CN106706757A - 用于复合材料层合板缺陷定位的超声导波检测技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料层合板缺陷定位的无损检测方法，该方法以多探头检测的方式，准确且便利的对复合材料层合板的层间缺陷进行二维定位。该方法包括以下步骤：a.将四个传感器以一定的间隔，按正方形排列，置于复合材料层合板的表面；b.正方形型布置中的每个传感器依次作为激励传感器，与其相邻的两个传感器作为接收传感器，构成多路缺陷定位系统；c.对多组缺陷的位置信息进行聚类分析，保留有效的数据，淘汰存在明显偏差的信息；d.根据时间延迟，基于椭圆定位法，计算得到缺陷位置信息，通过求中心的平均法，进一步减小误差，对缺陷进行精确的二维定位。

Description

用于复合材料层合板缺陷定位的超声导波检测技术

技术领域

本发明涉及一种复合材料层合板的缺陷定位无损检测方法。

背景技术

对于复合材料层合板的缺陷，目前通常采用的是声发射检测方法。声发射(AE)是指材料局部因能量的快速释放而发出声波的现象，由于声发射信号来自缺陷，不同缺陷的声发射信号也有差异，由接收传感器采集声波信号，通过信号处理，根据信号的特性，确定声发射源的位置。声发射检测技术的优点是可实现动态、实时的检测，但当声波在传播路径中衰减严重时，检测精度难以保证，同时由于属于被动检测方法，因此其操作性存在局限。

文献《新型木塑材料缺陷及损伤的声发射信号分析》(王军，殷冬萌等，声学技术，27(4)，497-500，2008)公开了一种声发射检测方法，但其声发射特征还有待进一步的分析，需要借鉴其它复合材料的声发射检测结果。

发明内容

针对现有检测定位方法存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种复合材料层合板缺陷定位的无损检测方法，以多探头检测的方式，准确且便利的对复合材料层合板的层间缺陷进行二维定位。

本发明所提供的复合材料层合板缺陷定位方法，包括以下步骤：a、将四个传感器以一定的间隔，按正方形排列，置于复合材料层合板的表面；b、正方形型布置中的每个传感器依次作为激励传感器，与其相邻的两个传感器作为接收传感器，构成多路缺陷定位系统；c、对多组缺陷的位置信息进行聚类分析，保留有效的数据，淘汰存在明显偏差的信息；d、根据时间延迟，基于椭圆定位法，计算得到缺陷位置信息，通过求中心的平均法，进一步减小误差，确定缺陷精确的二维位置。

与现有技术相比，本发明的效果在于：(1)采用四传感器正方形布置的方法，实现复合材料层合板缺陷的二维定位，以尽可能少的传感器检测尽可能大的面积；(2)每个传感器依次作为激励传感器，与其相邻的两个传感器作为接收传感器，构成多路缺陷定位系统，提高了定位可靠性；(3)采用聚类分析，对多路信息进行筛选与分类，保留有效的数据，淘汰存在明显偏差的信息，在有效信息的基础上，通过求中心的平均法，进一步减小误差，确定缺陷二维位置。

附图说明

图1是本发明所使用的导波传播的路径示意图；

图2是本发明中四传感器正方形布置示意图；

图3是本发明采用的椭圆法定位示意图；

图4传感器正方形布置换位示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

为了准确定位结构中的二维缺陷，首先要对导波的传播路径进行分析。激励传感器发射的导波在板中传播，经过很多条不同的路径，导波都可以到达接收传感器。如图1所示，在缺陷定位的研究中，经过缺陷反射到达接收传感器的信号中带有缺陷信息，而没有经过缺陷反射到达接收传感器的信号不包含缺陷信息，对缺陷定位是无用的，所以可作为公有信息加以去除。对结构产生缺陷前后所得的导波信号做代数差，即可得到差异信号，差异信号可以认为是由缺陷引起的，其传播路径可以作如下解释：导波由激励传感器发射，经过缺陷反射后，到达接收传感器。

图2是本发明所使用4传感器的布置示意图；图3是椭圆法定位的原理图。如图2所示4个传感器进行正方形布置，进行多路定位。传感器A、B、C、D依次按顺序作为激励传感器，同时把激励传感器的2个相邻的传感器作为接收传感器，例如：激励传感器为传感器A时，接收传感器是传感器B、D，由A、B、D三个传感器构成一组激励与接收的定位系统。

椭圆定位的基本方法如图3所示，确定信号由激励传感器发出，经过缺陷位置后，到达接收传感器的传播时间，根据导波的传播速度，就可以计算得出信号在路径上传播的距离；椭圆定位基于几何假设，将激励传感器和接收传感器所处的两个位置，分别作为椭圆的两个焦点，于是缺陷就将位于椭圆之上。因为一对传感器是无法确定缺陷位置的，于是采用两个椭圆，求解它们的交点，即可确定缺陷的位置。

根据上述椭圆定位法的思想，以A为激励传感器，B、C为接收传感器，进行缺陷定位的研究，从而获取缺陷的位置信息。同一个激励传感器发射的信号，分别由两个接收传感器接收，以此就可以根据两条不同的路径确定出两个不同的椭圆，它们的交点坐标就是缺陷位置。

首先，以无缺陷的复合材料层合板为对象，传感器按正方形布置，由激励传感器A发射声波信号，由接收传感器B、D接收导波信号；然后，以有缺陷的复合材料层合板为对象，传感器按正方形布置，由激励传感器A发射声波信号，由接收传感器B、D接收导波信号；由于缺陷的存在，使复合材料层合板的结构发生了改变，从而造成与前者信号相比，后者信号要多出缺陷所导致的信号成分，将两者相减，就可以得到信号的差异；将AB、AD路径的无缺陷信号、缺陷信号和差异信号分别进行小波变换，经降噪后，得到小波时频-能量图，进而确定导波信号能量峰值所对应的时间，从而在传感器正方形布置的基础上，根据时间延迟，得到有缺陷时的第1组信号；与上述步骤相一致，以传感器A相邻的传感器B为激励传感器，对应的传感器A、C作为接收传感器，得到有缺陷时的第2组信号；同样以传感器C、D分别作为激励传感器，其对应相邻的传感器作接收，得到有缺陷时的第3和第4组信号。

将各组的无缺陷信号、缺陷信号和差异信号分别进行Gabor小波变换，得到小波时频-能量图，从而根据导波信号能量峰值所对应的时间，得到准确的时间延迟，针对复合材料层合板的缺陷试件，根据每个传感器两条路径各自的时间延迟及其传播速度，由公式可以求得两个椭圆，缺陷的位置即为椭圆的交点。

通过上述传感器的正方形布置、实行多路定位，将得到多组缺陷位置信息。为了确保信息的准确性，就需要对这些信息进行筛选与分类，保留有效的数据，淘汰存在明显偏差的信息，然后才能在有效信息的基础上，通过求中心的平均法，进一步减小误差，确定缺陷二维位置。为了淘汰含有明显误差的数据，本发明将各组位置信息视为不同的样本，进行聚类分析。将聚类分析用于定位系统的信息处理与分析，针对4传感器的正方形布置，在进行结构二维缺陷定位时，可取数据的总数作为样本数，据此构成数据对象。根据欧几里德距离方法，计算相异度矩阵。基于复合材料层合板的实际几何数据，设置分类标准，依此使用相异度矩阵进行分类，从而有效的将缺陷位置信息与无效数据区分开。通过聚类分析将位置信息中粗大的误差进行剔除，对得到的4个定位信息，采取信息融合技术，确定缺陷的位置信息。

当缺陷位于4个传感器所构成的正方形定位区域之外时，将会无法对缺陷进行准确的定位，或出现虚假的缺陷位置信息，因此需要变换传感器阵列的位置，以便重新确定缺陷的位置。改进方法如图4所示，当前4传感器的布置无法确定缺陷位置，将传感器阵列逆时针旋转45°，传感器在新的位置依次重新对缺陷进行定位。

Claims (7)

1.一种将超声导波用于复合材料层合板的缺陷定位无损检测方法，包括以下步骤：

a、将结构无缺陷的导波信号与出现缺陷后的导波信号相比较，得到由缺陷引起的差异信号；

b、采用导波和小波变换相结合的思路，利用小波变换优良的时频特性，提取特征信息，准确获取导波能量峰值的到达时间，计算导波信号在各种情况下的时间延迟；

c、选取4传感器的正方形布置，根据传感器布置与椭圆方法计算缺陷的位置，优化组合方案，结合多路定位，减小椭圆定位法的盲区，从而扩大了缺陷定位的范围；

d、引入聚类分析，对多组导波信号进行处理，提高了定位的准确性与可靠性。

2.如权利要求1所述的差异信号采集方法，其中，所述的差异信号是结构无缺陷的导波信号与出现缺陷后的导波信号相减之差。

3.如权利要求1所述的特征信息提取方法，其中，结合小波变换，准确的获取导波能量峰值的到达时间。

4.如权利要求1所述的复合材料层合板缺陷定位检测方法，其中，在步骤c中，所采用的传感器排列为4个传感器的正方形布置，以较少数量的传感器，解决了大多数位置缺陷的定位问题。

5.如权利要求要求1所述的4传感器正方形布置方法，当缺陷位于传感器所围成的定位区域之外时，将传感器阵列逆时针旋转45°，传感器在新的位置依次重新对缺陷进行定位，可起到扩大定位范围的效果。

6.如权利要求1所述的复合材料层合板缺陷检测方法，实行多路定位，将得到多组缺陷位置信息，为了确保信息的准确性，引入聚类分析，对多组导波信号进行处理，对这些信息进行筛选与分类，保留有效的数据，淘汰存在明显偏差的信息，提高定位的准确性与可靠性。

7.如权利要求1所述的复合材料层合板缺陷检测定位方法，通过求多组定位数据的中心平均法，进一步减小误差，确定缺陷二维位置。