CN102445496A

CN102445496A - 一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法

Info

Publication number: CN102445496A
Application number: CN2011103202586A
Authority: CN
Inventors: 何志全; 周丽; 冯勇明
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102445496B

Abstract

本发明公开了一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，属于结构健康监测技术领域。本发明方法包括：在所述板状结构上下表面对称设置两对压电元件，构成激励/传感阵列；依次将一组中心频率在一定频带内等间隔变化的窄带波激励信号加载到所述激励/传感阵列中激励端上下对称的两个压电元件上，从而在板状结构中激发Lamb波；同时利用所述激励/传感阵列中传感端上下对称的两个传感压电元件分别接收结构响应，得到四组响应信号；通过将响应信号转换为定义的四种中间信号，提取转换模态；根据转换模态能量进行损伤检测。相比现有技术，本发明通过结构简单的激励/传感阵列即可快速方便地实现板状结构损伤的定性检测。

Description

一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种损伤检测方法，尤其涉及一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，属于结构健康检测技术领域。

背景技术

随着对工程结构的安全可靠性要求的不断提高，结构健康的检测和诊断技术也日益发展。作为工程结构主要形式之一的板状结构，其结构健康在线监测得到极大重视。基于主动Lamb波的损伤监测技术是目前板状结构健康监测的研究热点。该技术通过设置在板状结构表面的压电激励/传感阵列在板状结构中激励出Lamb波，并对结构响应信号进行分析处理，从而判断结构中是否存在损伤以及得到损伤位置、范围等参数。目前大多数主动Lamb波损伤检测方法均采用了基于基准信号的信号处理方法：以结构健康状态下的响应信号作为基准信号，用当前状态下的结构响应信号与基准信号进行比较，从而得到结构损伤情况。但由于当前结构响应信号与基准信号的采集时间不同，内部和外部条件（例如环境温湿度、外部振动、驱动/传感阵列性能等）通常会发生变化，当两者的信号采集时间间隔较长时，此种情况更为严重。这不仅会使损伤检测难以得到准确结果，还影响了检测的实时性。特别是当采集基准信号时，如果结构中已经存在损伤时，就更无法得到正确的检测结果。

为了克服现有基于基准信号的主动Lamb波损伤检测方法所存在的缺陷，有人对无基准的主动Lamb波损伤检测技术进行了研究。例如一篇中国发明专利（申请号为200810242944.4，申请日为2008.12.30，公开号为CN101451977A，公开日为2009.6.10）公开了一种基于双元压电传感阵列和时间窗函数的无基准Lamb波损伤监测方法。该方法通过设置在结构表面的一组压电激励/传感阵列在结构中激励出Lamb波，并提取结构响应信号，然后利用时间窗函数对结构响应信号进行处理分析，从而得到结构的损伤情况。该方法不需要依赖基准信号即可实现结构损伤的定量检测和成像。但需要采用较多的压电元件组成的激励/传感阵列，且信号处理和计算十分复杂，对监测系统的性能要求较高。实际上，大多数情况下，并不需要对结构损伤进行精确的定量检测，而只需要方便快捷地得到定性检测结果，即判断出结构中是否存在损伤，即可。因此，有必要寻找一种简便快捷的结构损伤定性检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，通过结构简单的激励/传感阵列快速方便地实现板状结构损伤的定性检测。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤A、在所述板状结构上下表面对称设置两对压电元件，构成激励/传感阵列；

步骤B、依次将一组中心频率在一定频带内等间隔变化的窄带波激励信号加载到所述激励/传感阵列中激励端上下对称的两个压电元件上，从而在板状结构中激发Lamb波；同时利用所述激励/传感阵列中传感端上下对称的两个传感压电元件分别接收结构响应，得到四组响应信号；

步骤C、对四组响应信号进行以下处理：

步骤C1、对各窄带波激励信号下的响应信号，分别按照下式进行处理，得到各窄带波激励信号下的四种中间信号M1—M4，

M1=(AC-BD)/2；

M2=(AD-BC)/2；

M3=[(AC-BD)+(AD-BC)]/4；

M4=[(AC-BD)-(AD-BC)]/4；

式中，AC和BD分别为两个共面激励/传感通道的响应信号，AD和BC分别为两个异面激励/传感通道的响应信号；

步骤C2、分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值；

步骤D、根据下式是否成立判断所述板状结构中是否存在损伤，如成立，则板状结构中存在损伤；如不成立，则不存在损伤，

|min（E1，E2）-max（E3，E4）|> max（|E1-E2|，|E3-E4|）,

式中，E1、E2、E3、E4分别表示四种中间信号M1—M4的能量均值。

优选地，所述步骤B中所述一定频带是指100KHz-250KHz。

优选地，步骤B中所述间隔为10KHz。

进一步地，步骤C2中在分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值前，先对这四种中间信号进行规范化处理。

进一步地，所述分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值，具体按照以下方法：首先对每种中间信号中对应不同激励频率的每一个信号进行快速傅里叶变换求出其频响函数从而得到它们的传递阻抗；在得到传递阻抗之后，每种信号的总能量通过在所有频率范围内对它们的频响函数幅值求和计算出来；最后，通过对中间信号的总能量取平均求得能量均值。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的方法能快速有效的实现结构的损伤识别，保证结构在使用过程中的安全性；

（2）本发明的方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现；

（3）本发明的方法采用无基准裂纹检测技术，克服了有基准技术的一系列技术缺陷，指标提取方法简单、快速，能有效地降低环境因素对损伤指标准确度的影响，提高了裂纹检测的及时性、准确性和稳定性；

（4）只要结构中存裂纹，它就将导致模态变换现象，因此，本发明方法无论是对单一损伤还是多重损伤都可以进行检测，即使损伤不在波传播通路上。

附图说明

图1为本发明方法所使用的激励传感阵列结构示意图；

图2为无损与损伤状态下的响应信号组成示意图；

图3为本发明所使用的激励信号；

图4为无损及损伤状态得到的四种中间信号（以150kHz激励频率为例）；

图5为无损及损伤状态四种中间信号的传递阻抗；

图6为无损状态四种中间信号的平均能量及能量差异；

图7损伤状态四种中间信号的平均能量及能量差异。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法包括以下步骤：

步骤A、在所述板状结构上下表面对称设置两对压电元件，构成激励/传感阵列。

本实施例中所使用的激励/传感阵列结构如图1所示（图中左侧为无损状态的试件，右侧为损伤状态，图中箭头表示压电元件的极化方向），由A、B、C、D这四个压电元件构成，粘贴于待测板状结构表面，其极化方向均垂直于板状结构表面，且上、下表面的压电元件极化方向相反。如以其中相对于板状结构对称布置的压电元件A、B作为激励/传感阵列的激励元件，以相对于板状结构对称布置的压电元件C、D作为激励/传感阵列的传感元件，则该激励/传感阵列可产生A-C、A-D、B-C、B-D这四条激励/传感通路，其中A-C和B-D为共面激励/传感通路，A-D和B-C为异面激励/传感通路。

步骤B、依次将一组中心频率在一定频带内等间隔变化的窄带波激励信号加载到所述激励/传感阵列中激励端上下对称的两个压电元件上，从而在板状结构中激发Lamb波；同时利用所述激励/传感阵列中传感端上下对称的两个传感压电元件分别接收结构响应，得到四组响应信号。

本具体实施方式中，试件为长600mm、宽150mm、厚3mm的 LY12铝板。压电元件对称布置，共面的压电元件相距150mm。损伤状态时，损伤用一条长60mm、宽1mm、深1.5mm的刻痕来模拟。刻痕更靠近激励端，距激励端40mm。通过信号发生器和功率放大器将一组中心频率在100KHz~250kHz之间以10kHz为步长变化的窄带波信号依次加载到激励元件A和B上，在结构中激发Lamb波，该信号为正弦调制信号，如图3所示。通过传感端C和D，经电荷放大器放大将结构响应信号采集到控制计算机中，从而通过每一条激励/传感通路得到一组不同频率激励信号下的响应信号。为了验证本发明方法是否可以做出正确的监测，实验分别在结构无损伤状态和损伤状态下进行。图2为无损和损伤状态下的响应信号组成示意图，图中由上至下依次为A-C、A-D、B-C、B-D激励/传感通路的响应信号，分别用AC、AD、BC、BD表示；图中左侧为无损状态的响应信号，右侧为损伤状态的响应信号。

步骤C、对四组响应信号进行以下处理：

M1=(AC-BD)/2；

M2=(AD-BC)/2；

M3=[(AC-BD)+(AD-BC)]/4；

M4=[(AC-BD)-(AD-BC)]/4；

式中，AC和BD分别为两个共面激励/传感通路的响应信号，AD和BC分别为两个异面激励/传感通路的响应信号。

Lamb波在板状结构中传播时遇到损伤（例如裂纹）引起的中断，波的一部分将被反射而另一部分将透射过中断点，被反射以及透射的Lamb波将发生模态转换现象。在一定频率下激励产生的Lamb波中主要包含S0和A0两种模态，其中S0模态的传播速度较快。当S0模态首先到达并通过中断点时，它将新产生两种S0和A0模态，分别记为A0/S0和S0/S0；而后到达并通过的A0模态也将产生A0/A0和S0/A0模态。S0和A0模态信号之间的最先到达的两个转换模态被命名为MC1和MC2。因为S0传播速度比A0快，相应的S0/A0比A0/S0传播速度快，所以在理想条件下，当损伤的位置更接近激励端而距离接收端足够长时，模态MC1对应的是S0/A0而模态MC2对应的是A0/S0，所以MC1是对称的而MC2是反对称的。Lamb波模态的相对相位是随着压电元件所处位置的不同、压电元件的极性方向而变化的。因此，在图1所示压激励/传感阵列下，可得到如下结果：

1、信号AD中的MC1与AC中的MC1同相，而MC2与AC中的MC2反相；

2、信号BC中的MC1与AC中的MC1反相，而MC2 与AC中的MC2同相；

3、信号BD中的MC1与AC中的MC1反相，而MC2与AC中的MC2反相；

4、在理想情况下，所得四组信号中的基本模态S0和A0是完全一样的。

通过以上分析可以得出响应信号的简单组成及转换模态提取的简单方法：

各激励/传感通路响应信号的组成方式如（1）式所示：

AC=S0+(+MC1)+(+MC2)+A0；

AD=S0+(+MC1)+(-MC2)+A0；（1）

BC=S0+(-MC1)+(+MC2)+A0；

BD=S0+(-MC1)+(-MC2)+A0；

分别定义四种中间信号M1—M4，其定义如下：

M1=MC1+(+MC2)；

M2=MC1+(-MC2)；（2）

M3=MC1=(M1+M2)/2；

M4=MC2=(M1-M2)/2；

根据式（1）、（2），可得到如下式（3）

M1=MC1+(+MC2)=(AC-BD)/2；

M2=MC1+(-MC2)=(AD-BC)/2；（3）

M3=MC1=(M1+M2)/2=[(AC-BD)+(AD-BC)]/4；

M4=MC2=(M1-M2)/2=[(AC-BD)-(AD-BC)]/4；

这样就可通过对四组响应信号进行简单的加减，即可提取出消去了基本模态S0和A0，而只包含转换模态MC1和/或MC2的四种中间信号M1—M4，其中M1、M2包含两种转换模态（MC1和MC2），可称其为A类中间信号；M3、M4仅包含一种转换模态（MC1或MC2），可称其为B类中间信号。根据A、B两类中间信号的组成可知，理想状态下A类信号的平均能量应该是B类的两倍。图4显示了无损和损伤状态下提取出的150KHz激励信号下的中间信号M1—M4，图中由上至下依次为中间信号M1—M4；图中左侧为无损状态的中间信号，右侧为损伤状态的中间信号。

步骤C2、对四种中间信号M1—M4进行规范化处理并分别计算其能量均值。

对信号进行规范化处理的目的在于使四种中间信号M1—M4具有相同的振幅。消除Lamb波在结构中传播时因衰减效应而带来的误差，使得的能量差异只因初始误差和模态转换引起。具体操作方法如下：

首先计算每组信号所有数据点中最大值与最小值之差求出信号的峰谷值，然后计算信号的每一个数据点与响应峰谷值的比值作为新的信号数据点。从而得到规范化信号。

本发明通过传递阻抗计算能量均值。在这里，传递阻抗定义为激励信号的频率等间隔变化时，激励/传感元件间的频响函数，它将从中间信号M1-M4中计算出来。计算方法如下：对每种中间信号中对应不同激励频率的每一个信号进行快速傅里叶变换求出其频响函数从而得到它们的传递阻抗；图5显示了无损状态和损伤状态下，四种中间信号M1—M4的传递阻抗。图中由上至下依次为M1—M4的传递阻抗；图中左侧为无损状态的传递阻抗，右侧为损伤状态的传递阻抗。在得到传递阻抗之后，每种信号的总能量通过在所有频率范围内对它们的频响函数幅值求和计算出来。最后，通过对中间信号的总能量取平均求得能量均值。

|min（E1，E2）-max（E3，E4）|> max（|E1-E2|，|E3-E4|）,

当信号中存在模态重叠时，所得的两类信号的传递阻抗可能不完全满足2:1的关系。另外，结构处于无损状态时，由于初始误差的存在，A、B两类信号的能量比可以是任意值。在考虑模态重叠和初始误差的前提下，如果损伤导致的模态转换现象存在，A类信号的传递阻抗应该比B类信号的大。将A、B两类信号之间能量差异的最小值|min（E1，E2）-max（E3，E4）|定义为类外能量差异，记作D1，它表示因模态转换现象而产生的能量差异的最小值；而将A、B两类信号自身能量差异的最大值max（|E1-E2|，|E3-E4|）定义为类内能量差异，记作D2，它表示初始误差的最大值。基于以上结果，我们可以得到结构损伤定性判定依据如下：

“如果D1>D2，则存在损伤；否则,则不存在损伤”。该判定依据可以这样理解：如果结构损伤引起的模态转换所导致的能量变化比初始误差所引起的能量变化大时，则可以鉴定出结构损伤的存在。

图6和图7分别显示了无损状态、损伤状态下，四种中间信号的能量均值E1-E4及类内外能量差异值D1和D2。在无损状态下，D1<D2；而在损伤状态下，D1>D2；损伤检测结果准确。可见，本发明所提出的的基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法是有效而准确的。

Claims

1.一种基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤C、对四组响应信号进行以下处理：

M1=(AC-BD)/2；

M2=(AD-BC)/2；

M3=[(AC-BD)+(AD-BC)]/4；

M4=[(AC-BD)-(AD-BC)]/4；

步骤C2、分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值；

|min（E1，E2）-max（E3，E4）|> max（|E1-E2|，|E3-E4|）,

2.如权利要求1所述基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，其特征在于，步骤B中所述一定频带是指100KHz-250KHz。

3.如权利要求1所述基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，其特征在于，步骤B中所述间隔为10KHz。

4.如权利要求1所述基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，其特征在于，步骤C2中在分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值前，先对这四种中间信号进行规范化处理。

5.如权利要求1所述基于Lamb波的板状结构无基准快速损伤检测方法，其特征在于，所述分别计算四种中间信号M1—M4的能量均值，具体按照以下方法：首先对每种中间信号中对应不同激励频率的每一个信号进行快速傅里叶变换求出其频响函数从而得到它们的传递阻抗；在得到传递阻抗之后，每种信号的总能量通过在所有频率范围内对它们的频响函数幅值求和计算出来；最后，通过对中间信号的总能量取平均求得能量均值。