CN104535656B - 全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统及方法，所述系统包括脉冲激光发射单元、多普勒激光扫描测振单元、控制单元、中央处理单元，实现针对被测结构的尺度设计相控阵初步扫描网格，完成相控阵初步扫描；然后，基于扫描获得的超声导波信号，采用相控阵成像算法，定位损伤区域，并对损伤区域精细划分局部精细扫描网格，并获取损失区域的超声导波场信号；最后，采用局部波数分析方法对损失区域的损伤进行精确成像，作为损伤评价依据。实现了对大型航天器结构中冲击损伤的快速、精确定位及评估；相对于全局扫描算法能极大地节约计算资源；也降低了检测成本。

Description

全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统及方法

技术领域

本发明属于损伤检测领域，尤其是一种全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统及方法。

背景技术

航空航天器广泛采用复合材料板，具有比强度、比刚度高，可设计性强,抗疲劳性能好等优点。但是，复合材料板对冲击载荷比较敏感,航天器在其长期运行过程中受到外界(环境/载荷等)作用，易产层裂损伤，损伤累积将诱发重大事故。对复合材料板的冲击损伤及结构整体性能进行快速诊断评估的先进技术可为航天器的长期正常运行提供安全、可靠性保证。

超声导波(GUW)已被证明在SHM/NDE中具有重要作用。与体波相比，超声导波可沿结构长距离传播而能量损失较小，且对结构中微小缺陷十分敏感。此外，超声导波可探查难以直接达到的区域。超声导波技术可快速大范围检测，优于局部超声扫描技术。该方法往往借助于被粘贴在结构表面上的分布式压电晶片传感单元，实现对大面积结构中的损伤的检测。但是，在结构上粘贴分布式压电晶片传感单元将显著改变结构局部刚度，增加附加质量，影响被测结构的力学行为，导致测量结果出现偏差；大量的连接导线还将明显提升测量系统的故障率，给系统安装、操作及维护带来巨大困难。此外，传统基于超声的复合材料全局损伤成像算法往往需要大量的计算资源，因此开发非接触式超声导波激励/传感技术，结合快速高效的损伤成像算法对于实现于复合材料的层裂损伤检测具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有复合材料层裂损伤超声检测方法的不足，本发明结合激光超声技术、相控阵成像技术和多普勒激光测振技术，提出了一种全光学非接触式复合材料板层裂损伤的快速检测方法，实现对大型航天器结构中冲击损伤的快速、精确定位及评估。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统，其特征在于，包括脉冲激光发射单元、多普勒激光扫描测振单元、控制单元、中央处理单元，所述中央处理单元包括协同控制模块、模数/数模转换单元、存储模块、损伤成像模块，所述协同控制模块用于控制脉冲激光发射单元、并通过二维坐标定位仪与伺服电机控制激光多普勒扫描测振单元，实现脉冲激光发射单元与激光多普勒扫描测振单元的协同工作；模数/数模转换单元用于对被测复合材料板的超声导波进行数模转换；所述存储模块用于存储被测复合材料板的超声导波；所述损伤成像模块用于根据超声导波绘制损伤图像；激光多普勒激光扫描测振单元包括多普勒激光扫描测振仪和反射镜。

全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)针对被测结构的尺度设计相控阵初步扫描网格；具体步骤为：：针对被测结构尺度及材料划分扫描区间，每一扫描区间的中央位置划分相控阵初步扫描网格，将每一区间扫描起点、终点坐标和扫描步长信息输入中央处理单元；

(2)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块发出同步信号，通过二维定位仪控制伺服电机驱动多普勒激光扫描测振单元的反射镜至合适的位置，使多普勒激光扫描测振仪完成超声导波的采集，通过模数/数模转换单元完成该扫描节点的超声导波的数模转换，并存储至存储模块；协同控制模块控制多普勒激光扫描测振单元，完成下一扫描节点的扫描，直至完成相控阵初步扫描；

(3)基于扫描获得的超声导波信号，采用相控阵成像算法，定位损伤区域，并对损伤区域精细划分局部精细扫描网格；具体步骤为：

(3.1)应用相控阵相位延迟成像算法，设坐标原点位于m个扫描节点分布中心，扫描节点P_m坐标为首先将扫描节点处获得的位移时域信号变换至频域：

其中z_m(t)为第m个扫描节点处获得的位移时域信号，Z_m(ω)是其相应频谱，ω为角频率，t为时间，j为虚数单位；

针对探查区域内某一点对每一扫描节点的频域信号施加相位延迟：

其中k(ω)为波数，由超声导波的色散关系决定，为探查区域内点X的位置矢量；；

将相位延迟后的信号在频域叠加并变换至时域：

其中w_m为叠加权重；

将叠加后信号的最大幅值作为点的损伤成像指标：

(3.2)基于获得的相控阵初步成像结果，设定评价损伤的阈值，确定损伤区域，并在损伤区域内划分精细扫描网格；

(4)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块按照步骤(2)中的步骤完成对损伤区域的超声导波场信号的获取；

(5)采用局部波数分析方法对损伤区域的损伤进行精确成像，作为损伤评价依据。

优选地，所述步骤(5)的具体步骤为：

(5.1)采用频率-波数空间滤波的优化算法提取单一模态导波，首先将损伤区域内超声导波场变换至频域：

通过频率-波数域的加窗函数将混叠的超声导波信号依据不同模态予以分离：

Z₁(ω,k₁,k₂)＝Z(ω,k₁,k₂)W₁(ω,k₁,k₂)

其中窗函数W₁(ω,k₁,k₂)依据复合材料中色散关系确定；

(5.2)将分离出的单一模态导波信号反变换至空间域，进行二维空间加窗后再次变换至波数域，以获得激励中心频率下窗函数局部空间(α,β)内的波数谱：

Z₃(k₁,k₂,α,β)＝F_2D[Z₂(ω₀,k₁,k₂)·W₂(x₁-α,x₂-β)]

其中ω₀为激励中心频率，二位空间窗函数直径为D_r：

(5.3)将包含坐标信息的波数谱作为损伤成像指标的依据：

(5.4)根据成像结果定量评价损伤。

与现有技术相比，本方法具有如下优点和有益效果：

1.完全非接触式超声导波激励/检测方法，完全避免了传感器置入和导线连接带来的系统额外误差，同时也可对传统检测手段不可达区域实现监测。

2.通过在控制单元中增加振镜扫描装置极大地提高多普勒激光扫描测振单元的扫描效率。

3.利用相控阵成像算法的快速优势，迅速定位损伤热点区域，再针对局部区域精细扫描成像，相对于全局扫描算法能极大地节约计算资源。

4.局部波数分析方法可有效地对复合材料中的层裂损伤进行成像，并可判断损伤的深度。

附图说明

图1为本发明所述全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统的结构图。

图2为相控阵成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测系统，包括脉冲激光发射单元、多普勒激光扫描测振单元、控制单元、中央处理单元，所述中央处理单元包括协同控制模块、模数/数模转换单元、存储模块、损伤成像模块，所述协同控制模块用于控制脉冲激光发射单元、并通过二维坐标定位仪与伺服电机控制激光多普勒扫描测振单元，实现脉冲激光发射单元与激光多普勒扫描测振单元的协同工作；模数/数模转换单元用于对被测复合材料板的超声导波进行数模转换；所述存储模块用于存储被测复合材料板的超声导波；所述损伤成像模块用于根据超声导波绘制损伤图像；激光多普勒激光扫描测振单元包括多普勒激光扫描测振仪和反射镜。

全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测方法，包含如下步骤：

(1)针对被测结构的尺度设计相控阵初步扫描网格。具体地，针对被测结构尺度及材料划分扫描区间，每一扫描区间的中央位置划分相控阵初步扫描网格，将每一区间扫描起点、终点坐标和扫描步长信息输入中央处理单元。

(2)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块发出同步信号，通过二维定位仪控制伺服电机驱动多普勒激光扫描测振单元的反射镜至合适的位置，使多普勒激光扫描测振仪完成超声导波的采集，通过模数/数模转换单元完成该扫描节点的超声导波的数模转换，并存储至存储模块；协同控制模块控制多普勒激光扫描测振单元，完成下一扫描节点的扫描，直至完成相控阵初步扫描。

(3)基于扫描获得的超声导波信号，采用相控阵成像算法，定位损伤区域，并对损伤区域精细划分局部精细扫描网格。具体包括以下步骤：

(3.1)应用相控阵相位延迟成像算法，设坐标原点位于m个扫描节点分布中心，扫描节点P_m坐标为首先将扫描节点处获得的位移时域信号变换至频域：

其中z_m(t)为第m个扫描节点处获得的位移时域信号，Z_m(ω)是其相应频谱，ω为角频率，t为时间，j为虚数单位；；

针对探查区域内某一点对每一扫描节点的频域信号施加相位延迟：

其中k(ω)为波数，由超声导波的色散关系决定，为探查区域内点X的位置矢量；

将相位延迟后的信号在频域叠加并变换至时域：

其中w_m为叠加权重；

将叠加后信号的最大幅值作为点的损伤成像指标：

(3.2)基于获得的相控阵初步成像结果，设定评价损伤的阈值，确定损伤区域，并在损伤区域内划分精细扫描网格。

(4)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块按照步骤(2)中的步骤完成对损伤区域的超声导波场信号的获取。

(5)采用局部波数分析方法对损伤区域的损伤进行精确成像，作为损伤评价依据。具体包括以下步骤：

(5.1)采用频率-波数空间滤波的优化算法提取单一模态导波，首先将损伤区域内超声导波场变换至频域：

通过频率-波数域的加窗函数将混叠的超声导波信号依据不同模态予以分离：

Z₁(ω,k₁,k₂)＝Z(ω,k₁,k₂)W₁(ω,k₁,k₂)

其中窗函数W₁(ω,k₁,k₂)依据复合材料中色散关系确定；

(5.2)将分离出的单一模态导波信号反变换至空间域，进行二维空间加窗后再次变换至波数域，以获得激励中心频率下窗函数局部空间(α,β)内的波数谱：

Z₃(k₁,k₂,α,β)＝F_2D[Z₂(ω₀,k₁,k₂)·W₂(x₁-α,x₂-β)]

其中ω₀为激励中心频率，二位空间窗函数直径为D_r：

(5.3)将包含坐标信息的波数谱作为损伤成像指标的依据：

(5.4)根据成像结果定量评价损伤。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.全光学非接触式复合材料板层裂损伤检测方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)针对被测结构的尺度设计相控阵初步扫描网格；针对被测结构尺度及材料划分扫描区间，每一扫描区间的中央位置划分相控阵初步扫描网格，将每一区间扫描起点、终点坐标和扫描步长信息输入中央处理单元；

(2)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块发出同步信号，通过二维定位仪控制伺服电机驱动多普勒激光扫描测振单元的反射镜至合适的位置，使多普勒激光扫描测振仪完成超声导波的采集，通过模数/数模转换单元完成一个扫描节点的超声导波的数模转换，并存储至存储模块；协同控制模块控制多普勒激光扫描测振单元，完成下一扫描节点的扫描，直至完成相控阵初步扫描；

(3)基于扫描获得的超声导波信号，采用相控阵成像算法，定位损伤区域，并对损伤区域精细划分局部精细扫描网格；具体步骤为：

(3.1)应用相控阵相位延迟成像算法，设坐标原点位于m个扫描节点分布中心，扫描节点P_m坐标为首先将扫描节点处获得的位移时域信号变换至频域：

其中z_m(t)为第m个扫描节点处获得的位移时域信号，Z_m(ω)是其相应频谱，ω为角频率，t为时间，j为虚数单位；

针对探查区域内某一点对每一扫描节点的频域信号施加相位延迟：

其中k(ω)为波数，由超声导波的色散关系决定，为探查区域内点X的位置矢量；

将相位延迟后的信号在频域叠加并变换至时域：

其中w_m为叠加权重；

将叠加后信号的最大幅值作为点的损伤成像指标：

(3.2)基于获得的相控阵初步成像结果，设定评价损伤的阈值，确定损伤区域，并在损伤区域内划分精细扫描网格;

(4)脉冲激光发射单元发射激光束，激励复合材料板内超声导波，协同控制模块按照步骤(2)中的步骤完成对损伤区域的超声导波场信号的获取；

(5)采用局部波数分析方法对损伤区域的损伤进行精确成像，作为损伤评价依据。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体步骤为：

(5.1)采用频率-波数空间滤波的优化算法提取单一模态导波，首先将损伤区域内超声导波场变换至频域：

通过频率-波数域的加窗函数将混叠的超声导波信号依据不同模态予以分离：

Z₁(ω,k₁,k₂)＝Z(ω,k₁,k₂)W₁(ω,k₁,k₂)

其中窗函数W₁(ω,k₁,k₂)依据复合材料中色散关系确定；

(5.2)将分离出的单一模态导波信号反变换至空间域，进行二维空间加窗后再次变换至波数域，以获得激励中心频率下窗函数局部空间(α,β)内的波数谱：

Z₃(k₁,k₂,α,β)＝F_2D[Z₂(ω₀,k₁,k₂)×W₂(x₁-α,x₂-β)]

其中ω₀为激励中心频率，二位空间窗函数直径为D_r：

(5.3)将包含坐标信息的波数谱作为损伤成像指标的依据：

(5.4)根据成像结果定量评价损伤。