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近年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structural health moni- toring，SHM）被廣泛應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)、軌道交通和大型建筑等領(lǐng)域的損傷檢測(cè)中，相比傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)（nondestructive evaluation，NDE）技術(shù)，SHM能在線對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，無(wú)需結(jié)構(gòu)停止工作再進(jìn)行檢測(cè)，降低了因結(jié)構(gòu)停止工作而造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也極大程度地減少了人為檢測(cè)的費(fèi)用。在SHM應(yīng)用中，Lamb波在檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷方面顯示出了巨大的潛力，僅需要有限的傳感器便能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播和大面積覆蓋，是一種重要的SHM工具。

隨著我國(guó)高速列車行業(yè)的快速發(fā)展，鐵路交通網(wǎng)絡(luò)正逐漸實(shí)現(xiàn)全國(guó)各省市的全面覆蓋，鐵路車輛的數(shù)量及其運(yùn)行班次也隨之增加。因此，為了保障鐵路交通系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)車車輛健康狀況的診斷顯得尤為重要。車鉤作為鐵路機(jī)車車輛連接的重要部件，在運(yùn)行過程中受到傳遞牽引力拉伸和緩沖撞擊壓縮的作用，其結(jié)構(gòu)健康狀況直接影響著列車的安全性能。在恒溫狀態(tài)下，將基于Lamb波的SHM系統(tǒng)應(yīng)用至列車的鉤緩系統(tǒng)中，能有效檢測(cè)出鉤緩系統(tǒng)的損傷程度以及能定位損傷所在區(qū)域。

但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于列車的行駛區(qū)域較廣，一天之中經(jīng)歷多個(gè)溫度區(qū)間，而Lamb波易受外界環(huán)境的干擾，易產(chǎn)生信號(hào)的相位偏移與幅值波動(dòng)，嚴(yán)重影響著在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鉤緩系統(tǒng)健康狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，確保列車在行駛過程中的安全性，美國(guó)Broadsens公司、中車株洲電力機(jī)車有限公司的研究人員針對(duì)噪聲、電流串?dāng)_和溫度效應(yīng)這三類重要的環(huán)境因素，進(jìn)行鉤緩系統(tǒng)環(huán)境補(bǔ)償法的開發(fā)研究。

有關(guān)研究表明，溫度的變化是接收信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因之一。溫度效應(yīng)對(duì)SHM產(chǎn)生干擾的主要原因有以下幾點(diǎn)，材料、粘結(jié)膠層受到溫度效應(yīng)的影響，其特征參數(shù)發(fā)生了變化影響著Lamb波信號(hào)在結(jié)構(gòu)中傳播的速度，使得接收到的信號(hào)的相位出現(xiàn)偏移；同時(shí)，傳感器中的壓電晶片的壓電系數(shù)會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生波動(dòng)，影響著輸出電壓的大小，使得信號(hào)的幅值發(fā)生變化。因此，在人為無(wú)法改變材料性能隨溫度變化的前提下，迫切需要相關(guān)的溫度補(bǔ)償方案的開發(fā)。

Lu提出一種基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境補(bǔ)償方案，稱為最優(yōu)基準(zhǔn)法（optimal baseline selection，OBS），該方法以0.1℃的溫度間隔采集基準(zhǔn)信號(hào)，構(gòu)建基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過將采集信號(hào)導(dǎo)入至信號(hào)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。Croxford和Wilcox提出了另一種溫度補(bǔ)償方案，即基準(zhǔn)擴(kuò)展法（baseline signal stretch, BSS），該方法僅需一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，通過傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)零和截?cái)嗤瓿蓪?duì)信號(hào)相位偏移的補(bǔ)償。隨后，Clarke實(shí)現(xiàn)了OBS和BSS相結(jié)合的補(bǔ)償方案，并驗(yàn)證了該方法的補(bǔ)償精度比BSS的精度更高。

以上三種方法均只彌補(bǔ)了溫度效應(yīng)對(duì)信號(hào)相位造成的影響，而當(dāng)溫差較大時(shí)，幅值的衰減對(duì)信號(hào)的干擾同樣嚴(yán)重。Roy和Chang提出了一種基于物理模型的環(huán)境補(bǔ)償方案，通過建立信號(hào)特征值與外界環(huán)境因素之間的線性回歸模型能有效去除溫度效應(yīng)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的影響。Liu通過建立相位與溫差之間的回歸模型利用Hilbert變換重構(gòu)原始信號(hào)，能快速有效地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，并且能避免由信號(hào)壓縮擴(kuò)展造成的失真現(xiàn)象。

上述補(bǔ)償方案，在板狀結(jié)構(gòu)的SHM中均展現(xiàn)出了良好的補(bǔ)償效果。而鉤緩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示，在用Lamb波進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)邊界較多，接收到的信號(hào)受邊界反射影響嚴(yán)重，信號(hào)中出現(xiàn)多個(gè)波包的疊加，在溫度效應(yīng)的干擾下，不同模態(tài)波包的延遲量不一，隨著傳播距離的增加其變化越加明顯，信號(hào)的相位偏移與幅值衰減與溫度呈非線性變化關(guān)系。并且由于鉤緩系統(tǒng)在裝車后，不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)溫度有所差異，無(wú)法提出相應(yīng)的特征參數(shù)來構(gòu)建鉤緩系統(tǒng)的線性回歸模型。因此，上述方法均無(wú)法解決溫度效應(yīng)對(duì)鉤緩系統(tǒng)SHM的影響。

圖1 鉤緩系統(tǒng)組成

根據(jù)上述研究，針對(duì)環(huán)境效應(yīng)對(duì)基于Lamb波的鉤緩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的影響，通過在時(shí)域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析研究，結(jié)合均值降噪和信號(hào)間的互相關(guān)性評(píng)估技術(shù)，提出了相應(yīng)的環(huán)境補(bǔ)償方案。通過在不同環(huán)境下對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研究人員提出的環(huán)境補(bǔ)償方案能有效區(qū)分由環(huán)境因素造成的信號(hào)干擾和實(shí)際損傷造成的影響，并且有效定位損傷所在區(qū)域，驗(yàn)證了該方法能有效地去除環(huán)境因素對(duì)鉤緩系統(tǒng)SHM的影響。

圖2 傳感器與數(shù)據(jù)采集器分布

圖3 環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)的構(gòu)成

圖4 鉤緩系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，研究人員利用加入了環(huán)境補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉤緩系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在車鉤健康狀態(tài)及模擬損傷狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該環(huán)境補(bǔ)償方案能完全抑制系統(tǒng)內(nèi)部的電氣干擾信號(hào)和外界噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，能有效降低監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)環(huán)境溫度的依賴性。

• 1）由于鉤緩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Lamb波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)受到大量邊界反射的影響，信號(hào)波包疊加嚴(yán)重，外界環(huán)境噪聲、電流串?dāng)_和溫度波動(dòng)都會(huì)對(duì)信號(hào)造成較大影響。在監(jiān)測(cè)過程中由外界環(huán)境造成的信號(hào)差異甚至大于嚴(yán)重?fù)p傷對(duì)信號(hào)造成的影響，嚴(yán)重影響在線超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
• 2）研究人員提出的環(huán)境補(bǔ)償方案通過計(jì)算采集信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)間的噪聲等級(jí)系數(shù)對(duì)直達(dá)波區(qū)域信號(hào)進(jìn)行降噪處理，濾波后信號(hào)更加平滑，并且保留了原始信號(hào)的特征信息。
• 3）研究人員提出的環(huán)境補(bǔ)償方案通過計(jì)算采集信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)間的互相關(guān)系數(shù)，能準(zhǔn)確區(qū)分由溫度效應(yīng)造成的信號(hào)波動(dòng)和真實(shí)損傷信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)間的差異，有效去除外界環(huán)境對(duì)超聲Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。
• 4）將環(huán)境補(bǔ)償算法融入超聲Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)中，通過BroadScan D110C超聲采集分析儀對(duì)鉤緩系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在環(huán)境補(bǔ)償方案的輔助下，能有效去除外界噪聲、電流串?dāng)_和溫度效應(yīng)對(duì)Lamb波信號(hào)干擾而造成的損傷誤判現(xiàn)象，能快速判斷損傷的出現(xiàn)，準(zhǔn)確定位損傷所在區(qū)域，并且能根據(jù)損傷指數(shù)的大小對(duì)結(jié)構(gòu)受損狀況進(jìn)行在線評(píng)估，有效驗(yàn)證了研究人員提出的環(huán)境補(bǔ)償方案的有效性與魯棒性。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電氣技術(shù)》增刊中，論文題目為“軌道車輛鉤緩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的環(huán)境補(bǔ)償”，作者為趙俊杰、陳榕、張昶、何永強(qiáng)、金希紅、顏罡。