CN102192954B - 损伤诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种损伤诊断系统，其接收和发送宽频带兰姆波，从获得的波形和理论分散曲线中评价兰姆波的分散性，从而对存在的模式进行同定。利用损伤的发生·发展、和同定的模式分散性之间的关系定量评价剥离长度，可以高精度高可靠性地对损伤进行探测和诊断。使用损伤探测系统变换由施振装置施振时获得的振动检测传感器的输出值，获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，对从兰姆波的基本波模式和多维模式中选出的同定模式，从所述数据中获得特定特征值作为测量结果输出，例如获得A1模式的模式分散性的斜率、A1模式的传播时间的减少量、S0及S1模式的传播时间的增加量这三个指标作为测量结果输出。在显示装置中显示该测量结果。

Description

损伤诊断系统
技术领域
本发明涉及一种利用兰姆波的损伤诊断系统。
背景技术
例如在飞机的机身这种对原料要求强度和轻型化这两者的领域中，为了实现这样的要求，大幅度应用CFRP等复合材料是不可或缺的。并且，为了确保由该复合材料构成的构造的高可靠性、以及进行更有效率的设计，损伤探测技术(结构健康监测(StructuralHealthMonitoring)技术)深受关注。
作为对这种复合材料的损伤、缺陷等进行探测的装置，在专利文献1、2中记载了一种利用FBG(FiberBraggGrating：光纤布拉格光栅)光纤传感器的损伤探测装置。作为光纤，近来正在逐渐地细径化(例如直径为52[μm])，因为即使嵌入构造物中，也几乎不会引起该构造物强度的降低，所以具有在设置方面自由度高的优点。
根据专利文献1、2所述的发明，使用下述部件：压电元件，其固定配置在构造用复合材料的规定位置上；导线，其向压电元件传输信号；光纤传感器，其固定配置，在其与压电元件之间夹持构成构造用复合材料的复合材料，在光纤传感器的纤芯部具有反射规定波长光的光栅部；光源，其向纤芯部进行光照射；特性检测单元，其对来自于光栅部的反射光的特性进行检测，该装置利用压电元件施振，并根据特性检测单元的输出变化探测损伤。另外，作为特性检测单元，使用对来自于光栅部的反射光的频率特性进行检测的频谱分析仪。
而且，在专利文献1中所述的发明中记载如下要点：与预先取得的正常的构造用复合材料的检测数据相比较，或者作为其它的方法，根据频谱分析仪检测出的频率分布而相对于确定频率的非振动时的变动值而设定阈值，在小于或等于该阈值的情况下可以判定为存在损伤(段落0032)。
在专利文献2中提出，在频谱分析仪上设置2个光学滤波器，频谱分析仪通过将反射光透过上述2个光学滤波器并输出至运算处理装置，从而高灵敏度地检测出反射光的波长振动信号，并基于运算处理装置获得的波长振动信号，计算与被检测体的损伤规模相当的值(DI值)。
作为损伤探测技术的一种方法，正在研究传播并受振被称为拉姆(Lamb)波的形态的超声波，根据受振波形的变化诊断是否发生损伤。所谓兰姆波，是在薄板中传播的超声波，因为衰减较小并且可以经过长距离在板构造中传播，所以是一种适用于损伤探测的超声波的传播形态。
另外，兰姆波具有多重模式性和速度分散性(频率依赖性)这两个特征，依赖于板的厚度和频率，存在速度不同的多个模式。因为这些复杂的特征，在当前，仅利用兰姆波的特定的频率信息进行损伤检测。
专利文献1：日本特开2005-98921号公报
专利文献2：日本特开2007-232371号公报
专利文献3：美国专利第5493390号说明书
发明内容
本发明的课题在于，提供一种损伤诊断系统及损伤诊断方法，其利用兰姆波的分散性这种特征，可以在宽频带中测量模式分散性，可以获得比当前更多的有利于损伤检测的信息，使定量评价剥离长度成为可能，可以高精度、高可靠性地探测、诊断损伤。
用于解决以上课题的技术方案1所述的发明是一种损伤诊断系统，其特征在于，具有：施振装置，其向被检测体施加宽频带兰姆波的超声波振动；振动检测传感器，其检测由所述被检测体传播的宽频带兰姆波；以及处理装置，其控制设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述施振装置的起振动作，通过对所述正反面的所述施振装置起振反相位的波而起振兰姆波的非对称模式，或者，使用设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述振动检测传感器，对所述正反面的所述振动检测传感器的输出值进行减法运算，从而分离兰姆波的非对称模式，所述处理装置，对由所述施振装置进行施振时获得的所述振动检测传感器的输出值进行变换，而获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，，对于从兰姆波的非对称模式中选出的1个或者大于或等于2个的特定的非对称模式，计算在每个频率下的产生传播强度的最大值的传播时间，并确定产生该最大值的频率和传播时间的关系，将确定的所述频率和传播时间的关系、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先确定的所述频率和传播时间的关系进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
技术方案2所述的发明是技术方案1所述的损伤诊断系统，其特征在于，所述处理装置，计算频率变化的情况下的、所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的变化率，来代替确定产生所述传播强度分布数据的最大值的频率和传播时间的关系，将计算的所述变化率、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先计算的所述变化率进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
技术方案3所述的发明是技术方案2所述的损伤诊断系统，其特征在于，所述处理装置，计算所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的、相对于所述被检测体没有损伤的情况的减少量，来代替计算所述变化率，基于计算的所述减少量，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
技术方案4所述的发明是一种损伤诊断系统，其特征在于，具有：施振装置，其向被检测体施加宽频带兰姆波的超声波振动；振动检测传感器，其检测由所述被检测体传播的宽频带兰姆波；以及处理装置，其控制设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述施振装置的起振动作，通过对所述正反面的所述施振装置起振同相位的波而起振兰姆波的对称模式，或者，使用设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述振动检测传感器，对所述正反面的所述振动检测传感器的输出值进行加法运算，从而分离兰姆波的对称模式，所述处理装置，对由所述施振装置进行施振时获得的所述振动检测传感器的输出值进行变换，而获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，对于从兰姆波的对称模式中选出的1个或者大于或等于2个的特定的对称模式，计算在每个频率下的产生传播强度的最大值的传播时间，并确定产生该最大值的频率和传播时间的关系，将确定的所述频率和传播时间的关系、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先确定的所述频率和传播时间的关系进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
技术方案5所述的发明是技术方案4所述的损伤诊断系统，其特征在于，所述处理装置，计算所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的、相对于所述被检测体没有损伤的情况的增加量，来代替确定产生所述传播强度分布数据的最大值的频率和传播时间的关系，基于计算的所述增加量，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
发明的效果
兰姆波中，存在相对于板状的振动传播介质的板厚度中心具有对称位移的对称模式(symmetricmodes；S模式)、和具有非对称位移的非对称模式(asymmetricmodes；A模式)，相对于基本波对称模式(S0)和基本波非对称模式(A0)，分别存在无数条高次的n次模式(Sn、An)，因此波动复杂。
在本发明人员的研究中可知，通过起振、受振宽频带兰姆波，构成将对称/非对称分离的方法，利用这种方法对各种模式进行分析的结果，S1模式在层间剥离部分中被变换为S0模式及A1模式进行传播，如果通过层间剥离部分，则再次返回为S1模式进行传播。
另外，还可知A1模式在层间剥离部分中被变换为比A1模式传播速度快的S0模式进行传播，如果通过层间剥离部分，则再次返回A1模式进行传播。
即可知，在层间剥离部分的速度变化成为到达时间的变化，根据层间剥离部分的振动传播方向的长度，各模式的到达时间分别示出其各自的变化。
因此，根据本发明具有如下效果：获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，对特定的模式，通过根据上述数据获得由于损伤的影响而表现出本模式的到达时间的变化的规定的特征值(损伤规模的指标)，从而可以进行是否存在损伤的诊断及损伤规模的诊断。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的损伤探测系统的概略构成图。
图2是表示光纤传感器的概略构成图(a)、及在光行进方向中光栅部的折射率变化的线型图(b)。
图3是表示本发明的一个实施方式涉及的光纤传感器和与其连接的频谱分析仪的构成图(a)、及8个光学滤波器的通带的光谱图(b)。
图4是表示本发明的一个实施方式涉及的相对于光学滤波器的输入波波形(a)、2个光学滤波器的通带的光谱图(b)及光学滤波器的输出波波形(c)。
图5是表示本发明的一个实施方式涉及的损伤探测系统的控制系统的模块图。
图6是表示实验涉及的向MFC致动器输入的波形(a)及其傅里叶光谱(b)。
图7是表示实验涉及的在FBG传感器中受振的受振波形(a)、其傅里叶光谱(b)及小波变换结果(c)。
图8是与实验相同条件情况下的兰姆波的理论分散曲线。
图9是表示使用MFC致动器的模式分离法的概念图。
图10是使用FBG传感器的模式分离法的概念图。
图11是表示实验涉及的模式同定结果的图。
图12是兰姆波的模式变换举动的概念图(a)、在板厚度为3.4(mm)的板内传播的兰姆波的理论分散曲线(b)及在板厚度为1.7(mm)的板内传播的兰姆波的理论分散曲线(c)。
图13是实验涉及的试验片的剖面图。
图14是表示从实验中求得的S模式的模式变换举动的图。
图15是表示从实验中求得的A模式的模式变换举动的图。
图16是有限元分析模型的剖面图。
图17是表示从有限元分析中求得的S模式的模式变换举动的图。
图18是表示从有限元分析中求得A模式的模式变换举动的图。
图19是表示在构造物完整时(a)和发生剥离时(b)传播形态的差异。
图20是表示在完整部分中A1模式的速度和在剥离部分中S0模式的速度的差异。
图21是人工层间剥离的检测实验涉及的检测对象部分的斜视图。
图22是对剥离长度不同的各种试验片，在每个频率下产生A1模式的小波系数最大值的时间的曲线图。
图23是对各种不同剥离长度的试验片，在每个频率下产生S0、S1模式的小波系数最大值的时间的曲线图。
图24是表示图22的250～400(kHz)的范围内各种试验片的测量数据群的近似直线的斜率相对于剥离长度的变化的图表。
图25是表示在300kHz时A1模式的传播时间的减少量的剥离长度的变化的图表。
图26是表示在350kHz(有限元分析)和400kHz(实验)时的S0、S1模式的传播时间的增加量的剥离长度的变化的图表。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。以下是本发明的一个实施方式，并不是限定本发明。
【基本结构】
首先，对本实施方式的损伤探测系统的基本结构进行说明。
图1是对构造用复合材料Z进行损伤探测的损伤探测系统10的概略构成图。在本实施方式中，将构造用复合材料作为被检测体。
在本实施方式中，作为对被检测体施加兰姆波的超声波振动的施振装置，使用MFC(MacroFiberComposite)致动器。MFC致动器是将极细的棱柱状的压电陶瓷沿着一个方向排列而嵌入环氧树脂中，并在其上下面上粘接电极而成的，可以在面内的一个方向上发生比较大的变形。可知可利用该特性作为超声波起振元件使用。作为施振装置，也可以应用压电元件等其它的起振致动器。
如图1所示，本实施方式的损伤探测系统10具有：MFC致动器21，其在构造用复合材料Z的要进行损伤探测的位置的附近，粘贴在构造用复合材料Z的面部上；作为振动检测传感器的光纤传感器30，其设置于构造用复合材料Z的要进行损伤探测的位置的附近；MFC致动器21的控制装置41；频谱分析仪42，其检测从光纤传感器30获得的反射光的波长特性；以及运算处理装置50，其对频谱分析仪42的输出值进行运算处理。此外，图示了频谱分析仪42的电源装置43。
如果从外部施加驱动电压，则MFC致动器21在其面内的一个方向上发生比较大的变形。利用该特性，控制装置41对MFC致动器21施加驱动用的电压，向构造用复合材料Z施加瞬间的振动。
光纤传感器30是FBG(FiberBraggGrating)光纤传感器，如图2(a)的概略构成图所示，由光纤34构成，该光纤34在纤芯部32具有反射规定波长光的光栅部33。
光纤34的一端与频谱分析仪42连接，通过该频谱分析仪42所具有的光源，将一定范围的波长波段的照射光向纤芯部32入射。从该频谱分析仪42入射的光纤在纤芯部32中传播，利用光栅部33而仅一部分波长的光被反射。
图2(b)是表示纤芯部32的光行进方向上的折射率变化的线形图，图中的范围L表示光栅部33中的折射率。
如该图所示，光栅部33构成为，使纤芯部32的折射率以一定的周期变化。光栅部33在该折射率变化的边界部分仅选择性地反射特定波长的光。如果对该光栅部33通过施加振动而施加变形等干扰，则伴随着光栅间隔的变化(伸缩)，反射光的波长也变化。
在这里，如果将纤芯部的实际折射率设为n，将光栅间隔设为Λ，将普克尔系数设为P11、P12，将泊松比设为v，将施加变形设为ε，将光纤材料的温度系数设为α，将温度变化设为ΔT，则FBG光纤传感器的反射光的波长变化ΔλB为下列式子(1)所示(AlanD.Kersey，FiberGratingSensors”JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY，Vol.15，No.8，1997)。
数1
λ B = 2 n Λ ( { 1 - ( n 2 2 ) [ P 12 - ν ( P 11 + P 12 ) ] } ϵ + [ ( d n d T ) n ] Δ T ) ... ( 1 )
因此，如果光栅部33发生振动，则光栅部33的变形量ε发生变化，其结果，与变形量ε相对应，反射光的波长也变动。振动如果从其振动源被良好地传播，则光栅部33发生大的变形，波长的变化量ΔλB发生大的变动，振动如果从其振动源没有被良好地传播，则光栅部33发生小的变形，波长的变化量ΔλB发生小的变动。
MFC使纤维状的压电元件发生轴向的垂直变形，FBG检测在纤维状的光纤上发生的轴向变形。因为这些元件不具有共振频率，具有较宽的频率特性，其举动具有很强的指向性，所以传播路线明确。根据这两点特征，在本测量系统中，可以使宽频带的兰姆波具有方向性地传播。另外，因为FBG和MFG都是小型·轻型的，柔软且断裂变形也高，所以具有与结构完整性监视相适应的特征，即，可以与层压板成为一体，具有即使在大的变形之下也不会断裂的高可靠性。
图3(a)表示的是光纤传感器和与其连接的频谱分析仪42的构成例。如图3(a)所示，频谱分析仪42具有：光源61；光循环器62；AWG模块63；以及光电变换器60。在本构成例中，将直列设置4个反射波长不同的光纤传感器30a～d的光纤34，连接到频谱分析仪42上。作为最少的结构，有一个光纤传感器30即可。
光源61是包含光纤传感器30a～d的反射波长的所有振动范围的宽频带的光源。这是为了即使光纤传感器30a～d的反射波长由于兰姆波而发生振动，也可以总是获得完全的反射光。
光循环器62使来自于光源61的光向光纤传感器30a～d侧行进，并将从光纤传感器30a～d返回的反射光向光纤69导出。向光纤69导出的反射光被导入至AWG模块63的输入端口P0。
AWG模块63具有AWG基板64。在AWG基板64上，利用光波回路技术在玻璃基板上形成单片集成的光波回路。AWG基板64上的光波回路，具有输入输出板状导波路65、66、排列导波路67、以及输出导波路68，构成与输入端口P0并联的通带不同的8个光学滤波器。AWG基板64上的光波回路，通过对多种波长的输入光进行分配并使其透过8个光学滤波器，从而进行波长分离，并向8个输出端口P1～P8平行输出。但是，在实际应用时，输出端口并不限定于8个。
与8个输出端口P1～P8相对应的各光学滤波器的通带如图3(b)的光谱图所示。例如在图3(b)中，使下述反射光向某一个光学滤波器通过并向输出端口P3输出，该反射光相当于具有中心波长λ2的反射波长的光纤传感器30b的反射光输入分布70与通带71重合的部分，同时，使相当于与其并行并与通带72重合的部分的反射光通过另一个光学滤波器，并向输出端口P4输出。同样地，反射中心波长λ1的光纤传感器30a对应于输出端口P1、P2，反射中心波长λ3的光纤传感器30c对应于输出端口P5、P6，反射中心波长λ4的光纤传感器30d对应于输出端口P7、P8，可以以同样的原理进行波长分离。作为上述的最少结构，光纤传感器30有一个即可，在此情况下，使用2个光学滤波器即足够。
作为代表，对来自于1个光纤传感器30的反射光的处理内容参照图4进行说明。
如图4(b)所示，示出来自于光纤传感器30的反射光的输入分布73T。在通过MFC致动器21施振时，以MFC致动器21作为起振源的兰姆波在构造用复合材料Z中传播，光纤传感器30使与从构造用复合材料Z传播的兰姆波对应而输出的反射光的波长振动。该波长的振动成为如图4(a)中的输入波73W。
通过该波长的振动，如图4(b)中所示的反射光输入分布73T，向上位和下位上交互偏移而发生微小的振动，波长的值重复增减。
在这样的波长振动中，图中73C是反射光输入分布73T的中心波长的振动中心。其中一个光学滤波器的通带75T的中心波长75C被固定在振动中心73C的上位。另外，另一个光学滤波器的通带74T的中心波长74C被固定在振动中心73C的下位。
另外，中心波长75C及中心波长74C被固定在距离振动中心73C为大于或等于反射光的波长振动的振幅的位置上。
而且，反射光输入分布73T在静止时，上位的通带75T的下位侧的倾斜75T-1，与反射光输入分布73T的上位侧的倾斜73T-1相重叠，上位的通带75T和反射光输入分布73T之间，以大于或等于波长振动的振幅的幅度重合。
同样地，反射光输入分布73T在静止时，下位的通带74T的上位侧的倾斜74T-1与反射光输入分布73T的下位侧的倾斜73T-2相重叠，下位的通带74T和反射光输入分布73T之间，以大于或等于波长振动的振幅的幅度重合。
通过对反射光输入分布73T以上述的位置关系固定通带75T及通带74T，从而可以高灵敏度地检测出反射光的波长振动。
上位的光学滤波器使相当于反射光输入分布73T与通带75T重合部分的反射光通过并输出。同样地，下位的光学滤波器使相当于反射光输入分布73T与通带74T重合部分的反射光通过并输出。
因此，如果反射光的波长的值增加，反射光输入分布73T向上位偏移，则具有通带75T的上位的光学滤波器的输出值增加，具有通带74T的下位的光学滤波器的输出值减少。相反，如果反射光的波长的值减少，反射光输入分布73T向下位偏移，则具有通带75T的上位的光学滤波器的输出值减少，具有通带74T的下位的光学滤波器的输出值增加。
因此，在反射光的中心波长的变化如图4(a)所示随着输入波73W而振动时，具有通带75T的上位的光学滤波器的输出值生成图4(c)所示的输出波75W，具有通带74T的下位的光学滤波器的输出值生成图4(c)所示的输出波74W。如图4(c)所示，输出波74W和输出波75W成为彼此反相位的波动。
根据上述的原理，图3所示的频谱分析仪42在施振时，分别向8个输出端口P1～P8输出光波，这些光波通过光电变换器60变换为电力信号并向外部输出。频谱分析仪42的输出经由未图示的接口进行A/D变换，输入至运算处理装置50。
运算处理装置50如图5所示，具有：CPU51，其按照程序进行运算处理；ROM52，其存储用于进行各种处理及控制的程序；RAM53，其在各种处理中作为暂时存储数据等的作业区域；接口54，其用于与控制装置41之间接受和发送数据；接口55，其输入来自频谱分析仪42的数据；图像输出接口57，其将运算结果的显示数据变换为与显示装置56相适应的格式的图像信号，并向显示装置56输出；以及总线58，其在上述各种结构间进行各种指令或数据的传送。
损伤探测系统10通过设置在作为损伤探测对象的构造用复合材料Z上的MFC致动器21，对构造用复合材料Z施加振动，同时根据由光纤传感器30检测出的振动波的传播状态，探测在光纤传感器30的附近是否发生损伤。因此，运算处理装置50通过CPU51使用在ROM52中存储的各种程序和RAM53进行处理，而执行下述说明的各种功能。
CPU51按照在ROM52中存储的程序控制控制装置41的动作，以对MFC致动器21施加驱动用电压。在存在多个MFC致动器21的情况下，任意一个均可作为选择的MFC致动器21，例如在作为振动的发生源的情况下，优选选择在光纤传感器30的光栅部33之间，存在容易产生构造用复合材料Z的损伤的部分的MFC致动器。
CPU51按照在ROM52中存储的程序进行如下处理：施加驱动用电压，在由MFC致动器21进行施振过程中的一定期间，从频谱分析仪42中取出8个并列输出的输出波数据，并存储在RAM53中。
CPU51发出控制指令，通过MFC致动器21对构造用复合材料Z施加兰姆波的超声波振动，将其施振时获得的光学滤波器的输出波74W和输出波75W的差动信号f(t)数值化而获得。例如，可以获得如图7(a)所示的差动信号f(t)。
并且，CPU51根据下列式子(2)对f(t)数据实施小波变换。由此，f(t)数据被变换为在频率及传播时间的2维上展开的传播强度分布数据。本数据相当于兰姆波向光纤传感器30的传播强度分布，图示例如如图7(c)所示。
数2
【损伤探测动作】
使用上述说明的基本结构，将如图19及图21所示的MFC致动器21、21及光纤传感器30、30分别设置于构造用复合材料Z的正反面的相同位置，执行下述的损伤探测动作。
CPU51通过对正反面的MFC致动器21、21起振同相位的波，而对构造用复合材料Z仅以对称模式起振，如上述所述，对f(t)数据施加小波变换，从而获得如图11(a)所示的仅有S模式的频率及传播时间在2维上展开的数据。其后，CPU51基于图8所示的理论分散曲线，确定S0模式、S1模式、S2模式等模式，并计算特定模式中在每个频率下的产生小波系数最大值的传播时间。例如，在使特定模式为S0模式及S1模式的情况下，如图23所示确定产生小波系数最大值的频率和传播时间的关系。这是从2维展开数据中抽出的一个特征值中的一个测量结果。
CPU51将其如图23所示显示在显示装置56上。CPU51同时显示对是否存在损伤状态未知的被检测体的检测结果、和对与前者结构相同的损伤状态已知的构造体的检测结果。检查人员参照该结果，通过对它们进行比较，可以推定是否存在损伤以及损伤的规模。
另外，S0模式及S1模式的传播时间，因为随着层间剥离长度的增加而增加，所以例如如图26所示，CPU51以相对于不存在损伤的情况的传播时间的增加量的形态显示。检查人员对此进行参照，可以推定是否存在损伤以及损伤的规模。
另外，CPU51也可以更进一步采取如下方式的处理：基于在ROM52等中存储的多个对损伤状态已知的构造体的检测结果、和对损伤状态未知的被检测体的检测结果，对该被检测体的损伤规模进行推定运算，并将其结果显示在显示装置56上。
此外，为了取得对称模式(S模式)的数据，也可以以下述方法取代上述方法：通过将正反面的光纤传感器30、30的输出值相加而抵消非对称模式，取得强调了对称模式的2维展开数据(传播强度分布数据)。
另外，CPU51通过对正反面的MFC致动器21、21起振反相位的波，而对构造复合材料Z仅施振非对称模式，并如上述所述，对f(t)数据施加小波变换，从而获得例如图11(b)所示的仅有A模式的频率及传播时间在2维上展开的数据。其后，CPU51基于图8所示的理论分散曲线，确定A0模式、A1模式等模式，并计算特定模式中在每个频率下的产生小波系数最大值的传播时间。例如，在使特定模式为A1模式的情况下，如图22所示的产生小波系数最大值的频率和传播时间的关系被确定。这是从2维展开数据中抽出的一个特征值中的一个检测结果。
CPU51将如图22所示的内容显示在显示装置56上。CPU51同时显示对是否存在损伤状态未知的被检测体的检测结果、和对与前者结构相同的损伤状态已知的构造体的检测结果。检查人员对它们进行参照，通过对它们进行比较，可以推定是否存在损伤以及损伤的规模。
另外，因为A1模式的传播时间在损伤部分由于由A1模式向传播速度快的S0模式变换而减少，所以CPU51如图25所示，以相对于没有损伤的情况的传播时间减少量的形态显示。检查人员对此进行参照，可以推定是否存在损伤以及损伤的规模。
另外，CPU51对于A1模式，计算传播时间相对于频率的变化率。该变化率例如是对图22的250～400(kHz)的范围的各试验片的测量数据群计算近似直线，相当于该近似直线的斜率。这也是从2维展开数据中抽出的一个特征值中的一个测量结果。CPU51对该变化率(斜率)，例如以如图24所示的数值及图表的方式显示。在此，CPU51也同时显示对是否存在损伤状态未知的被检测体的检测结果、和对与前者结构相同的损伤状态已知的构造体的检测结果。检查人员对它们进行参照，并通过比较它们，可以推定是否存在损伤以及损伤的规模。
另外，CPU51也可以更进一步基于在ROM52等中存储的多个对损伤状态已知的构造体的检测结果、和对损伤状态未知的被检测体的检测结果，对该被检测体的损伤规模进行推定运算，并将其结果显示在显示装置56上。推定运算的基础数据为上述的S0模式及S1模式的传播时间的增加量、A1模式的传播时间的减少量、及变化率(斜率)中的任意1个或者大于或等于2个的数据。
此外，为了取得非对称模式(A模式)的数据，也可以以下述方法取代上述方法：通过将正反面的光纤传感器30、30的输出值相减而抵消对称模式，取得强调了非对称模式的在2维上展开的数据(传播强度分布数据)。
在上述的实施方式中，将2个光学滤波器的输出值的差动信号作为小波变换的基础数据，但本发明并不限于此，也可以将1个光学滤波器的输出值作为小波变换的基础数据。
另外，在上述实施方式中，计算特定模式的小波系数的最大峰值，但只要是适于与取得兰姆波的特定模式相比较的参数，任何参数的值均可。
另外，在上述实施方式中，作为将光纤传感器的检测值在频率及传播时间的2维上的展开的变换，应用小波变换，但本发明并不限于此，也可以应用短时间傅里叶变换等其它的变换方法。
【验证实验·分析】
下面，为了对本发明的理论进行说明及为了作为对本发明的实施的参考，根据下述的实验·分析展示验证内容。
[1.模式同定法(模式分离法)]
首先，将仿真各向同性CFRP层压板(T700S/2500，東レ(株)，[45/0/-45/90]3s，厚度3.4mm)作为对象进行测量。MFC(M-2814-P2，SmartmaterialCo.，Ltd.)的长度为6mm，宽度为14mm，厚度为0.3mm，FBG传感器(フジクラ(株))的传感器长度为1.5mm，包裹聚酰亚胺后的直径为150μm。将二者相距100mm贴在CFRP层压板表面上进行测量。粘贴使用作为腈基丙烯酸酯类粘接剂的“アロンアルフア”(コニシ(株))。向MFC输入的信号，使用如图6所示的在fc＝400kHz的正弦波1个周期上施加汉明窗的宽频带信号。并且由MFC起振、在层压板中传播并由FBG传感器受振的兰姆波的受振波形，为了除去噪声而对32768次的测量波形进行平均。其后，对获得的受振波形进行信号分析，对在受振波中包含的模式分散性在时间-频率的区域中表示。在信号分析中，作为窗函数而使用多要素Morlet函数，执行1维的多要素连续小波分析。由FBG传感器受振的受振波形、其傅里叶光谱、及小波变换结果如图7所示。根据该结果，可以确认未以特定的频率出现大的峰值，而是以宽频带的成分受振。另外，根据小波变换的结果，可以观察到速度及频率不同的多个模式，从而知道存在模式分散性。下面，为了同定在这条受振波形中出现的各种模式，而导出理论分散曲线。
在与上述实验相同的3.4mm的CFRP层压板中，在传播距离为100mm的位置上导出的到达时间的理论分散曲线如图8所示。另外，在这条分散曲线上，将高次模式的到达时间急剧变慢并无限大发散的频率称为截止频率。如果将这条理论分散曲线与之前的受振波形的小波变换结果相比较，则可以明确模式分散性在二者之间非常一致。但是，在多个模式重合的大于或等于300kHz的频率区域中，难以进行模式的同定，为了进行正确的模式同定，需要对这些重合的模式进行分离。
因此，作为对这些模式进行分离的方法，使用将MFC和FBG传感器分别粘贴在层压板上下面的相同位置的方法。如图9所示，将MFC粘贴在上下表面的相同位置上，如果相互之间起振同相位的波，则仅可以起振对称模式。相反，如果起振反相位的波，则仅可以起振非对称模式的波。
另外，如图10所示，将FBG传感器粘贴在上下表面的相同位置上，如果取得在板的上下面上的受振波形的和，则可以分离出对称模式，如果取得它们的差则可以分离出非对称模式。
使用这两种方法，分离出包含在受振兰姆波中的S(对称)模式和A(非对称)模式，分别对它们进行小波变换后，与之前的理论分散曲线相比较，进行模式同定的结果如图11所示。其结果，通过进行模式分离，多个模式的重合被消除，可以进行正确的模式同定。并且，可以确认在受振波形中存在A0、S0、A1、S1、S2模式。
根据上述的结果，如果使用上述的模式分离方法，可以同定在受振兰姆波中包含的各种模式。
[2.特定模式的传播时间的变化原因(层间剥离部的模式变换举动)]
在上节中对各模式进行了同定，可以理解在测量结果中包含的模式分散性。下面，对由该模式分散性的变化产生的模式变换举动通过实验和分析进行解释。
(1)根据剥离部分的板厚度变化而进行的模式变换
因为兰姆波的传播速度依赖于频率和板厚度的积，所以如果板厚度发生变化，则兰姆波的模式分散性也发生变化。因此，如图12所示，如果在层压板内部发生层间剥离，则因为在剥离部分传播路线的板厚度比完整部分减少，所以在完整部分和剥离部分的模式分散性不同。根据这种模式分散性的变化，可以认为从完整部分传播来的兰姆波中产生模式变换，在剥离部分中以与完整部分所不同的模式形态传播。
例如，在板厚度为3.4mm的层压板中，作为频率为300kHz的兰姆波的传播形态，存在A0、S0、A1三种模式，但如果在层压板的中央发生层间剥离，剥离部分的板厚度变为1.7mm，则只存在A0、S0两种传播形态。
因此，在完整部分作为A1模式传播的兰姆波，在剥离部分发生模式变换，作为A0、S0模式传播。但是，从理论分散曲线中无法求得在剥离部分以哪种模式进行传播。因此，通过实验和有限元分析解释在实际的层间剥离部分产生的模式变换举动。
(2)实验
为了解释在实际的层间剥离的开始端部分产生的模式变换举动，模拟在仿真各向同性CFRP层压板(T700S/2500，東レ(株)，[45/0/-45/90]3s，厚度3.4mm)的板厚度方向的中央部分中存在层间剥离的情况。此外，为了根据模式分离进行受振兰姆波的模式同定，并为了测量剥离部分的模式分散性，需要在仿真的层间剥离的内表面粘贴FBG传感器。因此，需要准备两张厚度为1.7mm的CFRP层压板，在其中一张上粘接FBG传感器之后，使粘接FBG传感器的面朝向内侧，从板的一端在60mm的范围内使用环氧类粘接剂的AralditeStandard(ハンツマン·アドバンスト·マテリアル(株))进行粘接。为了仿真层压构成[45/0/-45/90]3s，两张CDRP层压板以层压构成[45/0/-45/90]3s制作，并在粘接面对称粘接。试验片的尺寸如图13所示。另外，板的宽度为90mm。
在层压板的上下表面各粘贴一个长度为6mm，宽度为14mm，厚度为0.3mm的MFC(M-2814-P2)。另外，在距离MFC前端为30mm、板厚度为3.4mm的位置(完整部分)，以及距离MFC的一端为70mm、板厚度为1.7mm的位置(剥离部分)上，在层压板的上下表面粘贴FBG传感器，接受兰姆波。在实验中使用的FBG传感器(フジクラ(株))的长度为1.5mm，包裹聚酰亚胺后的直径为150μm。粘贴元件时使用“アロンアルフア”(コニシ(株))。输入信号是fc＝400kHz的正弦波的1个周期的施加汉明窗的信号，为了去除受振波形的噪声，而对32768次测量波形进行平均。使用上下面的MFC，通过仅起振S(对称)模式所求得的S模式的模式变换举动如图14所示，通过仅起振A(非对称)模式的所求得的A模式的模式变换举动如图15所示。
根据图14的结果，在仅起振S模式的情况下，在完整部分仅观察到S0模式和S1模式。因为根据如图12(c)所示的板厚度为1.7mm情况下的理论分散曲线，知道在剥离部分处仅在大于或等于800kHz时才存在S1模式的情况，所以可以认为在完整部分观察到的S1模式在剥离部分处发生了模式变换，作为其它的模式传播。因此，如果观察在剥离部分存在的模式，则可以观察到S0和A1两种模式。其结果，可以确认在层间剥离的开始部分，发生“S1模式→S0模式、A1模式”这样的模式变换。
根据图15的结果，在仅起振A模式的情况下，在完整部分只可以观察A0模式和A1模式。因为根据图12(c)所示的板厚度为1.7mm情况下的理论分散曲线，知道在剥离部分处仅在大于或等于500kHz时才存在A1模式，所以可以认为在完整部分观察到的A1模式在剥离部分发生了模式变换，作为其它的模式传播。因此，如果观察在剥离部分存在的模式，则可以观察到S0和A1两种模式(A0模式因为到达时间缓慢，所以不作为模式变换的对象考虑)。可以认为这个在剥离部分观察到的A1模式没有发生模式变换，大于或等于500kHz的A1模式维持原状持续传播。因此，根据这种结果，可以确认在层间剥离的开始部分，发生“A1模式→S0模式”的模式变换。
(3)根据有限元分析进行验证
为了验证在上述(2)的实验中求得的模式变换举动，进行二维的有限元分析。在图16中表示有限元模型和其尺寸。在模型的构筑及分析中使用了LS-DYNA971。分析模型的要素使用的是2Dshell要素(平面变形)。为了也可以对波长短的高频波进行计算，将Mesh尺寸做成充分小的0.125mm。MFC和CFRP层压板的接触部分进行Node结合，向MFC输入的波形与实验相同，使用的是对频率为400kHz的正弦波的1个周期施加汉明窗的波。另外，因为不能在LS-DYNA中计算压电效应，所以将压电效应作为MFC的伸缩方向的热膨胀率而施加、仿真。在上述的条件下，在如图16所示的三个受振点(完整部分：传播距离20mm、板厚度3.4mm，剥离部分：传播距离60mm、板厚度1.7mm，完整部分(剥离通过后)：传播距离100mm、板厚度3.4mm)上，计算x方向变形的时间经历作为受振波形。使用上下面的MFC，通过仅起振S(对称)模式所求得的S模式的模式变换举动如图17所示，通过仅起振A(非对称)模式所求得的A模式的模式变换举动如图18所示。
根据图17的结果，可以确认在层间剥离的开始部分产生与实验相同的“S1模式→S0模式、A1模式”的模式变换。另外，在通过层间剥离后的完整部分，可以观察到与通过剥离前的完整部分相同的分散性，可以观察到S0和S1模式。考虑这种S1模式是剥离部分的S0模式、A1模式在剥离部分传播并返回完整部分时，在完整部分再次发生变换至S1模式的模式变换的结果。
下面，根据图18的结果，可以确认在层间剥离的开始部分，发生和实验相同的“A1模式→S0模式”的模式变换。另外，在通过层间剥离后的完整部分，可以观察到与通过剥离前的完整部分相同的分散性，可以观察到A0和A1模式。
考虑这种A1模式是剥离部分的S0模式在剥离部分传播并返回完整部分时，在完整部分发生再次变换至A1模式的模式变换结果。
根据上述所述，显示出根据实验求得的模式变换举动的有效性，而且也对在层间剥离结束的位置进行的模式变换进行了解释。结果，确认了在通过层间剥离部分时，存在下述的两种模式变换举动。
·“S1模式→S0模式、A1模式→S1模式”
·“A1模式→S0模式→A1模式”
根据这样的模式变换举动，在剥离部分传播时的模式和在完整部分传播时的模式不同。例如，在“A1模式→S0模式→A1模式”的模式变换中，如图19所示，在完整部分中在所有的传播路线中以A1模式传播，与此相对，如果发生剥离，则在该区域中以S0模式传播。这时，在完整部分(板厚度为3.4mm)的A1模式和在剥离部分的S0模式(板厚度为1.7mm)的传播速度具有如图20所示的不同，S0模式的传播速度比A1模式快。因此，发生剥离时在FBG传感器中受振的A1模式的到达时间比完整时快。这种到达时间的变化，是根据在完整部分传播的模式和在剥离部分传播模式的传播速度的差异、和剥离的长度而产生的。因此，通过将这种差异作为指标，可以对层间剥离进行检测、并对其剥离长度进行定量评价。
[3.通过人工层间剥离检测进行验证实验和分析]
(1)验证实验
通过实验验证在通过剥离部分之后的波中，是否在实际中发生到达时间的变化，以显示本发明的有效性。
因此，在CFRP仿真各向同性层压板的成型中，通过在板厚度方向中央的相邻成90°的层之间，嵌入两张重合的厚度为50μm的特氟隆(注册商标)薄膜，从而在板厚度方向的中央，制作出人工导入的剥离长度为L＝20、40、60mm的3种层间剥离的层压板。并且，以通过这些剥离区域的方式使宽频带的兰姆波传播，并测量受振波形。其实验构成如图21所示。MFC和FBG传感器分别粘接在板的上下表面的相同的位置上，进行与上节中解释的模式变换举动的情况相同的模式分离。
使用这种实验结构，使用导入的L＝20、40、60mm的人工剥离的层压板进行人工层间剥离的检测实验。将其结果与以完整的层压板(L＝0mm)为对象进行的测量结果相比较，并对到达时间的变化进行评价。
因此，对受振波形进行小波变换后，抽出各频率的小波系数的最大值。在存在层间剥离的情况下的这种小波系数最大值的时刻与完整状态下相比较的变化量，与到达时间的变化量相对应。
在使用上下面的MFC起振A模式的情况下，在L＝0、20、40、60mm时，在由FBG传感器测量的A模式的“每个频率的小波系数最大值出现的时间”中，对到达时间变化比较大的200～700kHz的A1模式的测量结果，如图22所示。
下面，在使用上下面的MFC起振S模式的情况下，在L＝0、20、40、60mm时，对由FBG传感器测量的S模式的“每个频率的小波系数最大值出现的时间”中，对到达时间发生变化的400～600kHz的S0、S1模式的测量结果，如图23所示。
通过图22可以观察到，随着剥离长度变长，A1模式的到达时间变快。另外，也可以观察到，在200～500kHz频率区域中的模式分散性的斜率发生变化。这是因为，如图20所示，越接近A1模式的截止频率(频率变低)，S0模式和A1模式的传播速度的差越大。
另外，从图23中可以观察到，随着剥离长度变长，S0、S1模式的到达时间变慢。
根据上述结果显示出，如果发生层间剥离，则到达时间确实会发生变化，证明本发明是有效的。
(2)通过有限元分析法进行验证
将在上述2.(3)中使用的二维有限元分析模型的层间剥离长度变为L＝20、40、60mm，以与上述实验相同的实验结构进行分析。之后，与实验相同地，对A1模式和S0、S1模式求得振幅最大值，如果观察到达时间的变化，则与实验(图22、图23)的结果非常一致，可以观察到同样的变化。
(3)剥离长度的定量评价
将在上述(1)的实验结果和上述(2)的分析结果中观察到的到达时间的变化及模式分散性的斜率作为指标，说明出对剥离长度进行定量评价的可能性。
根据到达时间发生变化的频率区域的振幅最大值的图表，计算出线形近似直线，并利用该近似直线求得下述的指标。指标分别从实验结果和分析结果中求出。作出各剥离长度对各指标的图表，结果如图24、25、26所示。图24表示的是250～400kHz的A1模式的模式分散性的斜率，图25表示的是在300kHz时A1模式的到达时间的减少量，图26表示的是在400kHz(分析是350kHz)时S0、S1模式的到达时间的增加量。
根据图24的结果可以观察到，随着剥离长度变大，模式分散性的斜率变小。另外，根据图25、26的结果可以观察到，随着剥离长度变大，A1模式的到达时间的减少量和S0、S1模式的到达时间的增加量变大。而且，这些指标基本上与剥离长度成正比地变化。因此，可以通过使用这些指标定量评价剥离长度。
[4.结论]
如上述所述，首先，进行在宽频带超声波起振受振系统中测量的宽频带兰姆波的各模式的同定。作为其方法，提出了分离对称/非对称模式的方法，并示出如果使用这种分离方法可以进行模式同定。
然后，通过实验和分析解释了在层间剥离部分的模式变换举动，确认了存在“S1模式→S0模式，A1模式→S1模式”、“A1模式→S0模式→A1模式”这两种模式变换举动。
其后，通过实验和分析验证了利用了根据模式变换所造成的兰姆波的速度变化的本发明所涉及的剥离检测方法的有效性。结果，确认了可以观察到剥离部分的速度变化影响到到达时间的变化。
最后示出，分别根据A1模式的模式分散性的斜率、和A1模式的到达时间的减少量、S0、S1模式的到达时间的增加量这三个指标，可以定量评价剥离长度。

Claims (5)

1.一种损伤诊断系统，其特征在于，具有：
施振装置，其向被检测体施加宽频带兰姆波的超声波振动；
振动检测传感器，其检测由所述被检测体传播的宽频带兰姆波；以及
处理装置，其控制设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述施振装置的起振动作，通过对所述正反面的所述施振装置起振反相位的波而起振兰姆波的非对称模式，或者，使用设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述振动检测传感器，对所述正反面的所述振动检测传感器的输出值进行减法运算，从而分离兰姆波的非对称模式，
所述处理装置，对由所述施振装置进行施振时获得的所述振动检测传感器的输出值进行变换，而获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，对于从兰姆波的非对称模式中选出的1个或者大于或等于2个的特定的非对称模式，计算在每个频率下的产生传播强度的最大值的传播时间，并确定产生该最大值的频率和传播时间的关系，
将确定的所述频率和传播时间的关系、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先确定的所述频率和传播时间的关系进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
2.根据权利要求1所述的损伤诊断系统，其特征在于，
所述处理装置，计算频率变化的情况下的、所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的变化率，来代替确定产生所述传播强度分布数据的最大值的频率和传播时间的关系，
将计算的所述变化率、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先计算的所述变化率进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
3.根据权利要求2所述的损伤诊断系统，其特征在于，
所述处理装置，计算所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的、相对于所述被检测体没有损伤的情况的减少量，来代替计算所述变化率，
基于计算的所述减少量，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
4.一种损伤诊断系统，其特征在于，具有：
施振装置，其向被检测体施加宽频带兰姆波的超声波振动；
振动检测传感器，其检测由所述被检测体传播的宽频带兰姆波；以及
处理装置，其控制设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述施振装置的起振动作，通过对所述正反面的所述施振装置起振同相位的波而起振兰姆波的对称模式，或者，使用设置于所述被检测体的正反面相同位置的所述振动检测传感器，对所述正反面的所述振动检测传感器的输出值进行加法运算，从而分离兰姆波的对称模式，
所述处理装置，对由所述施振装置进行施振时获得的所述振动检测传感器的输出值进行变换，而获得频率及传播时间在2维上展开的传播强度分布数据，对于从兰姆波的对称模式中选出的1个或者大于或等于2个的特定的对称模式，计算在每个频率下的产生传播强度的最大值的传播时间，并确定产生该最大值的频率和传播时间的关系，
将确定的所述频率和传播时间的关系、以及在存储单元中存储的损伤状态已知的被检测体中预先确定的所述频率和传播时间的关系进行比较，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
5.根据权利要求4所述的损伤诊断系统，其特征在于，
所述处理装置，计算所述传播强度分布数据的最大值的传播时间的、相对于所述被检测体没有损伤的情况的增加量，来代替确定产生所述传播强度分布数据的最大值的频率和传播时间的关系，
基于计算的所述增加量，对该被检测体的损伤规模进行推定运算而显示。
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