模擬沖擊損傷點(diǎn)，在保證L不變的情況下，分別在鋼板正反兩面用不同的能量沖擊其表面，采集到n／2 組損傷信號(hào)。 記沖擊損傷程度為Ed。 確定峰峰值Vpp較大，那么對(duì)應(yīng)的損傷程度Ed也較大。

下一步分析在不同區(qū)域位置采集到的損傷程度不同的信號(hào)對(duì)應(yīng)的中心頻率fc，如果fc與峰峰值Vpp呈正相關(guān)關(guān)系，接下來(lái)就去分析損傷信號(hào)中心頻率fc對(duì)應(yīng)的相位αp，如果相位α和峰峰值Vpp呈正相關(guān)關(guān)系，那么將其和中心頻率fc納入相關(guān)損傷特征，記作Ed∝｛Vpp，fc，αp｝。

如果fc保持不變，接下來(lái)去分析損傷信號(hào)中心頻率fc對(duì)應(yīng)的相位αp與峰峰值Vpp的關(guān)系，如果相位αp和峰峰值Vpp呈正相關(guān)關(guān)系，這進(jìn)一步說(shuō)明了中心頻率fc對(duì)應(yīng)的相位αp與峰峰值Vpp能較強(qiáng)地表征損傷程度Ed，將其納入相關(guān)損傷特征，記作Ed∝｛Vpp，αp｝。 具體的流程如圖3 所示。

圖3 損傷特征分析方法流程圖

3 激光干涉測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)零差干涉光路［16］設(shè)計(jì)了零差激光干涉光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的原理圖如圖4 所示。

圖4 激光測(cè)振系統(tǒng)原理圖

光源使用波長(zhǎng)532 nm 、功率80 mW 的單縱模連續(xù)固體激光器。 單頻固體激光器發(fā)出的激光頻率為f0，透過(guò)半波片被偏振分光棱鏡（PBS）分為兩束光，它們的偏振態(tài)互相垂直，一路為信號(hào)光另一路為參考光。 PBS 前面的半波片能夠旋轉(zhuǎn)出激光的偏振態(tài)，與PBS 結(jié)合在一起可以改變信號(hào)光和參考光的光強(qiáng)比。 信號(hào)光先經(jīng)過(guò)一個(gè)四分之一波片，被凸透鏡聚焦到被測(cè)物體表面形成一個(gè)很小的光斑并發(fā)生反射，其相位和頻率被振動(dòng)目標(biāo)調(diào)制后包含振動(dòng)目標(biāo)的被測(cè)相位信息。 信號(hào)光再次通過(guò)四分之一波片后照射到分光棱鏡上。 由于來(lái)回兩次經(jīng)過(guò)四分之一波片，可使信號(hào)光偏振態(tài)發(fā)生改變。 旋轉(zhuǎn)四分之一波片使偏振態(tài)恰好偏轉(zhuǎn)90°，這時(shí)信號(hào)光和參考光的偏振態(tài)一致可以發(fā)生干涉。 而參考光經(jīng)反射鏡后在分光棱鏡與信號(hào)光匯合，并最終在探測(cè)器上充分干涉。 被測(cè)物體的表面并不是絕對(duì)的鏡面，因此反射回來(lái)的信號(hào)光還包含了其他的雜散光，這時(shí)在凸透鏡前加裝一塊針孔光闌，會(huì)極大減少雜散光的干擾。 干涉信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理，最終提取出振動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位移、速度、加速度以及振動(dòng)頻率等信息。

該裝置利用了激光的線偏振光，能有效地防止回射光對(duì)光源的干擾；波片、偏振分光鏡的引入，能更好地濾除雜散光對(duì)信號(hào)光的影響，且收集光強(qiáng)的能力也更高，極大提高了系統(tǒng)的靈敏度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

先檢測(cè)激光測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性，再分析用其采集的損傷信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)的被測(cè)對(duì)象使用一塊尺寸為20 mm×10 mm×2 mm 的鋼板，使用自研的激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)將信號(hào)交由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

激光源、半波片處于同一水平線上，在它們的垂直方向上為信號(hào)光光路，依次為凸透鏡、四分之一波片、偏振分光棱鏡、分光棱鏡、凸透鏡，可變光闌、光電探測(cè)器，它們處于同一水平線上；在平行于信號(hào)光光路上的為參考光光路，依次放置了兩塊反光平面鏡。 需要注意的是，要調(diào)整所有的光學(xué)器件保持同心，確保參考光和信號(hào)光在透射過(guò)分光棱鏡時(shí)保持嚴(yán)格的平行。 激光測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖5 所示。

圖5 激光干涉測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

4.1 系統(tǒng)精度分析

在離激光傳感點(diǎn)最近的一處位置布置一塊壓電傳感器，用沖擊錘沖擊鋼板，分別采集到壓電片和激光測(cè)量系統(tǒng)采集到的沖擊損傷信號(hào)。 從圖6 可以清晰地看出激光測(cè)振儀和壓電片采集到的沖擊損傷信號(hào)波形走勢(shì)和形狀基本一致，這也驗(yàn)證了本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)沖擊信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

圖6 激光測(cè)量系統(tǒng)和壓電片采集到的時(shí)域信號(hào)對(duì)比

在壓電片和激光干涉測(cè)量系統(tǒng)接收沖擊損傷而形成的損傷響應(yīng)信號(hào)對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)：在圖7 的頻域?qū)Ρ戎?，在同一頻段，激光干涉測(cè)量系統(tǒng)接收到的響應(yīng)信號(hào)的幅值要明顯高于壓電片，且幅值變化也更明顯。 也就是說(shuō)，當(dāng)橫坐標(biāo)表示的參數(shù)越小時(shí)，壓電片的響應(yīng)越不能明顯地觀察到，而激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)相對(duì)明顯。 但是，兩者采集到的響應(yīng)信號(hào)的頻率完全一致。 因此，激光干涉測(cè)量系統(tǒng)不僅能進(jìn)行非接觸式測(cè)量并且有更寬的頻率響應(yīng)范圍。

圖7 激光測(cè)量系統(tǒng)和壓電片采集到的頻域信號(hào)對(duì)比

4.2 損傷監(jiān)測(cè)方案

布置好傳感點(diǎn)之后將光電信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡PicoScope?4824，只保留B 通道的數(shù)據(jù)采集功能，在距離激光探照點(diǎn)的水平直線方向L為7、8、9、10 cm處布置8（正反兩面相同位置）個(gè)模擬沖擊損傷點(diǎn)，每一組沖擊實(shí)驗(yàn)的沖擊狀況描述如表1 所示，再整理8 處位置所遭受的沖擊能量不同所形成的沖擊損傷，根據(jù)3.1 節(jié)的分析，按照損傷程度由小到大依次排列，記為沖擊損傷－1～－8。 在保證距離不變的情況下，分別在鋼板正反兩面用不同的能量沖擊其表面，采集到4 組損傷信號(hào)；更換一塊粘貼壓電片的鋼板重復(fù)上述的步驟，分別采集4 組數(shù)據(jù)。 其模擬損傷位置如圖8 所示。

表1 沖擊狀況描述

圖8 實(shí)驗(yàn)用鋼板及模擬損傷位置

4.3 小波分解信號(hào)濾波

對(duì)激光干涉測(cè)量系統(tǒng)采集的信號(hào)進(jìn)行小波分解處理［17－18］，對(duì)降噪處理后的損傷信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域上的分析，分別提取峰峰值Vpp、中心頻率fc和中心頻率fc對(duì)應(yīng)的相位αp三個(gè)損傷特征，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖9 所示。 從小波分解信號(hào)頻譜圖可以看出，沖擊損傷信號(hào)的中心頻率為112 Hz，與原始信號(hào)分析所得結(jié)果保持一致，可以基于中心頻率對(duì)其對(duì)應(yīng)的相位進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖9 不同位置提取的損傷信號(hào)特征

4.4 結(jié)果分析

鋼板在受到外部沖擊時(shí)，由圖9 提取的損傷信號(hào)特征參數(shù)可知，其信號(hào)中心頻率fc保持不變，不需要將其納入相關(guān)損傷特征。 隨后，分別分析了激光測(cè)量系統(tǒng)和壓電傳感器采集的損傷信號(hào)從中提取的損傷特征參數(shù)，峰峰值Vpp和相位αp，兩者之間的關(guān)系如圖10 所示。

圖10 損傷特征關(guān)系比較

通過(guò)圖10 對(duì)峰峰值Vpp和相位αp兩個(gè)損傷特征參數(shù)分析，當(dāng)傳感點(diǎn)與沖擊損傷不在同一沖擊面時(shí)，相位αp和峰峰值Vpp呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)峰峰值較大時(shí)對(duì)應(yīng)的相位數(shù)值也越大，將兩者一起納入相關(guān)損傷特征。

在消除了位置因素對(duì)損傷信號(hào)的影響之后，進(jìn)一步研究了損傷程度和損傷特征參數(shù)之間的關(guān)系如表2 所示。 根據(jù)4.2 節(jié)的描述，沖擊損傷－1～－8 的損傷程度依次增加，其中：隨著鋼板受到外部沖擊能量的增加，峰峰值Vpp和中心頻率對(duì)應(yīng)的相位αp也在相應(yīng)地增加，而其損傷信號(hào)的中心頻率保持不變。

表2 損傷程度和損傷特征的關(guān)系

在激光干涉測(cè)量系統(tǒng)與壓電傳感器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中可以得出：兩者監(jiān)測(cè)效果一致，但是由于壓電片帶寬較窄，其峰峰值變化要明顯小于激光測(cè)量系統(tǒng)，更加突出了激光測(cè)量系統(tǒng)替代壓電傳感器進(jìn)行板結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊損傷程度與其損傷信號(hào)的損傷特征存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 峰峰值Vpp、中心頻率fc、中心頻率對(duì)應(yīng)的相位αp能從不同的角度反映沖擊損傷的程度，消除了僅靠信號(hào)強(qiáng)度來(lái)單一判定損傷的局限性，可為后期損傷的分析提供評(píng)價(jià)參數(shù)，其中峰峰值Vpp、中心頻率對(duì)應(yīng)的相位αp能明顯表征沖擊損傷程度。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了激光零差干涉測(cè)振方法原理，研究了沖擊損傷機(jī)理和損傷程度表征方法，在板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 通過(guò)激光測(cè)量系統(tǒng)和壓電傳感器接收響應(yīng)信號(hào)的直觀對(duì)比和結(jié)果分析，證明了激光測(cè)量系統(tǒng)更寬的頻響范圍的優(yōu)勢(shì)和對(duì)損傷響應(yīng)信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)方法提取的損傷特征參數(shù)能從不同的角度表征沖擊損傷程度，消除了僅靠信號(hào)強(qiáng)度單一判斷損傷的局限性。