CN101539541A - 基于导向波的厚梁结构损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，包括下列步骤：换能器布置；激励信号布置；激励信号产生、传播、采集；信号处理与分析、损伤识别。本方法通过合理的激振器、传感器布置，以及恰当的设置激励信号，可采集到工程上厚梁对象的损伤波形信号；对波形信号提取分析可获得损伤的位置和严重程度信息，从而实现对厚梁的损伤检测和健康监测。

Description

基于导向波的厚梁结构损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的方法，具体是一种基于导向波的厚梁结构损伤检测方法。

背景技术

随着社会的发展进步，人们对于生产及生活安全的要求越来越高。梁结构在土木建筑工程以及重工机械领域有着广泛的应用，而且在结构系统中经常处于关键位置。梁结构的健康安全状况对于整个结构系统来说至关重要。以钢梁结构为例，钢梁结构由于在制作或构造上存在缺陷，而这些缺陷就容易成为裂纹的起源。一般来说裂纹形成后，其疲劳破坏阶段可分为裂纹扩展和最后断裂两个阶段；裂纹扩展阶段是缓慢和较为隐蔽的，而断裂是裂纹扩展到一定阶段瞬间完成的，往往导致灾难性事故，危险性极大。因此在不破坏结构的前提下，对结构检测并识别出损伤的位置以及严重程度是非常必要的。传统的无损检测方法主要有目测法、渗透法、磁粉检测、电涡流检测、射线法、超声波检测法；随着科技的进步，一些非常规的无损检测方法如声发射、微波、红外和全息照相等新的无损检测方法也不断涌现。这些方法对梁进行检测时，往往只能检测特定的点或者很小的一个区域，而且费时费力。

经过对现有相关技术文献进行检索发现，中国专利申请号：200620034033.9专利名称为：基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其基于阻抗成像检测损伤，需要安装安装数量众多的电极并进行多次测量(实例中简单正方形试件，安装了十六个电极，进行了八次测量平均)，操作步骤相对繁琐。

结构健康监测(SHM)是在无损检测的基础上发展起来的概念，借鉴了很多无损检测方法，但是结构健康监测更强调在线实时监控。基于导向波的损伤检测方法正是基于结构健康监控，该方法能够利用导向波的传播而实现大面积的无损检测，而且借助于嵌入式传感器能够实现在线实时的损伤检测。兰姆波(LambWave)是导向波的一种，该波对于损伤有很高的敏感度，也就是兰姆波在结构中传播时，当遇到不连续(如边界、损伤)时会产生反射和透射。兰姆波方法一般是在结构上布置一定数量的换能器(换能器包括激振器和传感器)，并配套相应的信号发生、放大、采集设备。监测时首先通过激振器向结构中激发产生一定的波形，通过布置的传感器便可接收到系统的响应(包括损伤产生的响应)。这些采集到的信号经过处理分析便可得到结构系统的损伤信息。该方法能够快速的对较大区域的结构进行检测，在近些年得到广泛的学术关注。但是由于兰姆波随厚度与激励频率乘积的增加会变的复杂：产生越来越多模式，增加了信号处理分析的复杂度，所以对此类研究通常集中于板结构(板厚远小于波长，往往不超过10mm厚)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术上的不足，提供一种基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，实现对厚度在10mm-60mm的厚梁结构损伤的检测，且步骤简便。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

第一步：换能器布置(激振器、传感器)。在梁的一端并排布置激振器产生力和位移信号，布置反射传感器获取反射信号，在梁的另一端布置透射传感器获取透射信号；

所述换能器一般采用压电陶瓷材料制成。这种材料能将电信号转变为力和位移信号，同时也能将力信号转变为电信号，所以既可以用作激振器，又可以用作传感器。

第二步：激励信号设置，测量检测对象的几何尺寸，长度小于1m的采用3.5周期的波形，长度在1m以上的采用5个周期的波形，将最佳频率厚度积区域的值除以厚度尺寸得到激励信号的频率，最后对激励信号施加窗函数；

第三步：激励信号产生、传播、采集。连接好基于导向波的检测系统，将步骤二设置好的激励信号通过波形发生器发生，并经放大器放大后进入激振器，继而到达传感器，最后被采集系统获取并保存于PC。

激励器在梁中激励出兰姆波，兰姆波在梁中传播，继而到达传感器；反射传感器和透射传感器可以将信号转换成电信号，该电信号(电荷或者弱电压)经信号调理设备调理(电荷转换为电压或电压放大)后被采集。

第四步：信号处理与分析、损伤识别，通过信号处理方法对信号进行去噪和处理以识别各类波形，根据边界反射的波形计算导波的群速度，然后根据群速度计算损伤反射波的位置，通过损伤反射波波峰值与反射传感器信号第一个波包的峰值的比值得到损伤严重程度。

在第四步损伤识别时，以反射传感器信号为主、透射传感器信号为辅进行判别决策。

所述的最佳频率厚度积区域为在导向波的频散曲线的一个区域，在这个区域内，导向波有最少的模式，并且模式的变化相对平缓。

当信号发生器产生的波形通过激振器激发后，转变为力和位移信号，并沿梁的方向进行传播。在传播的方向遇到损伤时，一部分信号会发生反射(损伤可以认为是一种边界)沿逆方向传播并被反射传感器所接收；而另一部分信号则会继续向前传播直到梁的另一端被透射传感器接收，并在边界发生反射。边界反射的信号会沿逆向传播，一部分经损伤反射回到透射传感器，一部分继续传播回到起始端被反射传感器接收。下面分别从反射传感器和透射传感器的角度来分析如何利用该方法识别损伤的位置和损伤的严重程度。

对于反射传感器来说，在信号传播两个梁长的时间跨度内，会接收三个波包：在一开始激振器激发的入射波(W1)、入射波被损伤反射回来的波(W2)以及入射波被边界反射回来的波(W3)。在梁的长度已知的条件下，利用W1和W3的时间间隔，计算出波包的群速度；然后利用W2(损伤反射波包)的时间点便可求出W2到W1的传播距离，从而得到损伤的位置信息；同样根据W1和W2的幅值信息(W2的幅值越大代表损伤越严重)，可以得到损伤的严重程度信息。

对于透射传感器来说，在信号传播两个梁长的时间跨度内，主要会接收两个波包：激振器激发的入射波透过损伤到达的波(T1)和入射波经边界反射折回经过损伤又反射回来的波(T2)。利用T1的第一个波点信息可以算出波在一个梁的长度内的传播时间，从而可以求出波传播的群速度；根据T1和T2的幅值信息(W2的幅值越大代表损伤越严重)也可以得到损伤的严重程度信息。

尽管根据反射传感器或者透射传感器都可以分别得到损伤的位置以及严重程度信息，但是建议以反射传感器为主、透射传感器为辅来进行监控。原因如下：兰姆波具有频散的特性，这种频散特性表现在两方面，一是随频率和厚度乘积增加，会有高阶模式的兰姆波产生，增加了判断的复杂性；另一个方面是沿传播路径，随传播距离的增加(特别是遇到边界)波包的形状会发生改变。例如利用T1和W1的幅值信息能够更直接的得到损伤对波的幅值影响。

根据上面的分析，如果缺少基准梁(没有损伤的梁)的兰姆波信号信息，也可以得到梁的损伤信息。在实际的应用中，如果事先能获取基准梁的信号，通过和基准信号进行比较能更有效更准确的判断损伤信息。

这个过程中最为关键的是激励波(入射波)波形的设计。激励波的设计是通过控制终端进行，最终通过信号发生器发生。其设置主要包括：窗函数的选择(通常是对正弦信号进行加窗)、中心频率设定和波数的选择。窗函数这里采用汉宁窗(Hanning window)以消除高频干扰和防止能量泄漏；而中心频率的设定和波数的选择则要根据实际梁的长度和厚度。一般来讲梁越长，波数越多(波数越多，频域上带宽越窄，频散越少，但是这会增加波形在时域上的长度，从而增加波形相互重叠的概率)；梁越厚，频率越低。具体而言，1米以下的梁可以3.5周期的波形，超过1米的梁可以选择5个周期的波形；根据兰姆波在钢结构中的频散方程，频率厚度乘积一般保持在1MHz.mm左右。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于兰姆波在结构中传播的频散曲线，对激励波形的频率、形状、长度进行了分析选择，并进行了合理的传感器布局，实现了对较厚梁的损伤监测，而且现场操作步骤很简便。

附图说明

图1本发明实施的流程图；

图2实例试件示意图；

图3实例系统连接示意图；

图4兰姆波在34mm钢梁试件中的理论频散曲线图；

图5根据实例试件设计的激励波形图；

图6所采集信号经小波变换后的波形图：(a)基准件信号；(b)三个试件的信号对比；

图7兰姆波在钢梁试件中的理论频散曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例采用如图2所示的试件。其中试件为不锈钢钢梁，尺寸为300mm×34mm×25mm。为展示测试的原理和效果，共制作三个试件，其中一个试件为基准试件(没有损伤)，另外两个试件在试件的中间部位有深度不同的切口，损伤程度分别为25％和50％(损伤程度定义：切口深度h与梁厚度d的比值h/d)。每个试件布置三个PZT换能器，一个为激振器，另外两个为传感器(反射传感器和透射传感器)，PZT换能器的尺寸为20mm×5mm×1mm。

整个损伤检测系统的平台基于PXI构架，见图3。系统由三大子系统组成：信号激励发生系统(用于信号发生的Agilent E1441和信号放大的PiezoSysEPA-104)；信号采集系统(用于信号调制的Agilent E3242A和信号采集的Agilent E1437A)；终端控制界面(普通PC和NI公司Labview软件)。在系统平台搭建、试件连接完毕后，检测工作就可以进行了。

如图1、图3所示，包括以下步骤：

第一步：换能器布置(激振器、传感器)。在梁的一端并排布置激振器产生力和位移信号，布置反射传感器获取反射信号，在梁的另一端布置透射传感器获取透射信号；

所述换能器一般采用压电陶瓷材料制成。这种材料能将电信号转变为力和位移信号，同时也能将力信号转变为电信号，所以既可以用作激振器，又可以用作传感器。

第二步：激励信号设置，测量检测对象的几何尺寸，长度小于1m的采用3.5周期的波形，长度在1m以上的采用5个周期的波形，将最佳频率厚度积区域的值除以厚度尺寸得到激励信号的频率，最后对激励信号施加窗函数；

所述的最佳频率厚度积区域为在导向波的频散曲线的一个区域，在这个区域内，导向波有最少的模式，并且模式的变化相对平缓，如图7，导向波在钢中的的频散曲线，根据该频散曲线在1.1MHz.mm附近的一个小区域内，只有A0、S0两种模式，并且A0、S0变化都相对比较平缓，所以这个区域就是最佳的频率厚度积区域。在实施实例中，试件厚度34mm，根据这个选择方法，频率选择了35kHz(1.1Mhz.mm/34mm≈35kHz)。

该工作在控制界面完成：信号的基函数一般默认为正弦(或余弦)函数；试件长度为300mm，激励信号周期数选定在3.5周期；试件的厚度为34mm，结合兰姆波在钢结构中的频散曲线，如图4，频率锁定在35kHz；窗函数选择汉宁窗。至此激励信号设置完毕，设置好的激励波形见图5。

第三步：激励信号产生、传播、采集。连接好基于导向波的检测系统，将步骤二设置好的激励信号通过波形发生器发生，并经放大器放大后进入激振器，继而到达传感器，最后被采集系统获取并保存于PC。

激励器在梁中激励出兰姆波，兰姆波在梁中传播，继而到达传感器；反射传感器和透射传感器可以将信号转换成电信号，该电信号(电荷或者弱电压)经信号调理设备调理(电荷转换为电压或电压放大)后被采集。

该工作在三个子系统均涉及：在激励信号设置完毕后，触发信号激励产生系统。经放大后的的波形通过连接线进入到试件的激振器，然后在试件中传播到达反射传感器和透射传感器。反射传感器和透射传感器采集的信号经过调制后被采集系统获取。采集到的信号会显示在终端控制界面，并可保存在PC上。这个过程几乎是在瞬间完成的，为在线实时监测奠定了基础。

第四步：信号处理与分析、损伤识别，通过信号处理方法对信号进行去噪和处理以识别各类波形，根据边界反射的波形计算导波的群速度，然后根据群速度计算损伤反射波的位置，通过损伤反射波波峰值与反射传感器信号第一个波包的峰值的比值得到损伤严重程度。

在第四步损伤识别时，以反射传感器信号为主、透射传感器信号为辅进行判别决策。

该工作在控制终端或者后台进行：这里采用小波变换的方法对采集的信号进行去噪处理，然后通过希尔伯特变换加包络。变换后的信号见图6，通过该图可以识别损伤波形，并根据传播时间对损伤进行定位；根据损伤波形的峰值也可以大体判别损伤的大小(严重程度)。

本实施例通过合理的参数设计和系统构造来实现对较厚结构特别是厚梁(厚度一般不超过60mm)进行损伤检测。

Claims (4)

1、一种基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

第一步：换能器布置，在梁的一端并排布置激振器产生力和位移信号，布置反射传感器获取反射信号，在梁的另一端布置透射传感器获取透射信号；

第二步：激励信号设置，测量检测对象的几何尺寸，长度小于1m的采用3.5周期的波形，长度在1m以上的采用5个周期的波形，将最佳频率厚度积区域的值除以厚度尺寸得到激励信号的频率，最后对激励信号施加窗函数；

第三步：激励信号产生、传播、采集，连接好基于导向波的检测系统，将步骤二设置好的激励信号通过波形发生器发生，并经放大器放大后进入激振器，继而到达传感器，最后被采集系统获取并保存于PC；

第四步：信号处理与分析、损伤识别，通过信号处理方法对信号进行去噪和处理以识别各类波形，根据边界反射的波形计算导波的群速度，然后根据群速度计算损伤反射波的位置，通过损伤反射波波峰值与反射传感器信号第一个波包的峰值的比值得到损伤严重程度。

2、如权利要求1所述的基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，其特征是，所述换能器采用压电陶瓷材料制成。

3、如权利要求1所述的基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，其特征是，在第四步损伤识别时，以反射传感器信号为主、透射传感器信号为辅进行判别。

4、如权利要求1所述的基于导向波的厚梁结构损伤检测方法，其特征是，所述的最佳频率厚度积区域为在导向波的频散曲线的一个区域，在这个区域内，导向波有最少的模式，并且模式的变化相对平缓。

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