CN101971017B - 用于对材料和结构进行非破坏性评估和监视的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于对结构和材料进行非破坏性评估(NDE)的方法和设备，其使用高度非线性介质来生成和检测撞击材料或结构的一个或多个高度非线性脉冲(或高度非线性波)。该设备包括：诱发高度非线性的、弱非线性的或线性的应力波在待检查的材料、系统或结构中的传播的脉冲激发器；和/或用于观察和检测来自被测试的材料/结构的输出波的检测器。该NDE方法包括：仅使用可调谐的高度非线性设备作为脉冲激发器来检测输出脉冲，或者将可调谐的高度非线性设备与加速度计或非线性传感器相结合使用来检测输出脉冲。

Description

用于对材料和结构进行非破坏性评估和监视的方法和设备

对相关申请的交叉引用

本申请与以下共同未决且共同转让的美国专利申请相关并且要求这些申请的优先权：提交于2008年2月7日的、标题为“Method and devicefor actuating and sensing highly nonlinear solitary waves in surfaces，structures and materials”的第61/063,903号美国专利申请和提交于2008年4月21日的、标题为“Method and Apparatus for NondestructiveEvaluations and Structural Health Monitoring of Materials andStructures”的第61/124,920号美国专利申请；通过引用将这些申请的全部内容合并于此。

技术领域

本公开内容涉及一种用于激发具有可选脉冲性质的高度非线性脉冲、将这些脉冲发射到结构或材料中、并检测来自结构或材料的这些脉冲的方法和设备。更具体而言，本公开内容描述了一种用于激发具有期望形状、幅度、频率和/或持续时间的、可选数目的可控的高度非线性脉冲(然后其可被用于非破坏性评估和/或结构健康监视)的方法和设备。

背景技术

可以通过使用冲击测试来实现材料或结构的非破坏性评估。在冲击测试中，通常利用冲击装置击打材料或结构，然后测量穿过材料或结构的声波，以提供材料或结构内的缺陷的某种指示。参见例如在1992年11月24日授予Sansalone等人的第5,165,270号美国专利。在第5,165,270号美国专利中，冲击装置是多个不同重量的球体，每个球体被设计成产生不同持续时间的冲击，由此将不同的应力波传递到待测试的结构中。依赖于冲击持续时间，不同的应力波具有不同的频率值。每个球体被设置在弹簧钢杆的一端上。在测试开始时，所选球体处于息止位。利用一对钳夹将球体从息止位回撤到结构上方的给定高度。此动作使弹簧钢杆偏斜，由此增大了冲击球体的势能。在预定释放点释放球体，使得它冲击结构并向结构传递给定能量。该冲击产生从结构的外表面和/或内部缺陷反射的应力波(声波)。反射波由换能器检测，换能器将波造成的法向表面位移转换成电信号。然后，电信号被处理以提供指示结构的厚度或者设置在其中的缺陷的幅度/频率谱。

其它冲击测试设备和技术在本领域中也是已知的，但是通常使用与上述方法类似的方法，即，击打待测试的材料并测量应力波传播。在冲击测试技术中使用的冲击装置(即，击打器)通常成本为数百美元或更多并且需要耦合到信号调节器。线路供电的信号调节器被用来向传感器供电并调节它们的输出信号以便发送到读出及记录仪器。冲击锤被用于将冲力递送到测试样品中，信号调节器被用来提供所施加的力的幅度和频率内容的电测量信号。用于非破坏性评估的锤和调节器可能很昂贵。如下文所述的本发明的实施例可以提供用于对材料和结构进行非破坏性评估的更低成本的设备。

发明内容

本公开内容描述了一种用于对结构和材料进行非破坏性评估(NDE)的方法和设备，其使用高度非线性介质来生成和检测撞击材料或结构的一个或多个高度非线性脉冲(或高度非线性波)。该设备包括：诱发高度非线性的、弱非线性的或线性的应力波在待检查的材料、系统或结构中的传播的脉冲激发器；和/或用于观察和检测来自被测试的材料/结构的输出波的检测器。该NDE方法包括：仅使用可调谐的高度非线性设备作为脉冲激发器来检测输出脉冲，或者将可调谐的高度非线性设备与加速度计或非线性传感器相结合使用来检测输出脉冲。

本发明的实施例依赖于使用可在高度非线性系统(即，可包括粒状材料、分层材料、纤维材料或多孔材料的系统)中形成并行进的高度非线性波(HNW)，包括高度非线性孤立波(HNSW)。与在使用基于声音、超声或冲击的技术的现有技术系统中使用的常规应力波相比，HNW在可任意调整的、简单的且可再现的设置中在波长、波速(与波长幅度和材料性质成比例)、所生成的脉冲的数目和幅度控制方面提供了显著更高的可调谐性。

本发明的实施例可以提供对现有技术系统的改进，这些改进包括：1)诱发的脉冲的频率、幅度和速度的更大的可调谐范围，从而导致材料中的可检测的裂缝、缺陷和夹杂物的更宽范围的尺寸(即，多标度缺陷敏感度)；2)测量的增强的可重复性，从而提高测量系统的可靠性并且避免现有技术方法通常所需要的高超的必需操作技能；3)测量系统内的仪器(比如波激励器和传感器)按不同尺度的更简单且更具可缩放性的设计(这还可提供更广泛的应用)；4)仪器的降低的功率需求特性；以及(5)处理部件、传感器和激励器的降低的组装和制造成本(低于当前市售冲击锤达2个数量级之多)。

本发明的一些实施例包括基于与常规感测/激励方法耦合的或者组合在一起的高度非线性传感器和/或激励器(完全非线性系统)进行非破坏性评估和/或结构健康监视(NDE/SHM)的方法和设备。例如，一个实施例包括这样的NDE/SHM方法：其中将高度非线性激励器与经典接收器(比如加速度计、激光干涉仪、压电计量器或者本领域中已知的其它检测器)相结合使用，其中激励器向待检查的材料提供输入且经典接收器测量输出。另一个实施例包括这样的NDE/SHM方法：其中将经典冲击回波/轻敲声测试激励方法与高度非线性接收器一起使用，其中经典冲击/轻敲测试提供输入且高度非线性接收器测量输出。又一个实施例包括这样的NDE/SHM方法：其中将高度非线性激励器与高度非线性接收器一起使用，其中激励器提供输入且接收器测量输出。

本发明的一个实施例是一种用于进行元件或结构的检查的方法，该方法包括：生成一个或多个高度非线性波；将该一个或多个高度非线性波引导到待检查的元件或结构中；以及在被引导到待检查的元件或结构中的波已穿过元件或结构的至少一部分之后检测源于所述波的脉冲，其中生成高度非线性波包括将一个或多个脉冲引导到球形粒子链中，其中该球形粒子链中的每个粒子与该链中的相邻粒子线性接触。

本发明的另一个实施例是一种用于检查元件或结构的系统，该系统包括：高度非线性波激励器，其中该激励器可配置成使高度非线性脉冲撞击待检查的元件或结构；以及脉冲检测器，可配置成检测穿过待检查的元件或结构的至少一部分的来自该激励器的脉冲，其中该高度非线性波激励器包括：球形粒子链；以及击打设备，配置成击打该粒子链中的第一个粒子。

本发明的又一个实施例是一种用于进行元件或结构的检查的方法，该方法包括：生成检查脉冲；将检查脉冲引导到待检查的元件或结构中；将已穿过待检查的元件或结构的至少一部分之后的检查脉冲引导到高度非线性接收器中；以及检测已穿过高度非线性接收器的至少一部分之后的检查脉冲，其中该非线性接收器包括球形粒子链，其中该球形粒子链中的每个粒子与该链中的相邻粒子线性接触。

本发明的又一个实施例是一种用于检查元件或结构的系统，该系统包括：脉冲激励器，其中该激励器可配置成向待检查的元件或结构施加脉冲；以及非线性接收器，可配置成检测穿过待检查的元件或结构的至少一部分的来自该激励器的脉冲，其中该非线性接收器包括球形粒子链，其中该球形粒子链中的每个粒子与该链中的相邻粒子线性接触。

附图说明

图1A是用于产生和/或检测高度非线性波的系统的示意图。

图1B图示了具有嵌入式压电元件的珠子。

图2A图示了用于产生或检测高度非线性波的系统。

图2B图示了用于产生或检测高度非线性波的系统。

图3A是表示对于高度非线性的、弱非线性的或线性的块状介质而言产生、传播和检测高度非线性孤立波的示意图。

图3B是表示在由高度非线性的、弱非线性的或线性的介质制成的波导结构中发射高度非线性波的示意图。

图4描绘了其中将高度非线性激励器与经典接收器相结合使用的系统。

图5描绘了其中将经典冲击回波/轻敲声测试锤与高度非线性接收器相结合使用的系统。

图6描绘了其中将高度非线性激励器与高度非线性接收器相结合使用的系统。

图7是示出了用于进行非破坏性评估和结构健康监视的方法的步骤的流程图。

图8是示出了用于通过使用逆方法来表征材料的步骤的流程图。

图9是示出了用于基于高度非线性波测量结果来确定材料或结构是否具有任何损坏的步骤的流程图。

图10图示了向受损结构施加高度非线性孤立波、高度非线性孤立波穿过该结构以及用以检测该损坏的测试设置。

图11描绘了未受损的七线钢绞线和受损的七线钢绞线以及向其施加高度非线性孤立波。

图12A和12B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结果。

图13A和13B示出了其中使用与图4中所示测试设置类似的测试设置在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结果。

图14A和14B示出了其中使用与图4中所示测试设置类似、但是仅有两个传感器的测试设置在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲的实验结果。

图15A和15B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲并且使用预压缩的时间历史结果。

图16A和16B示出了其中在钢杆内传播高度非线性孤立波诱发的脉冲并且使用预压缩的频率-强度结果。

图17示出了用于自动评估和监视公路、铁路、楼层空间和其它这样的结构的系统。

具体实施方式

本发明的实施例通过使用在粒状部件的一维链中生成的高度非线性脉冲和波提供了材料和结构的非破坏性评估和监视。在本公开内容中，粒状部件或颗粒可以包括粒状物质，粒状物质定义为优选地呈线性或网络形状的布置的、彼此弹性接触的粒子或层的集合体。尽管本发明的实施例使用高度非线性脉冲和波，但是可以在使用、生成和/或检测高度非线性孤立波或脉冲时提供额外优点。对本公开内容来说，高度非线性孤立波应被视为高度非线性波的具体情况。此外，高度非线性孤立波应被视为高度非线性脉冲的具体情况。因此，除非另有说明，这里对高度非线性波的任何引用应被视为包括高度非线性孤立波，且这里对高度非线性脉冲的任何引用应被视为包括高度非线性孤立脉冲。

颗粒之间的接触互作用由方程1中所示的高度非线性力F-位移δ关系来调节：

$F\≅{\mathrm{A\δ}}^n$ (方程1)

其中A是材料的参数，n是非线性指数(其中n＞1)。粒状状态的一个独特特征是：相邻粒子之间的互作用力的线性范围可忽略，从而导致未压缩的材料中的声速为零。这使得基于Korteveg-de Vries(KdV)方程的线性和弱非线性统一方法无效，而根据粒状材料的波动态性将粒状材料归入特殊一类。粒状材料的动态响应由支持高度非线性小型孤立波的形成和传播的高度非线性波理论来控制。

在由理想球形珠子组成的粒状材料中，高度非线性行为是因为受赫兹定律(就此而言方程1中的指数n等于1.5)调节的接触互作用的动态性。该高度非线性响应还可以出现在由具有不同几何结构的颗粒组成的许多其它非线性系统中，并且理论推导已扩展和推广至所有的非线性指数n，其中n≠1。例如，其它几何结构可以包括具有圆锥形接触面的不规则颗粒，其中n＝2；竖直对准的碳纳米管所构成的森林结构，其中n＝2.2；具有离散粒子的纤维中的横向振动，其中n＝3；以及塞(plug)链气体-液体系统，其中n＝3。高度非线性波理论的统一处理扩展至周期性异质介质，比如这样的粒状系统：其中组成链的粒子不相同并且周期性缺陷在其整个长度内交替出现。

高度非线性孤立波是在有序粒状介质中通过它们的几何非线性与存在于介质中的分散的平衡效应而形成的固定脉冲。高度非线性孤立波的一个独特特征(其使得它们不同于在各种其它物理系统中、比如在流体、原子和电磁波中描述的所有其它先前的孤立波或孤立子)是：它们的波宽度独立于它们的幅度。对于其中赫兹定律有效且指数n＝1.5的粒状系统，它们的空间尺寸总是5个粒子直径，无论什么波幅度或波速度存在于系统中。使用在非线性波理论的最一般性的处理中出现的记号，在下面的方程2中示出根据赫兹互作用定律导出的用于均匀高度非线性系统的波方程：

$u_{\mathrm{\τ\τ}}=u_x^{n-1}{u}_{\mathrm{xx}}+{\mathrm{Gu}}_x^{n-3}{u}_{\mathrm{xx}}^3+{\mathrm{Hu}}_x^{n-2}{u}_{\mathrm{xx}}{u}_{\mathrm{xxx}}+{\mathrm{Iu}}_x^{n-1}{u}_{\mathrm{xxxx}}$ (方程2)

其中u是位移，τ是经重定标的时间，n是在方程1中出现的非线性指数，参数I、H、G的显式表达式可参见Porter，M.A.、Daraio，C.、Herbold，E.B.、Szelengowicz，I.、Kevrekidis，P.G.的“Highly nonlinear solitary waves inphononic crystal dimers”Physical Review E，77，015601(R)，2008。

根据直接积分描述高度非线性孤立波的形状和性质的方程2的解具有下面的方程3中所示的形式：

$u_{\mathrm{\ϵ}}=v=B{\cos }^{\frac{2}{n-1}}\left(\mathrm{\β\ξ}\right)$ (方程3)

其中 $B={\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\left[{\mathrm{\β}}^{2}s(s-1)\right]}\right)}^{1/n-1},$ $\mathrm{\β}=\sqrt{\mathrm{\σ}}\frac{(1-\mathrm{\η})}{2},$ 且s＝pI。

方程2中所示的高度非线性波方程的一般性由如下事实给出：它还包括波传播的线性和弱非线性状态。可以通过向系统添加初始预应变(预压缩)来外插这些状态。它的解证实了在高度非线性介质中只有两个谐波对周期性信号的固定传播模式做贡献。如果初始预应变ξ₀逼近0，则孤立波形状可被取作由方程3提供的周期性解的一个峰，其中有限波长在赫兹粒状系统的情况下仅等于五个粒子直径。类似于KdV孤立子，高度非线性孤立波是超声波，这意味着它们的相速度大于非线性介质中的初始声速(c₀)(尤其是在未压缩的系统的情况下，其中c₀＝0)。对于由球形粒子组成的粒状链，可以如方程4中所示那样表达作为最大粒子动态应变的非线性函数的孤立波速度V_s：

$V_s=\frac{2}{\sqrt{5}}c{\mathrm{\ξ}}_m^{1/4}=0.6802{\left(\frac{2E}{a{\mathrm{\ρ}}^{3/2}\left({1-v}^2\right)}\right)}^{1/3}{F}_m^{1/6}$ (方程4)

其中F_m是离散链中的粒子之间的最大动态接触力。

图4中所示的关系可以提供材料的动态性和声学性质这一领域的应用。这种用理论预测并通过数值和实验验证的波具有可调谐特性。通过改变支持HNW的形成的高度非线性介质的机械和/或几何性质，可以对行进的脉冲的形状和性质进行调谐。换言之，可以针对具体应用“设计”高度非线性介质中的非线性波的性质。然后，在用于测试的各种结构中可以使用这些“可控”波作为新的边界条件。生成一列非线性波而不是一个非线性脉冲也可能是所希望的。

下面的方程5中示出了根据添加的预压缩的存在而导出并根据链中的粒子的离散化而获得的赫兹系统中的孤立波速度的可调谐性的解析表达式：

$V_s=0.9314{\left(\frac{{4E}^2{F}_0}{a^2{\mathrm{\ρ}}^3{\left({1-v}^2\right)}^2}\right)}^{1/6}\frac{1}{(f_r^{2/3}-1)}{\left\{\frac{4}{15}\right[3+2f_r^{5/3}-5f_r^{2/3}\left]\right\}}^{1/2}.$ (方程5)

其中F₀表示向系统添加的静态预应力(预压缩)，f_r＝F_m/F₀，且F_m是离散链中的粒子之间的最大接触力。

在方程4中针对非预应变系统并且在方程5中针对预应变系统示出了孤立波性质对材料参数的依赖性。还注意到，就HNSW而言，系统在尺寸上是独立的但是对链中存在周期性异质敏感。因此，孤立波可以根据每个具体应用的需要而缩放成各种尺寸。

根据方程4和方程5，可以通过改变非线性介质的一个或多个参数来实现HNSW的可调谐性。例如，增大高度非线性介质的粒子尺寸将增大波长并且减小波速度和幅度。该可调谐性提供减少或消除激发给定形状和波长的应力波所必需的电子设备如函数发生器的可能性。因此，本发明的实施例可以降低现有技术系统所需要的超声激励中的一些功率需求，并且可以允许使用无线技术来代替本领域中已知的系绳技术。此外，波幅度和波速度对高度非线性材料中的应力状态的高度敏感性还可以允许相对于常规声弹性方法改进对所施加的应力的估算。

本发明的实施例还允许使用具有与经典赫兹形状(n＝1.5)所描述的形态不同的形态的粒子，从而可以向可调谐性添加其它元素，也就是说，通过改变方程1中的n，波长(并且因此信号频率)将显著变化。另外，在由可解释为缺陷的硬和软珠子的交替短链组成的系统中或者在任何周期性异质系统中行进的HNW或HNSW将诱发行进的脉冲的性质的显著改变。由粒子的随机化集合(比如包括呈无序和准无序配置的、不同材料、质量和直径的粒子的链)组成的系统呈现出诱发更高频率模式的脉冲分解和激发的热化现象。

在Sen，S.、Manciu，M.和Wright，J.D.的“Solitonlike Pulses inPerturbed and Driven Hertzian Chains and Their Possible Applications inDetecting Buried Impurities”(Phys.Rev.E，57，no.2，2386-2397(1998))中和在Hong，J.和Xu，A.的“Nondestructive identification of impurities ingranular medium”Appl.Phys.Lett.，81，4868-4870(2002)中讨论了使用孤立波来进行粒状介质中的缺陷和杂质检测。已证实孤立波对粒状材料性质如弹性模量敏感，并且还注意到所施加的应力以及反向散射的信号的速率和形状对粒状链中轻和重杂质的存在的依赖性。在由涂覆了不锈钢、玻璃、黄铜、尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)和帕利灵的钢珠的链组成的各种一维高度非线性系统中，已通过数值和实验研究了高度非线性孤立脉冲。如理论推导所预测的那样，数值和实验验证表明了作为材料参数的函数的受支持的孤立波的速度和幅度的显著不同。

上面讨论的方程一般适用于HNSW。然而，本发明的实施例可能依赖于HNW的生成和/或检测，从而将HNSW的生成和/或检测仅视为HNW的一种特殊情况。图1A是用于产生和/或检测HNW的系统的示意图。在图1A中，粒子或珠子505、507、509的链501置于撑杆603之间。通过使第一粒子505撞击第二粒子507，生成HNW(然而，所生成的HNW可以稳定成HNSW)。在此配置中，第一粒子505可以视为击打器粒子。只要粒子505、507、509保持接触，波就传播。可以通过选择链尺寸(粒子直径和数目)、粒子材料和对粒子的预压缩的期望组合来对波的波长、速度和幅度进行调谐。一些粒子509可以具有可用来监视HNW在链501内的传播的嵌入式压电元件或其它检测设备。图1A中所示的系统还可用于通过如下方式检测HNW：将系统耦合到材料或结构，并使用具有压电元件的检测器粒子509来检测所述波。

图1B图示了用以检测HNW的具有嵌入式压电元件的检测器粒子509。检测器粒子509包括粒子半部分62和夹在两个半部分62之间的压电元件64。压电元件64优选地用粘合层66附着到两个半部分62，其中粘合层66可以包括环氧或其它粘合材料。粒子半部分62可以开槽以允许压电元件64所关联的超小型线路的引线65被嵌入于粒子509内。通过使用引线焊接和电极上卷绕的包，压电元件64可以使线路在压电元件的两个相反面或同一面上。优选地，校准压电元件65以提高波检测的准确度。

在图2A和2B中描绘了用于产生或检测HNW的系统。图2A示出了激励和/或感测设备的三维视图。如图2A中所示，四个杆30用来限制珠链44，珠链44用于产生高度非线性脉冲以便传递给待测试的元件20或材料。图2B示出了与图2A中描绘的设备类似的设备的竖直截面，其中四个杆由用来限制珠链44的空心圆柱形容器32所取代。如上面讨论的那样，施加预压缩来对高度非线性波进行调谐可能是有用的。在图2A中，元件50描绘了可用来施加静态预压缩的系统。元件50可以包括浮环磁体、用以悬置受控重物的系统、螺杆/加载单元控制的预应变装置、可压缩珠链44的某种其它元件或系统、或者这里列出的元件和系统的一些组合。如图2B中所示，磁珠(或保持珠子的悬置重物)42可以放置在珠链44的顶上以允许静态预压缩力的施加。图2B还示出了用于操纵空心圆柱形容器30并将其锚定在待测试的元件20或结构上的外保持器54。

图2A和2B中所示的受约束珠链44可以用来产生或检测HNW。为了产生这样的波，击打器40可以用来启动HNW在珠链44中的形成。可以通过使用电磁体46来激励击打器40以移动击打器40击打珠链44。例如，击打器40可以包括通过电磁体46所产生的交变磁场被举起和释放的不锈钢球。图2B中所示的磁珠42还可以担当用来击打珠链44以产生脉冲的装置。磁或电磁控制的设备可能能够生成频率大于20kHz的脉冲。可替选实施例可以使用不同的激活机制，比如弹簧加载的系统或者压缩空气加载的系统。

图3A是表示HNW在高度非线性的、弱非线性的或线性的块状介质中的波传播的示意图。高度非线性脉冲发生器10(这里也称为高度非线性激励器/激发器)生成一个或一列高度非线性波14，高度非线性波14被引导到受测试的元件20或结构中。图3A示出了波14穿过元件20，其中元件20可以包括高度非线性的、弱非线性的或线性的块状介质。在受测试的介质内传播的波可以包括线性应力波和/或高度非线性波。输出脉冲16由高度非线性接收器12接收。图3B示出了激励器10在元件20中生成单个HNW 14，其中元件20可以包括由高度非线性的、弱非线性的或线性的介质制成的波导结构。在图3B中，HNW的激励器10还用作被波导边缘和/或缺陷反射的脉冲18的感测元件。

本发明的一个实施例包括这样的方法和系统：其中将高度非线性激励器与经典接收器(比如加速度计、激光干涉仪、压电计量器或本领域中已知的其它检测器)相结合使用。图4描绘了具有此配置的系统。在图4中，高度非线性激励器/激发器10向正经受测试的、具有潜在缺陷489的元件20提供脉冲。元件20可以具有块状或波导几何结构并且可以包括高度非线性的、弱非线性的或线性的介质。非线性激励器/激发器10具有击打器粒子40以启动HNW在激励器10中的形成。第一压电计量器481检测进入受测试的元件20的信号，第二压电计量器482检测在行进于被测试的元件20中之后的输出信号。计算机90可以用来处理和存储数据以提供被测元件20的特性分析。设置在激励器10的元件内的一个或多个经校准的压电计量器64可以用来检测在激励器/激发器10内传播的HNW以提供如下能力：额外地控制或调谐激励器/激发器10，以产生具有期望特性的HNW。

本发明的另一个实施例包括这样的方法和系统：其中将经典冲击回波/轻敲声测试锤(或本领域中已知的其它这样的方法或设备)与高度非线性接收器相结合使用。图5描绘了具有此配置的系统。在图5中，经典的或在形态上调谐的锤96用来向受测试的元件20或结构提供脉冲。元件20可以具有块状或波导几何结构并且可以包括高度非线性的、弱非线性的或线性的介质。通常，锤96可以包含压电计量器以检测和/或控制由锤96生成的脉冲。非线性接收器12耦合到受测试的元件20以接收穿过受测试的元件20的脉冲。非线性接收器12还可以耦合到压电计量器482，压电计量器482接收已穿过非线性接收器12的HNW。非线性接收器12还可以具有设置在接收器12的元件内的一个或多个压电计量器64以检测在接收器12内传播的HNW。可以代替压电计量器482而使用接收器压电计量器64、或者除了压电计量器482以外还使用接收器压电计量器64来提供与受测试的元件20的特性有关的数据。接收器压电计量器64还可以提供对非线性接收器12的响应进行调谐的能力。计算机90可以用来收集和存储来自压电计量器64、482和锤96的数据以提供受测试的元件或结构的分析。

本发明的又一个实施例包括这样的方法和系统：其中将高度非线性激励器与高度非线性接收器相结合使用。图6描绘了具有此配置的系统。在图6中，高度非线性激励器/激发器10向正经受测试的元件20提供脉冲。如先前讨论的那样，激励器10可以具有嵌入于激励器10的元件内的一个或多个压电计量器64以检测HNW。非线性接收器12耦合到受测试的元件20以接收穿过受测试的元件20的高度非线性的或线性的脉冲或者这二者的组合。元件20可以具有块状或波导几何结构并且可以包括高度非线性的、弱非线性的或线性的介质。如先前讨论的那样，非线性接收器12还可以具有设置在接收器12的元件内的一个或多个压电计量器64以检测在接收器12内传播的HNW。非线性接收器12还可以耦合到压电计量器482，压电计量器482接收已从受测试的元件20穿过非线性接收器12的HNW。计算机90可以用来收集和存储来自压电计量器64、482的数据以提供受测试的元件或结构的分析。

图7是示出了根据本发明的一个实施例的用于进行非破坏性评估和结构健康监视的方法的步骤的流程图。在块105中，击打器用来生成脉冲。在块106中，脉冲耦合到担当发射器的珠链以便形成HNSW。块107描绘了在发射器内和/或在发射器与待测试的材料或结构之间的分界面检测和测量该波。块108表示在待检查的材料或结构内传播线性块或线性导波或者传播HNSW。块109描绘了：担当接收器的具有嵌入式压电元件的珠链接收那些波中的一个或多个；以及在接收器内和/或在接收器与受测试的材料或结构之间的分界面检测高度非线性脉冲。在块110，对在受测试的材料或结构之前检测到的信号和在受测试的材料或结构之后检测到的信号进行数字化；在块111，进行脉冲的测量。脉冲测量块111可以包括在接收器与受测试的材料/结构之间的分界面检测到的线性波。这些非线性脉冲测量结果然后可以用来表征通过逆方法测量的材料(如块112中所示)和/或检测结构或材料内的损坏(如块113中所示)。

图8是示出了根据本发明的一个实施例的用于通过使用逆方法来表征材料的步骤的流程图。在图8中，块144表示对高度非线性脉冲的测量，比如如图7中的块111中所示那样提供的测量。然后进行计算以确定一个或多个测得的脉冲的特性，如块115中所示。块117示出了收集与一大类材料的弹性性质相关的数据。块118示出了计算所选材料类型的波脉冲传播的理论模型。判定块116示出了将块115所提供的测得的脉冲特性与块118所提供的理论特性相比较。如果测得的脉冲特性和理论脉冲特性相同或接近相同，则块120表明可以基于测得的脉冲来表征测得的材料或结构的性质。如果测得的脉冲特性和理论脉冲特性不充分地匹配，则差异可被提供给数字化器119、然后被用来选择不同的材料类型以便在块118中计算理论模型。

图9是用于基于各种激发来确定材料或结构是否具有任何损坏的步骤的流程图。在图9中，块121表示采集测得的脉冲数据，比如图7中的决11中所示并且例如通过图4、图5和/或图6中所示方法之一采集到的脉冲数据。块122示出了数字信号处理，可以对脉冲数据进行该数字信号处理以提取测得的脉冲数据的时域相关特性、频域相关特性、联合时-频域特性或其它数学表示。块123表示可被执行以提取可用来标识和/或表征损坏的感兴趣特征的计算。这些特征然后可以用来构造损坏指数矢量，如块124中所示，损坏指数矢量可以具有与损坏标识相关的一个或多个参数。有监督学习算法(如块125中所示)或无监督学习算法(如块126中所示)然后可以用来处理损坏指数矢量并且提供与测得的材料或结构内存在缺陷或损坏有关的信息。

图10图示了向受损结构施加HNW、激发的脉冲穿过该结构以及用以检测该损坏的测试设置。在图10中，非线性激励器10形成HNW 14并向受测试的元件24施加HNW 14。元件24可以是由高度非线性的、弱非线性的或线性的介质制成的块、波导或半无限结构。如图10中所示，元件24可以包括面板、板、公路、瓦、地板等。传感器48(比如加速度计、激光干涉仪、压电计量器、压力传感器或其它这样的检测器)检测和测量脉冲穿过元件的传播。元件中存在裂缝/空隙/形变22预期将更改在检测器48的输出信号中检测到的波的幅度和形状。对从传感器获得的数据的分析应允许用户定位和表征缺陷22。

本发明的实施例还可以用来检测由高度非线性的、弱非线性的或线性的介质制成的圆柱形波导中的缺陷。例如，图11描绘了七线钢绞线261和受损的七线钢绞线263。这样的绞线是在预应力混凝土和线缆支撑的悬桥中广泛使用的部件。在图11中，非线性激励器10用来施加HNW，且非线性接收器12用来检测HNW。在受损的绞线263中，预应力/温度诱发的应力/应变和/或裂缝/空隙/形变(如空隙22所示)预期将更改由非线性接收器12检测到的孤立波的幅度和形状。本发明的可替选实施例允许检测线缆配置而不是钢绞线内的缺陷。

图12A和12B示出了其中在钢杆内传播HNW诱发的脉冲的实验结果。在图12A中，利用可变数目(n)的珠子在不锈钢珠链中生成脉冲。在图12B中，通过冲击小型锤并且通过使用n＝10、30个诱发HNW的珠子来生成脉冲。从图12A和12B可以看出，脉冲的时域特性随着用来诱发HNW的珠子的数目而改变，从而表明HNW激励器的可调谐性。

实验数据表明可以在受损和未受损的结构中激发HNW。在行进于受损结构中之后检测到的脉冲将不同于在穿过未受损结构之后检测到的脉冲。图13A和13B示出了针对如图4中所示的测试设置而获得的实验曲线，其中受测试的元件20是钢杆。图13A描绘了将4.76mm直径的珠子置于未受损钢杆上从而获得的数据，而图13B描绘了将4.76mm直径的珠子置于受损钢杆上从而获得的数据。传感器置于组成链的中央珠子之一中(标记为“珠子传感器”并且对应于图4中的元件64的曲线)、置于分界面(对应于图4中的元件481)和置于钢杆下的基部(对应于图4中的元件482)。通过从链的最高粒子上～3cm的高度落下0.45g钢珠来生成脉冲。图14A和14B示出了针对与图4中所示的测试设置类似的测试设置而获得的实验曲线，其中受测试的元件20仍是钢杆。然而，传感器仅置于分界面和杆的基部。图14A描绘了将2.38mm直径的珠子置于未受损钢杆上从而获得的数据，而图14B描绘了将2.38mm直径的珠子置于受损杆上从而获得的数据。从链的最高粒子上～3cm的高度落下0.45g钢珠来生成脉冲。

如上面讨论的那样，预压缩亦可以用来对非线性激励器所提供的HNW进行调谐。图15A、15B、16A和16B图示了预压缩可具有的效应。图15A描绘了在添加静态预压缩(F₀＝2.38N)的情况下将20个竖直对准的不锈钢粒子置于4.76mm直径钢杆的顶上从而获得的时间数据。测试设置类似于图4中所示的测试设置，其中传感器置于组成链的中央珠子之一中(标记为“珠子传感器”并且对应于图4中的元件64的曲线)、置于分界面(对应于图4中的元件481)和置于钢杆下的基部(对应于图4中的元件482)。图15B示出了利用类似设置、使用受损杆获得的时间数据。图16A示出了根据未受损杆测量结果获得的强度与频率数据之间的关系，而图16B示出了根据受损杆获得的强度与频率数据之间的关系。

本发明的一个实施例可以包括一种用于自动评估和监视公路、铁路、楼层空间和其它这样的结构的方法系统。图17是这样的实施例的示意图。在图17中，小车80上安装有非线性激励器10和非线性接收器12。非线性激励器10和非线性接收器12均被安装成允许它们与受测试的结构20相接触。在工作中，非线性激励器10提供高度非线性脉冲，且非线性接收器12检测高度非线性脉冲。如上所述，可替选实施例可以代替非线性激励器10而使用本领域中已知的经典冲击方法(比如冲击锤)来提供脉冲以供非线性接收器12检测。其它实施例也可以使用非线性激励器10，但是可以代替非线性接收器12而通过经典检测方法或设备来检测来自激励器10的脉冲。

在图17所示的系统中，计算机90可以提供对非线性激励器10和非线性接收器12的控制并且还控制小车的运动。去往和来自非线性激励器10和非线性接收器12的信号可以耦合到数据收集站70，数据收集站70可以无线地或利用有线连接耦合到计算机90。例如，数据收集站70可以包括美国国家仪器公司提供的利用了运行的PXI技术的单元或类似硬件/软件。计算机90可以包括膝上型计算机，该膝上型计算机于是可配置成形成与数据收集站70的客户端-服务器以太网链接。数据收集站70可以配置成对非线性激励器10生成测试脉冲进行控制、从非线性接收器12采集信号、处理信号以限制噪声并为监视的结构20产生实时质量指数。计算机90然后可以用来开始和停止采集、修改脉冲和脉冲处理设定、实时监视结果并提供报告窗口。

图17中所示的系统可以为用户提供如下能力：利用在结构20的整个厚度内并沿着该厚度以及在结构20本身内传播的HNW诱发的脉冲。尽管图17仅示出了单个激励器10/接收器12构成的对，但是也可以部署多个激励器/接收器对以形成同时覆盖结构20的多个大区段的网格。这可以加速结构20的检查速率并且还提高检查质量。

出于根据法律要求进行说明和公开的目的，提供了前面对示例和优选实施例的详细描述。并非意在是穷举性的或将本发明限制于所描述的一个或多个精确形式，而仅意在使本领域的技术人员能够理解本发明可以怎样适合于具体应用或实施。修改和变化的可能性对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。对示例实施例的描述无限制之意，其可以包括容差、特征尺度、特定操作条件、工程规范等并且可以对于不同的实施而不同或者随着当前技术水平的改变而变化，而这不应意味着限制。本公开内容是鉴于当前技术水平而作出的，但是也考虑到技术进步以及未来的适应性修改可能将那些技术进步纳入考虑，即，也是根据那时的当前技术水平而作出的。本发明的范围意在由权利要求书和适用的等价物来限定。除非明确说明，单数引用权利要求要素并非意在表示“一个且仅一个”。此外，本公开内容中的元件、部件、方法或过程步骤并非意在向公众展示，无论该元件、部件或步骤是否明确地记述在权利要求书中。不应按照35U.S.C.第112节第六段的规定来解释这里的权利要求要素，除非使用短语“用于......的装置”明确地叙述该元素，并且不应按照那些规定来解释这里的方法或过程步骤，除非使用短语“包括用于......的步骤”明确地叙述该一个或多个步骤。

Claims (19)

1.一种用于进行元件或结构的检查的方法，包括：

生成一个或多个高度非线性波；

将所述一个或多个高度非线性波引导到待检查的所述元件或结构中；以及

在被引导到待检查的所述元件或结构中的波已穿过所述元件或结构的至少一部分之后检测源于所述波的脉冲，

其中生成高度非线性波包括将一个或多个脉冲引导到球形粒子链中，其中所述球形粒子链中的每个粒子与所述链中的相邻粒子线性接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子链中的所述粒子受线性约束并且在线性方向上受压缩。

3.根据权利要求2所述的方法，其中通过选择以下中的一个或多个来控制由所述粒子链生成的所述高度非线性波的期望波长、速度、脉冲数目和/或幅度：所述粒子链中的粒子数目；所述粒子链中的粒子尺寸；构成所述粒子的材料；以及静态预压缩的量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个高度非线性波包括一个或多个高度非线性孤立波。

5.根据权利要求1所述的方法，所述粒子链中的至少一个粒子包含以下检测元件中的至少一个：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

6.一种用于检查元件或结构的系统，包括：

高度非线性波激励器，其中所述激励器可配置成使高度非线性脉冲撞击待检查的所述元件或结构；以及

脉冲检测器，可配置成检测穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分的来自所述激励器的脉冲，

其中所述高度非线性波激励器包括：

球形粒子链；以及

击打设备，配置成击打所述粒子链中的第一个粒子。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述高度非线性波激励器还包括配置成沿着所述球形粒子链的线性方向施加压缩力的预压缩设备。

8.根据权利要求6所述的系统，还包括配置成从所述高度非线性波激励器接收生成的脉冲数据并配置成从所述脉冲检测器接收所接收到的脉冲数据的处理器，其中所述处理器将所述接收到的脉冲数据与所述生成的脉冲数据相比较以确定检查结果。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述高度非线性波激励器生成一个或多个高度非线性孤立波。

10.根据权利要求6所述的系统，所述粒子链中的至少一个粒子包含以下检测元件中的至少一个：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

11.一种用于进行元件或结构的检查的方法，包括：

生成检查脉冲；

将所述检查脉冲引导到待检查的所述元件或结构中；

将已穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分之后的所述检查脉冲引导到非线性接收器中；以及

检测已穿过所述非线性接收器的至少一部分之后的所述检查脉冲，

其中所述非线性接收器包括球形粒子链，其中所述球形粒子链中的每个粒子与所述链中的相邻粒子线性接触。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述粒子链中的所述粒子受线性约束并且在线性方向上受压缩。

13.根据权利要求11所述的方法，其中检测所述检查脉冲包括利用包含以下检测元件中的至少一个的、所述粒子链中的至少一个粒子来检测所述检查脉冲：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

14.根据权利要求11所述的方法，其中检测所述检查脉冲包括：将所述检查脉冲引导到所述粒子链的与待检查的所述元件或结构相邻的一端中，并在所述粒子链的与相邻于待检查的所述元件或结构的所述端相反的一端检测所述检查脉冲。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述非线性接收器包括设置在所述粒子链的一端的至少一个检测元件，其中所述检测元件包括以下检测元件中的至少一个：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

16.一种用于检查元件或结构的系统，包括：

脉冲激励器，其中所述激励器可配置成向待检查的所述元件或结构施加脉冲；以及

非线性接收器，可配置成检测穿过待检查的所述元件或结构的至少一部分的来自所述激励器的脉冲，

其中所述非线性接收器包括球形粒子链，其中所述球形粒子链中的每个粒子与所述链中的相邻粒子线性接触。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述粒子链中的所述粒子受线性约束并且在线性方向上受压缩。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述粒子链中的至少一个粒子包含以下检测元件中的至少一个：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述非线性接收器包括设置在所述粒子链的一端的至少一个检测元件，其中所述检测元件包括以下检测元件中的至少一个：波检测元件；压力检测元件；加速度检测元件；或位移检测元件。

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