CN104076095A - 一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的绝热层脱粘检测方法：包括以下步骤：通过在待测结构上设置激励传感阵列设定激励端和对应的接收超声导波信号的接收端，将绝热层粘接完好状态下采集到的超声导波回波信号作为基准信号Em’将待检状态下采集到的超声导波回波信号作为监测信号记为Em”；分别计算基准信号Em’与监测信号Em”的香农熵，以两者差值的绝对值作为评价粘接状况的脱粘系数Dm。本发明公开的绝热层脱粘监测方法通过超声导波的大面积结构检测能力提高了传统单点无损检测的检测效率，实现在线、实时的绝热层脱粘监测。

Description

一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法，尤其涉及一种载荷-温度联合作用下的绝热层脱粘监测方法，属于带绝热层的板类工程结构健康监测领域。

背景技术

应用于工程的绝热层是保护结构安全十分重要的一部分，它往往处于温度-载荷的联合作用下，在服役过程中，容易在粘接界面出现脱粘，严重时可能引起安全事故，因而发展相关的绝热层脱粘检测技术一直备受重视。现有的脱粘检测技术，包括X射线，红外热成像，微波，超声波，激光等技术，在对界面粘接状态的无损检测中能发挥一定的作用，但大部分技术仅能单点检测，需要在结构上进行遍历搜索，往往费时费力。

针对板类结构，基于超声导波的损伤检测技术成为近年的研究热点，其良好的传播特性大大提高了检测效率。基于超声导波的损伤监测方法采用粘接式或嵌入式传感器激励接收导波，以健康信号作为基准信号，用当前状态的响应信号与基准信号相减，对得到的散射信号进行波程分析，再进行诊断成像，对结构损伤状况进行评估。然而对绝热层脱粘进行监测时，超声导波在带绝热层的板类结构中传播复杂，回波信号解释困难；而脱粘损伤通常不会产生明显的导波散射回波；其次导波传播除了受脱粘情况的影响，环境变化(如温度、载荷等)也会引起导波信号的显著变化，通常会导致提取的散射信号不能反应结构的损伤情况，造成错诊漏诊。因此目前对绝热层脱粘损伤，常规的超声导波损伤检测技术难以获得准确的脱粘状况。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法：该方法采用基于超声导波的损伤监测方法对绝热层脱粘损伤进行定位，具体包括以下步骤：

S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由n个压电元件组成的激励传感阵列,n为自然数；

S2:将上述激励传感阵列设置M条监测路径记做im-jm(m＝1,2,…,M),im表示第m条监测路径中作为激励端的压电元件，jm表示激励端的压电元件对应的接收端的压电元件；

S3：采用函数发生器和功率放大器激发窄带信号，将激发的窄带信号加载到S2中的监测路径中的某一个激励端的压电元件im上，在待测结构上产生超声导波，同时选定所述压电元件im对应接收端的压电元件jm接收超声导波信号，采集含绝热层粘接信息的超声导波回波信号；

S4：按照S3的方式完成剩余监测路径的信号采集，将采集到的超声导波信号记为Em；

S5：以绝热层粘接完好状态下采集到的超声导波回波信号作为基准信号Em’，将待检状态下采集到的超声导波回波信号作为监测信号记为Em”；

S6：分别计算基准信号Em’与监测信号Em”的香农熵，以两者差值的绝对值作为评价粘接状况的脱粘系数Dm；

S7:利用加权分布成像法把各个监测路径的脱粘系数Dm映射到待测结构上，获取损伤图像，对该待测结构上的绝热层脱粘损伤进行位置定位，对绝热层的粘接情况进行评估。

进一步的，步骤S3中所述窄带信号的带宽范围为600—1000kHz。

进一步的，所述步骤S6中的脱粘系数由基准信号和监测信号的香农熵计算得到。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明公开的绝热层脱粘监测方法能有效实现绝热层脱粘损伤的识别，保证带绝热层的板类结构在服役过程中的安全性。

2、本发明公开的绝热层脱粘监测方法通过超声导波的大面积结构检测能力提高了传统单点无损检测的检测效率，实现在线、实时的绝热层脱粘监测。

3、本发明确定的脱粘系数能有效地表征绝热层脱粘前后的特征差异，并且在温度-载荷联合作用下能有效抑制环境变化对脱粘识别的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中布置的激励传感阵列示意图；

图2为本发明中用于加权的椭圆分布示意图；

图3为本发明实施例中的一条基准信号和一条监测信号波形图；

图4为本发明实施例中脱粘监测诊断结果。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

本发明公开了一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法,采用基于超声导波的损伤监测方法对绝热层脱粘损伤进行定位，具体包括以下步骤：

S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由n个压电元件组成的激励传感阵列,n为自然数；

S2:将上述激励传感阵列设置M条监测路径记做im-jm(m＝1,2,…,M),im表示第m条监测路径中作为激励端的压电元件，jm表示激励端的压电元件对应的接收端的压电元件；

S3：采用函数发生器和功率放大器激发窄带信号，将激发的窄带信号加载到S2中的监测路径中的某一个激励端的压电元件im上，在待测结构上产生超声导波，同时选定所述压电元件im对应接收端的压电元件jm接收超声导波信号，采集含绝热层粘接信息的超声导波回波信号；

S4：按照S3的方式完成剩余监测路径的信号采集，将采集到的超声导波信号记为Em；

S5：以绝热层粘接完好状态下采集到的超声导波回波信号作为基准信号Em’，将待检状态下采集到的超声导波回波信号作为监测信号记为Em”；

S6：分别计算基准信号Em’与监测信号Em”的香农熵，以两者差值的绝对值作为评价粘接状况的脱粘系数Dm；

S7:利用加权分布成像法把各个监测路径的脱粘系数Dm映射到待测结构上，获取损伤图像，对该待测结构上的绝热层脱粘损伤进行位置定位，对绝热层的粘接情况进行评估。

优选的，步骤S3中所述窄带信号的带宽范围为600—1000kHz。

优选的，所述步骤S6中的脱粘系数由基准信号和监测信号的香农熵计算得到。

实施例：

步骤1：取一块如图1所示绝热层试片，基板1使用曲率半径为3.8m的铝合金板，壁厚3mm，尺寸为45cm×65cm。基板1上粘接有一块尺寸为32cm×32cm的绝热层片3，材料为聚酰亚胺，所选用的粘接剂为聚氨酯胶。绝热层板中心预先设置了一直径为5cm的圆形脱粘区域，如图1所示；

步骤2：在铝板轴向方向上分别布置了2列压电传感器作为超声导波的激励接收阵列2，每列传感器数量为20个，间距为2cm，如图1所示；

步骤3：为了模拟绝热结构的实际飞行环境，将步骤1中的绝热层试片固定在支架上，正面为有绝热层的一面，背面为无绝热层的一面，正面使用热电偶对绝热层加热，并在实验中保持温度在150℃左右，传感器阵列置于加热区之外，而背面则采用液氮降温，在实验中温度在零下150℃左右；

步骤4：设置监测路径，选定上一列中的20个压电元件分别作为激励端，而对每一个激励端都选定对面一列的20个压电元件作为接收端，形成M＝20×20条监测路径；

步骤5：选择某一监测路径，将激励的窄带信号加载到该监测路径的激励端，其中激励的窄带信号的带宽控制在600—1000kHz。本实例中采用中心频率800kHz，Hanning窗调制的周期数为5的正弦信号作为激励信号。同时，该激励端对应的接收端采集超声导波回波信号，得到的信号记做Em，本实例中采样频率为48MHz；

步骤6：按照步骤5的方式完成剩余监测路径的信号采集，采集到超声导波信号为Em(m＝1,2,…,M)；

步骤7：按照步骤5和6，采集绝热层粘接完好状态下的超声导波回波信号作为基准信号Em’，采集待检状态下到的超声导波回波信号作为监测信号Em”，典型信号如图3所示；

步骤8：根据下式计算脱粘系数Dm，作为评价粘接状况的指标；分别计算；

$D_m=\frac{|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_m^{\′}\left(k\right)\·\ln \left(E_m^{\′}\left(k\right)\right)-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_m^{\′\′}\left(k\right)\·\ln \left(E_m^{\′\′}\left(k\right)\right)|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_m^{\′}\left(k\right)\·\ln \left(E_m^{\′}\left(k\right)\right)}$

其中N为采样数据点数，这里计算的是基准信号Em’与监测信号Em”的香农熵，以两者差值的绝对值作为评价粘接状况的脱粘系数，若绝热层不存在脱粘，则脱粘系数等于零，若监测信号同基准信号有差异，差异越大，脱粘系数就越大；

步骤9：采用椭圆加权分布成像技术将传感器网络中各条路径的信号差异通过椭圆分布函数叠加，划分监测区域成多个细小网格，从而以每一个网格点(x,y)出现损伤可能性估计组成直观的覆盖整个监测区域的定量化图像。假设被测结构布置的传感器网络共有M条传感路径，检测区域被划分成均匀分布的网格点，则脱粘损伤出现在坐标为(x,y)的网格点处的概率值由下式计算：

$P(x,y)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x,y)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i{W}_i\left[R_i(x,y)\right]$

其中，D_i是从第i条传感路径上得到的脱粘系数；W_i[R_i(x,y)]假定为第i条路径的非负的椭圆等值线线性递减的加权分布函数(加权系数)。这种椭圆特征的物理含义是当脱粘位于直接路径时会造成导波信号显著的变化，而信号的变化会随着脱粘远离直接路径而减小。该系数由椭圆区域上网格点(x,y)到第i条传感路径的相对距离决定。该相对距离R_i(x,y)由下式计算

$R_i(x,y)=\frac{L_{a,i}(x,y)+L_{s,i}(x,y)}{L_i}-1=\frac{R_a+R_s}{R_{\mathrm{as}}}-1$

其中，L_i是第i条传感路径上的激励器到接收器的距离，L_a,i(x,y)是影响区域网格点(x,y)到第i条传感路径上激励器的距离，L_s,i(x,y)是影响区域网格点(x,y)到第i条传感路径上接收器的距离，如图2所示。W_i[R_i(x,y)]可被定义为随R_i(x,y)的减小而增大，表明越靠近某条路径上的网格点受该传感路径上的损伤因子影响程度越大。当网格点位于在传感路径上，加权系数被定义为1。从上述定义可知，每条传感路径都具有一个椭圆形的影响区域，该椭圆以激励器和传感器的位置为焦点，椭圆影响区域的大小由缩放系数β确定。β越大，则椭圆影响区域也越大。当网格点位于椭圆影响区域时，加权系数可取0－1之间的值，当可按下式进行计算；当网格点位于椭圆影响区域外时，加权系数为0，表示该网格点位于某条传感器过远，则在数据融合过程无需考虑该条传感路径提供的信息。本实例中，β取0.15；

$W_i\left[R_i(x,y)\right]=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{R_i(x,y)}{\mathrm{\&beta;}},& R_i(x,y)<\mathrm{\&beta;}\\ 0,& R_i(x,y)\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.$

步骤10：逐渐增大试件的轴向压载荷，得到的脱粘图像如图4所示，图中深色区域表示存在脱粘的概率较大，(a)-(d)分别对应增大的压载荷条件，显然，随着载荷的增大，绝热层片的中心处脱粘现象越来越严重。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法，其特征在于：该方法采用基于超声导波的损伤监测方法对绝热层脱粘损伤进行定位，具体包括以下步骤：

S1：在待测结构上建立直角坐标系，设置由n个压电元件组成的激励传感阵列,n为自然数；

S2:将上述激励传感阵列设置M条监测路径记做im-jm(m＝1,2,…,M),im表示第m条监测路径中作为激励端的压电元件，jm表示激励端的压电元件对应的接收端的压电元件；

S3：采用函数发生器和功率放大器激发窄带信号，将激发的窄带信号加载到S2中的监测路径中的某一个激励端的压电元件im上，在待测结构上产生超声导波，同时选定所述压电元件im对应接收端的压电元件jm接收超声导波信号，采集含绝热层粘接信息的超声导波回波信号；

S4：按照S3的方式完成剩余监测路径的信号采集，将采集到的超声导波信号记为Em；

S5：以绝热层粘接完好状态下采集到的超声导波回波信号作为基准信号Em’，将待检状态下采集到的超声导波回波信号作为监测信号记为Em”；

S6：分别计算基准信号Em’与监测信号Em”的香农熵，以两者差值的绝对值作为评价粘接状况的脱粘系数Dm；

S7:利用加权分布成像法把各个监测路径的脱粘系数Dm映射到待测结构上，获取损伤图像，对该待测结构上的绝热层脱粘损伤进行位置定位，对绝热层的粘接情况进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法，其特征还在于：步骤S3中所述窄带信号的带宽范围为600—1000kHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的绝热层脱粘损伤监测方法，其特征在于：所述步骤S6中的脱粘系数由基准信号和监测信号的香农熵计算得到。