- 頭條超聲結構健康監測的環境補償新方案，適用于軌道車輛鉤緩系統2021-05-10 作者：趙俊杰 陳榕 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語鉤緩系統作為軌道交通車輛的重要部件，為保證車輛穩定運行，可通過超聲結構健康監測來評估其健康狀況及使用壽命。在工程應用中，超聲Lamb波易受外界環境因素干擾導致超聲信號發生較大波動，進而引發結構健康監測系統出現誤判現象，嚴重影響在線監測結果的準確性。 為了保證軌道交通車輛結構健康監測系統監測結果的穩定性與準確性，美國Broadsens公司、中車株洲電力機車有限公司的研究人員趙俊杰、陳榕、張昶、何永強、金希紅、顏罡，在2019年《電氣技術》增刊中撰文，提出了一套適用于鉤緩系統超聲結構健康監測的環境補償方案。
近年來，結構健康監測（structural health moni- toring，SHM）被廣泛應用到飛機結構、軌道交通和大型建筑等領域的損傷檢測中，相比傳統的無損檢測（nondestructive evaluation，NDE）技術，SHM能在線對結構的健康狀況進行實時評估，無需結構停止工作再進行檢測，降低了因結構停止工作而造成的經濟損失，同時也極大程度地減少了人為檢測的費用。在SHM應用中，Lamb波在檢測結構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行遠距離傳播和大面積覆蓋，是一種重要的SHM工具。
隨著我國高速列車行業的快速發展，鐵路交通網絡正逐漸實現全國各省市的全面覆蓋，鐵路車輛的數量及其運行班次也隨之增加。因此，為了保障鐵路交通系統的穩定運行，機車車輛健康狀況的診斷顯得尤為重要。車鉤作為鐵路機車車輛連接的重要部件，在運行過程中受到傳遞牽引力拉伸和緩沖撞擊壓縮的作用，其結構健康狀況直接影響著列車的安全性能。在恒溫狀態下，將基于Lamb波的SHM系統應用至列車的鉤緩系統中，能有效檢測出鉤緩系統的損傷程度以及能定位損傷所在區域。
但在實際運行過程中，由于列車的行駛區域較廣，一天之中經歷多個溫度區間，而Lamb波易受外界環境的干擾，易產生信號的相位偏移與幅值波動，嚴重影響著在線監測結果的準確性。
因此，為了實現對鉤緩系統健康狀況的準確監測，確保列車在行駛過程中的安全性，美國Broadsens公司、中車株洲電力機車有限公司的研究人員針對噪聲、電流串擾和溫度效應這三類重要的環境因素，進行鉤緩系統環境補償法的開發研究。
有關研究表明，溫度的變化是接收信號產生波動的主要原因之一。溫度效應對SHM產生干擾的主要原因有以下幾點，材料、粘結膠層受到溫度效應的影響，其特征參數發生了變化影響著Lamb波信號在結構中傳播的速度，使得接收到的信號的相位出現偏移；同時，傳感器中的壓電晶片的壓電系數會隨溫度的變化而發生波動，影響著輸出電壓的大小，使得信號的幅值發生變化。因此，在人為無法改變材料性能隨溫度變化的前提下，迫切需要相關的溫度補償方案的開發。
Lu提出一種基準數據庫的環境補償方案，稱為最優基準法（optimal baseline selection，OBS），該方法以0.1℃的溫度間隔采集基準信號，構建基準數據庫，通過將采集信號導入至信號庫中進行比對判斷結構的健康狀況。Croxford和Wilcox提出了另一種溫度補償方案，即基準擴展法（baseline signal stretch, BSS），該方法僅需一個基準信號，通過傅里葉變換對信號進行補零和截斷完成對信號相位偏移的補償。隨后，Clarke實現了OBS和BSS相結合的補償方案，并驗證了該方法的補償精度比BSS的精度更高。
以上三種方法均只彌補了溫度效應對信號相位造成的影響，而當溫差較大時，幅值的衰減對信號的干擾同樣嚴重。Roy和Chang提出了一種基于物理模型的環境補償方案，通過建立信號特征值與外界環境因素之間的線性回歸模型能有效去除溫度效應對板狀結構健康監測的影響。Liu通過建立相位與溫差之間的回歸模型利用Hilbert變換重構原始信號，能快速有效地實現溫度補償，并且能避免由信號壓縮擴展造成的失真現象。
上述補償方案，在板狀結構的SHM中均展現出了良好的補償效果。而鉤緩系統的結構復雜，如圖1所示，在用Lamb波進行監測的過程中，因為其結構邊界較多，接收到的信號受邊界反射影響嚴重，信號中出現多個波包的疊加，在溫度效應的干擾下，不同模態波包的延遲量不一，隨著傳播距離的增加其變化越加明顯，信號的相位偏移與幅值衰減與溫度呈非線性變化關系。并且由于鉤緩系統在裝車后，不同區域的結構溫度有所差異，無法提出相應的特征參數來構建鉤緩系統的線性回歸模型。因此，上述方法均無法解決溫度效應對鉤緩系統SHM的影響。
圖1 鉤緩系統組成
根據上述研究，針對環境效應對基于Lamb波的鉤緩系統結構健康監測的影響，通過在時域上對信號進行分析研究，結合均值降噪和信號間的互相關性評估技術，提出了相應的環境補償方案。通過在不同環境下對各個區域進行長期的監測，實驗結果表明：研究人員提出的環境補償方案能有效區分由環境因素造成的信號干擾和實際損傷造成的影響，并且有效定位損傷所在區域，驗證了該方法能有效地去除環境因素對鉤緩系統SHM的影響。
圖2 傳感器與數據采集器分布
圖3 環境補償系統的構成
圖4 鉤緩系統在線監測結果
在實驗室環境下，研究人員利用加入了環境補償方案的結構健康監測系統對鉤緩系統進行了長期監測，在車鉤健康狀態及模擬損傷狀態下的實驗結果均表明，該環境補償方案能完全抑制系統內部的電氣干擾信號和外界噪聲對監測結果的影響，能有效降低監測結果對環境溫度的依賴性。
- 1）由于鉤緩系統結構復雜，Lamb波在結構中傳播時受到大量邊界反射的影響，信號波包疊加嚴重，外界環境噪聲、電流串擾和溫度波動都會對信號造成較大影響。在監測過程中由外界環境造成的信號差異甚至大于嚴重損傷對信號造成的影響，嚴重影響在線超聲監測系統的監測結果。
- 2）研究人員提出的環境補償方案通過計算采集信號與基準信號間的噪聲等級系數對直達波區域信號進行降噪處理，濾波后信號更加平滑，并且保留了原始信號的特征信息。
- 3）研究人員提出的環境補償方案通過計算采集信號與基準信號間的互相關系數，能準確區分由溫度效應造成的信號波動和真實損傷信號與基準信號間的差異，有效去除外界環境對超聲Lamb波結構健康監測系統的影響。
- 4）將環境補償算法融入超聲Lamb波結構健康監測的系統中，通過BroadScan D110C超聲采集分析儀對鉤緩系統進行長期的在線監測。結果表明監測系統在環境補償方案的輔助下，能有效去除外界噪聲、電流串擾和溫度效應對Lamb波信號干擾而造成的損傷誤判現象，能快速判斷損傷的出現，準確定位損傷所在區域，并且能根據損傷指數的大小對結構受損狀況進行在線評估，有效驗證了研究人員提出的環境補償方案的有效性與魯棒性。
以上研究成果發表在2019年《電氣技術》增刊中，論文題目為“軌道車輛鉤緩系統結構健康監測中的環境補償”，作者為趙俊杰、陳榕、張昶、何永強、金希紅、顏罡。
