CN108267509A - 基于Lamb波的损伤图像化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Lamb波的快速损伤成像方法和实施该方法的损伤诊断系统。该方法包括激光照射方案及信号处理算法。该损伤诊断系统用脉冲激光装置用于产生脉冲激光束照射被测物体的探伤区域，并激发超声波；压电传感器紧贴被测物体表面；放大器接收压电传感器的电信号进行放大，示波器将电信号转化为数字信号，再输入主机，主机接收电信号进行数据处理并绘制损伤诊断图，显示器对结果进行显示，主机用接口总线连接并控制脉冲激光装置。本发明的优点是：快速识别及定位损伤，并且提供损伤形状和大小信息。

Description

基于Lamb波的损伤图像化系统
技术领域
本发明属于结构损伤诊断领域，针对大量使用薄壁结构的飞机、航空器、高速列车、轮 船等大型结构，利用Lamb波在传播过程中振幅衰减的性质，实现薄壁结构快速无损检测及 其损伤的图像化诊断。
背景技术
目前我国的工业界中，各种老化结构的数量在飞速地增加，为使这些结构物更加安全地运 行并避免能导致重大经济损失及人员伤亡事故的发生，同时为在降低运行成本的情况下保证 结构物在接近或超设计寿命的情况下的安全工作，应用各种无损检测手段，对各种老化结构 进行可靠性评价以及维护成为了我国生产及生活中所面临的重大课题。
目前广泛使用的各种无损检查手段包括:超声波、X射线和热成像等技术。但这些技术的 检测周期较长，其检测的范围也很小。另外，这些技术的费用以及检测过程中的人为过失等 原因使得这些技术不能可靠地保障结构的安全性和可靠性。为了克服上述方法的弱点，近年， 许多研究者利用有些特殊种类的超声波,如兰姆波沿薄壁“结构面内方向”远距离传播的特点， 提出了一些新的结构损伤诊断方法,比如开发超声波在结构物面内展开方向的时间域内传播 的可视化技术,便可以非常容易的识别由结构缺陷以及损伤引起的散乱波,从而简单地确认损 伤的存在。关于超声波可视化方面的研究,人们已经开发了诸如光弹法和Schlieren法等方法, 但类似这样的方法只可以实现在透明介质中超声波传播的可视化,对一般金属和复合材料制 造的固体结构不适用。因此这样的技术只能作为超声波研究的一种辅助手段,并不能直接应用 于实际结构的损伤检测。一般而言，由于结构表面的超声波振幅在10-3mm量级，对不透明 结构，在技术上完成超声波可视化存在不少困难，目前人们只能借助于价钱昂贵的激光干涉 系统(Laser interferometer system)来完成这一任务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于Lamb波的快速损伤成像方法，它不仅 能确定损伤的位置，还能快速精确地识别损伤形状和大小。本发明还提供一种实施该方法 的损伤诊断系统。
本发明的系统10如图1所示：1激光发射装置，利用激光照射被检测物，由于热弹效应 会使照射点处的粒子产生波动，进而在被检测物内部产生超声波。如果被检测物是薄壁结构， 则产生的超声波是一种特殊的超声导波，即Lamb；2被检测物；3传感器，接收Lamb波信 号；4前置放大器，可对接收信号进行放大并且滤波去噪等处理；5示波器，将连续的电信号 转化为数字信号；6电脑，对接收到的所有信号进行图像化处理。
本发明的原理：Lamb波在被检测物内部传播，遇到损伤时将会发射散射，其中一部分波 能被反射，这将导致透过波的振幅减小。利用Lamb波在传播路径上存在损伤或不存在损伤 时其透过波的振幅不同的特性，编制一种算法实现检测区域内损伤的图像化诊断。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：
1、在一块不含损伤的区域内，如图2所示，固定压电传感器(蓝色圆圈)的位置，激光沿着 图中水平线，每隔一定距离照射一次被检测物，则压电传感器将接收到经过不同传播距离的 Lamb波信号，如照射m次，则将有m组信号，将其存储在主机上。
2、确定检测区域并把其取为正方形，如图3所示；各边依次命名为A1，A2，B1，B2，每条 边等间距分为n段，检测区域也被分为n×n个正方形网格；
3、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，则在该点激发出兰姆波；在A1边第n段线段的 中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数 据；同理，使用激光脉冲照射B1边各线段的中点，在B2边第1段线段的中点处布置一个压 电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据；以上过程如图 4所示；
4、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，则在该点激发出兰姆波；在A1边第1段线段的 中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数 据；同理，使用激光脉冲照射B2边各线段的中点，在B1边第1段线段的中点处布置一个压 电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据；以上过程如图 5所示；
5、编制算法绘制检测区域诊断图
5.1获取第1步的m组信号的最大幅值，得到m组(最大幅值-距离)数据；以激光照射点到压电传感器的距离为x轴，以信号的最大幅值为y轴，对这m组(最大幅值 -距离)数据进行线性拟合，获得线性曲线y＝k0x+H0，则斜率k0为Lamb波在被 检测物的无损伤区域中传播时的衰减率，H0为激光照射点处波源的幅值，即波源的 幅值。
5.2计算图4中激光照射各点到其对应信号接收传感器的距离，即共为2n条Lamb波传 播路径的长度，分别记为A1i，其中i＝1…2n；假设检测区域不存在任何损伤，则根 据5.1中得到Lamb波在被检测物的无损伤区域中传播时的衰减率和波源的幅值， 可计算出各条传播路径对应的波的理论幅值H1THi＝x0A1i+H0；同理，标记图5中2n条Lamb波传播路径的长度为A2i，并计算图5中各条传播路径对应的波的理论 幅值H2THi＝x0A2i+H0；
5.3获取第3步中2n组信号的最大幅值，分别记为H1i，其中i＝1…2n；获取第4步中2n组信号的最大幅值，分别记为H2i，其中i＝1…2n；比较理论值H1THi、H2THi和实 验值H1i、H2i，如果：
或其中α为小于1的经验取值(1)
则认为该传播路径上存在损伤。如果通过式(1)判断出两条传播路径上存在损伤，则损伤所在位置是两条经过损伤的传播路径的交点。在本算法中，如图6所示， 认为损伤位置为交点所在网格区域ΔΦ，所有的ΔΦ则构成了损伤疑似存在区域Φ。
5.4对于疑似经过损伤区域的传播路径，建立下面方程：
其中，Dj为波源的幅值H0与实验值H1i或H2i之差，x0是Lamb波在无损伤区域中 传播时的衰减率(在5.1中记为k0)，xi是Lamb波在损伤疑似存在区域Φ中传播 时的衰减率，Li为传播路径在各网格内的线段长度，如图7中所示，M为疑似经 过损伤区域的传播路径的数目。则方程(2)等式右边的第一项表示在损伤疑似存 在区域Φ外波的衰减幅值，第二项表示在损伤疑似存在区域Φ内波的衰减幅值。 令xi＝x0+Δxi，方程(2)可变为：
很容易看出方程(3)可表示为SΔx＝f线性方程组的形式，利用高斯消元法可解出Δx＝(STS)-1(STf)，最后获得损伤疑似存在区域Φ内各网格对应的衰减率。
5.5通过检测区域内各网格对应的衰减率值获得损伤诊断图。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：获得检测区域的损伤诊断图，实现损伤的可视化诊断，不但快速识别并定位损伤，还能提供损伤形状和大小信息。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本方法发明的方案示意图：1激光发射装置；2被检测物；3传感器；4前置 放大器；5示波器；6电脑。
图2为本方法发明实施步骤1；
图3为本方法发明实施步骤2：检测区域示意图；
图4为本方法发明实施步骤3；
图5为本方法发明实施步骤4；
图6为本方法发明初步确定损伤示意图；
图7为本方法发明获取精确损伤图像的计算方法示意图；
图8为本方法发明实施例1的通孔铝板试样图；
图9为本方法发明实施例1的通孔铝板模型图；
图10为本方法发明实施例1的检测区域示意图；
图11为本方法发明实施例1的检测区域损伤诊断图；
图12为本方法发明实施例2的含未穿透裂缝的铝板模型图；
图13为本方法发明实施例2的检测区域示意图；
图14为本方法发明实施例2的检测区域损伤诊断图；
图15为本方法发明实施例3的碳纤维增强复合材料层合板试样图；
图16为本方法发明实施例3的内部脱层超声C扫描检测损伤示意图，其中图
16(a)为扫描面为冲击面的检测结果，图16(b)为扫描面为非冲击面的检测结果；
图17为本方法发明实施例3的波衰减率的检测方案示意图；
图18为本方法发明实施例3的碳纤维增强复合材料层合板模型图(冲击面)；
图19为本方法发明实施例3的检测区域示意图(冲击面)；
图20为本方法发明实施例3的检测区域损伤诊断图(冲击面)；
图21为本方法发明实施例3的碳纤维增强复合材料层合板模型图(非冲击面)；
图22为本方法发明实施例3的检测区域示意图(非冲击面)；
图23为本方法发明实施例3的检测区域损伤诊断图(非冲击面)；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
该实施例的目标是检测含有椭圆通孔的铝板(如图8)。铝板模型如图9所示，椭圆通孔 的长轴为15mm，短轴为12mm，铝板板厚为5mm.为了简化实验，这里椭圆通孔被看成损伤，虽然在实际情况中椭圆通孔肉眼可见，并不属于损伤范畴。用激光脉冲(8.5ns)照射该铝板产生兰姆波，其主要成分为S0模式和A0模式，并且波的能量主要集中在100kHz和200kHz之间。在此频域，A0模式的波长大约为10mm；S0模式和A0模式的波速大约是5000m/s 和3000m/s。
采用本方法发明的进行检测：
步骤1、检测Lamb波在铝板中的衰减率。在一块不含损伤的区域内，如图2所示，固定压电传感器(蓝色圆圈)的位置，激光沿着图中水平线，每隔5mm照射一次铝板，照射 52次，则最远照射点距离传感器260mm。压电传感器将接收到经过不同传播距离的Lamb波 信号。该步骤共获取52组信号，将其存储在主机上。
步骤2、确定检测区域。在椭圆通孔附近取一块60×60mm2大小的区域为检测区域(如 图9中虚线方框所示)，检测区域为正方形，将其各边依次命名为A1，A2，B1，B2，每条边等间距分为24段，每段长2.5mm，A1和A2边从上往下给线段编号，B1和B2边从左往右 给线段编号，检测区域也被分为24×24个正方形网格，如图10所示。
步骤3、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，红色圆圈代表脉冲激光照射位置，则在 该点激发出兰姆波；在A1边第24号线段的中点处布置一个压电传感器，蓝色圆圈代表压电 传感器。使用环氧树脂黏合剂将PZT压电传感器牢固地粘贴在铝板上，将PZT压电传感器接 收到的响应信号通过电荷放大器和示波器导入主机，为了确保兰姆波完全通过检测区域，响 应信号的长度取100μs，这一过程共获取24组信号；同理，使用激光脉冲照射B1边各线段 的中点，在B2边第1号线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将信号存储在 主机上，这一过程共获取24组信号；该步骤共获取48组信号，其实施过程可参看图4。
步骤4、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，在A1边第1号线段的中点处布置一个 压电传感器接收响应信号，并将信号存储在主机上，这一过程共获取24组信号；同理，使用 激光脉冲照射B2边各线段的中点，在B1边第1号线段的中点处布置一个压电传感器接收响 应信号，并将信号存储在主机上，这一过程共获取24组信号；该步骤共获取48组信号，其实施过程可参看图5。
步骤5、获取检测区域损伤诊断图。把步骤1中获取的52组信号，步骤3中获取的48组信号，和步骤4中获取的48组信号输入预先编制好的损伤诊断程序，即获得检测区域损伤诊断图。
本实施例的诊断结果如图11所示：图中红色和绿色区域为由本发明诊断得到的损伤结果， 白色椭圆表示真实的损伤，可以看出椭圆通孔损伤能被精确定位，其形状及大小也能很好的 被评估出来。
实施例2
该实施例的目标是检测含未穿透裂缝的铝板。铝板模型如图12所示：裂缝的长度为 20mm，宽度为2mm，深度为2.5mm；铝板板厚为5mm。为了简化实验，这里未穿透裂缝被看成损伤。选择裂缝所在面为激光扫描平面。
检测步骤和设置参数与实施例1相同。图13为检测区域示意图。
本实施例的诊断结果如图14所示：图中红色和绿色区域为由本发明诊断得到的损伤结 果，白色椭圆表示真实的损伤，可以看出裂纹损伤能被精确定位，但其形状和大小与实际情 况大约相差50％。
实施例3
该实施例的目标是检测含脱层的碳纤维增强复合材料层合板(如图15所示)。实验中使 用的复合材料层板结构为[(45°/0°/-45°/90°)4]s，板厚为4.8mm。复合材料层合板中部有脱层， 该脱层是通过重锤冲击试验机(Dynatup 9250HD)由一个4.6kg的重物低速冲击得到。图16为 超声C扫描检测得到脱层损伤图：扫描面为冲击面的结果为图16a；扫描面为非冲击面(冲 击面的另一侧平面)的结果为图16b。
用激光脉冲(8.5ns)照射该碳纤维增强复合材料层板产生兰姆波，其主要成分为S0模 式和A0模式，并且波的能量主要集中在50kHz和300kHz之间。在此频域，A0模式的波长大约为10mm；S0模式和A0模式的波速比在铝板中传播要大一些。
采用本方法发明的进行检测：
步骤1、检测Lamb波在碳纤维增强复合材料层合板中的衰减率。由于波的传播受复合 材料层合板表面纤维铺层方向影响，因此需要检测波的传播方向与复合材料层合板表面铺层 方向夹角不同时波信号的衰减率。在一块不含损伤的区域内，如图17所示，取某点(红色圆 圈)为圆心，以复合材料层合板表面纤维铺层方向为参考方向(0°方向)，在半径为100mm 的1/4圆轨迹上沿顺时针方向每隔15°贴一个压电传感器(蓝色圆圈)，共贴7个压电片。然 后选定波的传播路径(选定角度)，以圆心为起点，距离压电传感器40mm处为终点，每隔 5mm照射一次复合材料层合板，照射13次，则压电传感器将接收到经过不同传播距离的Lamb 波信号。共有7条传播路径，该步骤共获取13×7＝91组信号，将其存储在主机上。
步骤2、确定检测区域。选择冲击面为扫描面，在受冲击部位附近取一块40×40mm2大 小的区域为检测区域(如图18中虚线方框所示)，检测区域为正方形，将其各边依次命名为 A1，A2，B1，B2，每条边等间距分为16段，每段长2.5mm，A1和A2边从上往下给线段编号，B1和B2边从左往右给线段编号，检测区域也被分为16×16个正方形网格，如图19所示。
步骤3、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，红色圆圈代表脉冲激光照射位置，则在 该点激发出兰姆波；在A1边第16号线段的中点处布置一个压电传感器，蓝色圆圈代表压电 传感器。使用环氧树脂黏合剂将PZT压电传感器牢固地粘贴在铝板上，将PZT压电传感器接 收到的响应信号通过电荷放大器和示波器导入主机，为了确保兰姆波完全通过检测区域，响 应信号的长度取100μs，这一过程共获取16组信号；同理，使用激光脉冲照射B1边各线段 的中点，在B2边第1号线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将信号存储在 主机上，这一过程共获取16组信号；该步骤共获取32组信号，其实施过程可参看图4。
步骤4、使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，在A1边第1号线段的中点处布置一个 压电传感器接收响应信号，并将信号存储在主机上，这一过程共获取16组信号；同理，使用 激光脉冲照射B2边各线段的中点，在B1边第1号线段的中点处布置一个压电传感器接收响 应信号，并将信号存储在主机上，这一过程共获取16组信号；该步骤共获取32组信号，其实施过程可参看图5。
步骤5、获取扫描面为冲击面时检测区域损伤诊断图。把步骤1中获取的91组信号，步 骤3中获取的32组信号，和步骤4中获取的32组信号输入预先编制好的损伤诊断程序，即获得检测区域损伤诊断图(图20)。
步骤6、选择非冲击面为扫描面，检测区域如图18所示，后续实验的检测步骤和设置参 数与扫描面为冲击面的情况一致，同样也获得扫描面为非冲击面时检测区域损伤诊断图(图 21)。
本实施例的诊断结果如图20和21所示：图中红色和绿色区域为由本发明诊断得到的损 伤结果，白色椭圆表示真实的损伤，可以看出当扫描面为冲击面时，本方案的结果与超声检 测的结果相差较大；当扫描面为非冲击面时，本方案的结果与超声检测的结果基本一致。

Claims (7)

1.基于Lamb波的快速损伤成像方法，其特征是：包括以下步骤：
a.检测无损条件下Lamb波的衰减率；
b.确定检测区域并把其取为正方形，各边依次命名为A1，A2，B1，B2，每条边等间距分为n段，检测区域也被分为n×n个正方形网格；
c.使用激光脉冲照射检测区域某条边界，同时在合适位置布置一个压电传感器，使得波的传播路径覆盖整个检测区域，并将接收到的响应信号存储在主机上；
d.将实验获取的信号输入程序绘制检测区域诊断图。
2.根据权利要求1所述的基于Lamb波的快速损伤成像方法，其特征是：在步骤a中：确定一块不含损伤的区域，在某个位置粘贴一个压电传感器，以压电传感器为起点，激光沿着某条直线，每隔一定距离照射一次被检测物，则压电传感器将接收到经过不同传播距离的Lamb波信号，如照射m次，则将有m组信号，将其存储在主机上。
3.根据权利要求1所述的基于Lamb波的快速损伤成像方法，其特征是：在步骤c中：
1)使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，则在该点激发出兰姆波；在A1边第n段线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据；同理，使用激光脉冲照射B1边各线段的中点，在B2边第1段线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据；
2)使用激光脉冲照射A2边各线段的中点，则在该点激发出兰姆波；在A1边第1段线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据；同理，使用激光脉冲照射B2边各线段的中点，在B1边第1段线段的中点处布置一个压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上，共n组数据。
4.根据权利要求1所述的基于Lamb波的快速损伤成像方法，其特征是：在步骤d中程序算法如下：
1)提取权利要求2中m组信号的最大幅值，得到m组(最大幅值-距离)数据；以激光照射点到压电传感器的距离为x轴，以信号的最大幅值为y轴，对这m组(最大幅值-距离)数据进行线性拟合，获得线性曲线y＝k0x+H0，则斜率k0为Lamb波在被检测物的无损伤区域中传播时的衰减率，H0为激光照射点处波源的幅值，即波源的幅值；
2)计算权利要求3步骤1)中激光照射各点到其对应信号接收传感器的距离，即共为2n条Lamb波传播路径的长度，分别记为A1i，其中i＝1…2n；假设检测区域不存在任何损伤，则前面得到Lamb波在被检测物的无损伤区域中传播时的衰减率和波源的幅值，可计算出各条传播路径对应的波的理论幅值H1THi＝x0A1i+H0；同理，权利要求3步骤2)中2n条Lamb波传播路径的长度为A2i，并各条传播路径对应的波的理论幅值H2THi＝x0A2i+H0；
3)获取权利要求3步骤1)中2n组信号的最大幅值，分别记为H1i，其中i＝1…2n；获取权利要求3步骤2)中2n组信号的最大幅值，分别记为H2i，其中i＝1…2n；比较理论值H1THi、H2THi和实验值H1i、H2i，如果：
或其中α为小于1的经验取值 (1)
则认为该传播路径上存在损伤。如果通过式(1)判断出两条传播路径上存在损伤，则损伤所在位置是两条经过损伤的传播路径的交点。在本算法中，认为损伤位置为交点所在网格区域ΔΦ，所有的ΔΦ则构成了损伤疑似存在区域Φ。算检测区域内每条传播路径的波的理论幅值，并将于实验值进行比较，初步确定损伤疑似存在区域；
4)对于疑似经过损伤区域的传播路径，建立下面方程：
其中，Dj为波源的幅值与实验值之差，x0是Lamb波在无损伤区域中传播时的衰减率，xi是Lamb波在损伤疑似存在区域Φ中传播时的衰减率，Li为传播路径在各网格内的线段长度，M为疑似经过损伤区域的传播路径的数目；方程(2)等式右边的第一项表示在损伤疑似存在区域外波的衰减幅值，第二项表示在损伤疑似存在区域Φ内波的衰减幅值。令xi＝x0+Δxi，方程(2)可变为：
很容易看出方程(3)可表示为SΔx＝f线性方程组的形式，利用高斯消元法可解出Δx＝(STS)-1(STf)，最后获得损伤疑似存在区域Φ内各网格对应的衰减率；
5)通过检测区域内各网格对应的衰减率值绘制损伤诊断图。
5.一种实施权利要求1所述方法的损伤诊断系统，包括有脉冲激光装置(3)、压电传感器(4)、放大器(5)、示波器(8)、主机(6)和显示器(7)，脉冲激光装置(3)用于产生脉冲激光束照射被测物体(1)的探伤区域(2)，并激发超声波；压电传感器、放大器、示波器与主机通过信号线连接，主机(6)用接口总线连接并控制脉冲激光装置(3)，压电传感器(4)紧贴被测物体(1)表面检测面内应变并将其转化为连续的电信号；放大器(5)接收压电传感器(4)的电信号进行放大，示波器(8)将连续的电信号转化为数字信号，再输入主机(6)，其特征是：主机(6)接收电信号、利用预编程序绘制损伤诊断图，显示器(7)对主机(6)处理获得的结果进行显示。
6.根据权利要求5所述的损伤诊断系统，其特征是：压电传感器(4)为PZT压电传感器。
7.根据权利要求5或6所述的损伤诊断系统，其特征是：所述放大器(5)为电荷放大器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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