CN102072936B - 基于时间逆转导向波的损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

一种机械结构检测技术领域的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，通过将激励换能器和感应换能器分别正对方式设置在待检测板壳结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路径，其中：从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时间逆转过程；然后将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。本发明实现飞行器中板壳结构的在线无损检测，同时可以应用于其他领域，如桥梁，建筑，船舶等结构的在线安全性监控和评估，具有非常重要的实用价值和广阔的应用前景。

Description

基于时间逆转导向波的损伤检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械结构检测技术领域的方法，具体是一种基于时间逆转导向波的损伤检测方法。

背景技术

随着航天航空领域技术的发展进步，人们对于飞行器在线的无损检测技术的要求越来越高。板壳结构在飞行器中有着广泛的应用，而且在整个结构系统中起到关键性的作用。板壳结构的健康安全状况对于整个结构系统来说至关重要。以铝板结构为例，在使用过程中可能由于循环变载荷而导致疲劳裂纹缺陷，并且随着循环次数的增加，裂纹进一步扩展最终导致灾难性事故。

传统的无损检测技术主要包括：声发射法、电涡流检测法、X射线法、超声波检测法、红外和全息照相法等。然而这些方法往往需要昂贵的、体积庞大的信号激励和采集装置，给在线的实时检测带来很多不便。

在线的无损检测技术要求在不破坏结构的前提下，实时检测结构内部的缺陷。近二十年内，利用嵌入式的换能器来激发与采集导向波信号的方法被广泛应用于在线的无损检测领域。然而，以往的基于导向波的无损检测方法通常需要把结构无缺陷时所采集的波信号作为基准，并把该基准波信号和检测当前结构所采集的检测波信号进行对比，来提取由缺陷引起的波信号的特征信息，从而达到损伤识别和定位等目的。但是导向波具有不可避免的频散特性，以及环境因素变化所引起的波信号的变化会干扰由缺陷所导致的波信号的变化，因此这种对基准波信号的依赖性很大程度上限制了实时性和在线性检测技术的应用，并大大降低了检测的精度。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200910049014.1，记载了一种“基于导向波的厚梁结构损伤检测方法”，以及文献《兰姆波在薄钢板无损检测中的应用研究》(王杜，郑祥明，等，无损检测，2007，29(4)193-199)中所实现的基于导向波的准确的无损检测都需要参考基准波信号的信息。比如《兰姆波在薄钢板无损检测中的应用研究》首先利用兰姆波检测无损伤的薄钢板，获取基准波信号；并对基准波信号进行时频分析，识别出板中激发的兰姆波的模式以及模式转换现象。然后再利用兰姆波检测具有直径不等的孔洞类缺陷和深度不等的分层缺陷的薄钢板，获取当前的检测波信号；并识别出当前板中激发的兰姆波的模式以及模式转换现象。参考无损伤检测时的结果，最后识别出薄钢板中的缺陷信息。这种检测方法的准确性很大程度上依赖于无损伤检测时的结果，即基准波信号，导致其对环境因素的变化相当敏感，不满足于在线检测的实时性要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于时间逆转导向波的损伤检测方法，克服了依赖于基准信号的缺点，不仅满足了实时性和在线性的要求，而且大大提高了检测的精度。该技术的成功研发不仅可以实现飞行器中板壳结构的在线无损检测，同时可以应用于其他领域，如桥梁，建筑，船舶等结构的在线安全性监控和评估，具有非常重要的实用价值和广阔的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤1、布置传感路径：将激励换能器和感应换能器分别正对方式设置在待检测板壳结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路径，其中：从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时间逆转过程；

所述的激励换能器和感应换能器均采用锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。

所述的正向传播过程包括：

1.1)激励波信号：板壳结构的频厚积步骤激励频率×板壳厚度、来选择激励波信号的频率ω，依据传感路径的长度步骤L、与导向波波长λ的比值步骤L/λ、来选择激励信号的周期步骤n，以保证L/λ≥n，开启数字信号发生装置把汉宁窗调制且中心频率为ω的n-周正弦调幅脉冲，即激励波信号以电压形式加载到激励换能器上，在待检测板壳结构内激励出由激励换能器传向感应换能器的导向波；

1.2)采集并在时间域逆转感应波信号的S₀模式：开启信号采集装置记录感应换能器所感应到的电压信号，即感应波信号；并利用数字处理软件把感应波信号的S₀模式在时间域进行逆转，即原信号的时间始点变为逆转后所生成信号的时间终点，原信号的时间终点变为逆转后所生成信号的时间始点。

所述的正向传播过程中：所述的S₀模式是指：导向波的基础阶对称模式；所述的信号采集装置包括信号解调器和信号数字离散器。

所述的逆向传播过程包括：

2.1)再激励时间逆转的波信号：开启数字信号发生装置，把正向传播过程所生成的时间逆转的感应波信号的S₀模式再次以电压形式加载到感应换能器上，激发出由感应换能器传向激励换能器的导向波；

2.2)采集汇聚波信号并生成重建信号：步骤2.1)中所生成的导向波将汇聚到激励换能器所在的位置，即原始的激励点，开启信号采集装置记录原始的激励换能器所感应到的电压信号，即汇聚波信号；并利用数字处理软件把汇聚波信号的S₀模式在时间域进行逆转，生成重建信号。

步骤2、校对基于时间逆转的损伤指数：将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。

所述的幅值正则化是指：信号被其振幅的最大值除。

所述的反相关性分析是指：对第n条传感路径而言，损伤指数DI_n为：

其中：C_n(t)为第n条传感路径的重建波形，V_0n(t)为第n条传感路径的原始激励波信号的波形，t为采样时间点，t0为采样时间的起始点，取值为0，t1为采样时间的终止点，取值为原始激励波信号的时间长度，n为传感路径的序号1≤n≤N，N为传感路径的总数。

附图说明

图1为实施例正向及逆向船舶示意图。

图2为实施例中一个带有双切缝缺陷的铝板以及传感路径P1-P4和P2-P3的示意图。

图3为实施例中原始激励波信号的波形与铝板板温度为20℃时传感路径P1-P4和P2-P3的重建信号的波形对比。

图4为实施例中原始激励波信号的波形与铝板板温度为52℃时传感路径P1-P4和P2-P3的重建信号的波形对比。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，取一个带有双切缝缺陷的铝板试件步骤600mm×600mm×2.0mm，分别在铝板温度为20℃和52℃时进行实测，以说明环境变化对本发明的损伤检测结果并无影响。

本发明的实施按以下步骤进行：

步骤1、布置传感路径

波信号的激励换能器和感应换能器采用压电陶瓷应变片，即薄片状的压电陶瓷换能器，这种应变片可以方便地固定在被检测铝板的表面，既可以实现激励波信号的功能又可以实现感应波信号的功能。一条传感路径包括一个压电激励应变片和一个压电感应应变片，在铝板上布置四个压电陶瓷应变片步骤P1，P2，P3和P4)，并选用一个坐标系以方便定位步骤图2)。双切缝缺陷的位置和尺寸在表格1中列出。传感路径P1-P4步骤P1为压电激励应变片；P4为压电感应应变片)距离双切缝缺陷较远，而传感路径P2-P3步骤P2为压电激励应变片；P3为压电感应应变片)距离双切缝缺陷较近，使得双切缝缺陷对传感路径P2-P3的影响相比于P1-P4而言更加严重。

表1

所述的正向传播过程包括：

1)激励波信号

本发明的实验试件为2mm厚的铝板，因此激励频率选为300kHz以保证所形成的导向波中的S₀模式具有较大的幅值，使其对损伤具有较高的敏感性。根据传播路径的长度步骤L)为566mm，S₀模式的波长步骤λ)为18mm，L/λ为31，因此激励周期选为5周。开启数字信号发生装置把汉宁窗调制的，中心频率为300kHz的，5-周正弦调幅脉冲(激励波信号)以电压形式分别加载到P1和P2上，在铝板内激励出由P1传向P4和由P2传向P3的导向波。

2)采集并在时间域逆转感应波信号的S₀模式

开启信号采集装置以20.48MHz的采样频率记录P3和P4所感应到的电压信号(感应波信号)，并利用MATLAB软件把P3和P4所采集的感应波信号的S₀模式在时间域进行逆转。

所述的逆向传播过程包括：

1)再激励时间逆转的波信号

开启数字信号发生装置，分别用对P3和P4所得的时间逆转的感应波信号的S₀模式再次以电压形式加载到P3和P4上，生成由P3传向P2和由P4传向P1的导向波。

2)采集汇聚波信号并生成重建信号

开启信号采集装置以20.48MHz的采样频率记录P1和P2所感应到的电压信号(汇聚波信号)，并利用MATLAB软件把P1和P2所采集的汇聚波信号的S₀模式在时间域进行逆转，生成重建信号。当铝板温度为20℃时，传感路径P1-P4和P2-P3中的原始激励波信号与重建信号的波形对比如图3所示。当铝板温度为52℃时，传感路径P1-P4和P2-P3中的原始激励波信号与重建信号的波形对比如图4所示。

步骤2、校对基于时间逆转的损伤指数

将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则化。对重建信号与原始激励波信号进行反相关性分析。如果重建信号与原始激励波信号波形的不相似程度较少，所校对的损伤指数就较小，表明传播路径基本不或很少程度地被损伤影响；相反，所校对的损伤指数就较大，表明传播路径被损伤严重地影响。对传感路径P1-P4和P2-P3所校对的损伤指数在表格2中列出，参照图3和图4，可知损伤指数的大小一致对应于波形不相似程度的多少。即使铝板的温度发生了变化，传感路径P1-P4所校对的损伤指数仍然明显小于P2-P3所校对的损伤指数。这一结果表明相比于传感路径P1-P4，损伤极大可能性地出现在P2-P3的影响区域内，与实际情况相符。

表2

Claims (5)

1.一种基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、布置传感路径：将激励换能器和感应换能器分别以正对方式设置在待检测板壳结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路径，其中：从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时间逆转过程；

所述的正向传播过程包括：

1．1）激励波信号：依据板壳结构的频厚积，即激励频率×板壳厚度，来选择激励波信号的频率ω,依据传感路径的长度L与导向波波长λ的比值L/λ来选择激励波信号的周期n，以保证L/λ≥n，开启数字信号发生装置把汉宁窗调制且中心频率为ω的n-周正弦调幅脉冲，即激励波信号以电压形式加载到激励换能器上，在待检测板壳结构内激励出由激励换能器传向感应换能器的导向波；

1．2）采集并在时间域逆转感应波信号的S₀模式：开启数字信号采集装置记录感应换能器所感应到的电压信号，即感应波信号；并利用数字处理软件把感应波信号的S₀模式在时间域进行逆转，即原信号的时间始点变为逆转后所生成信号的时间终点，原信号的时间终点变为逆转后所生成信号的时间始点；

所述的逆向传播过程包括：

2.1）再激励时间逆转的波信号：开启数字信号发生装置，把正向传播过程所生成的时间逆转的感应波信号的S₀模式再次以电压形式加载到感应换能器上，激发出由感应换能器传向激励换能器的导向波；

2.2）采集汇聚波信号并生成重建信号：步骤2.1）中所生成的导向波将汇聚到激励换能器所在的位置，即原始的激励点，开启数字信号采集装置记录原始的激励换能器所感应到的电压信号，即汇聚波信号；并利用数字处理软件把汇聚波信号的S₀模式在时间域进行逆转，生成重建信号；

步骤2、校对基于时间逆转的损伤指数：将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。

2.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的激励换能器和感应换能器均采用锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的正向传播过程中：所述的S₀模式是指：导向波的基础阶对称模式；所述的数字信号采集装置包括信号解调器和信号数字离散器。

4.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的幅值正则化是指：信号除以其振幅的最大值。

5.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的反相关性分析是指：对第n条传感路径而言，损伤指数DI_n为：

其中：C_n(t)为第n条传感路径的重建信号的波形，V_0n(t)为第n条传感路径的原始激励波信号的波形，t为采样时间点，t0为采样时间的起始点，取值为0，t1为采样时间的终止点，取值为原始激励波信号的时间长度，n为传感路径的序号1≤n≤N，N为传感路径的总数。

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