CN108802184A - 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法 - Google Patents

基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108802184A
CN108802184A CN201810643442.6A CN201810643442A CN108802184A CN 108802184 A CN108802184 A CN 108802184A CN 201810643442 A CN201810643442 A CN 201810643442A CN 108802184 A CN108802184 A CN 108802184A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
defective locations
curve
signal
sheet metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810643442.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108802184B (zh
Inventor
杨进
沈子莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University filed Critical Chongqing University
Priority to CN201810643442.6A priority Critical patent/CN108802184B/zh
Publication of CN108802184A publication Critical patent/CN108802184A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108802184B publication Critical patent/CN108802184B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/045—Analysing solids by imparting shocks to the workpiece and detecting the vibrations or the acoustic waves caused by the shocks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/42—Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by frequency filtering or by tuning to resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0234—Metals, e.g. steel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/103—Number of transducers one emitter, two or more receivers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提出了一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，所述方法包括：装置布设、信号获取、信号处理、缺陷定位四个步骤；该方法能通过时延信息得到缺陷位置曲线，然后根据缺陷位置曲线的交点确定缺陷位置；本发明的有益技术效果是：提出了一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，该方法不需要预先知道导波传播速度即可实现缺陷定位，定位的准确性较高。

Description

基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法
技术领域
本发明涉及一种金属薄板缺陷定位技术，尤其涉及一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，该方法不需要预先知道导波传播速度，即可实现缺陷定位。
背景技术
大型建筑结构、现场设备或材料在长期使用后，会受到环境侵蚀、结构老化、疲劳效应等不利因素影响，容易出现结构性损伤，导致耐用性和可靠性出现下降，直接影响国民生命财产安全以及工业产品的生产质量；引入健康监测方法来对结构中潜在的损伤状况进行检测、评估，确保结构处于安全工作状态，势在必行。
无损检测作为能够在不影响结构本身完整性以及健康状态下实现对结构中损伤进行探测的手段，是对现场结构进行检测的重要方法。传统的无损检测技术主要包括：声发射法、电涡流检测法、X射线法、超声波检测法、红外和全息照相法等。然而这些技术往往需要昂贵的、体积庞大的信号激励和采集装置，给在线的实时监测带来很多不便。此外，某些检测方式需要周期性的运作，增加了结构维护费用的同时，也减少了结构可运行的时间。
近二十年内，基于导波的损伤识别方法已被广泛应用于在线的结构健康监测领域。当导波信号在传播过程中与结构内部的损伤发生作用时会产生反射、散射等现象(以下统称“散射”)。然后基于结构内部导波的传播特性，利用适当的特征提取技术分析传感器网络所采集到的波信号，以提取出其中反映损伤信息的信号特征，最终结合相应的损伤识别方法确定结构的健康状况。但实际缺陷定位过程中，由于各种原因，当被测金属薄板条件未知参数较多时，对于基于时延估计的传统缺陷定位方法来讲，若直接采用板中导波频散方程理论公式或经验导波波速来定位缺陷所在，将导致较大定位误差或定位错误。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，其具体方案为：
1)装置布设：在待测金属薄板表面设置多个压电陶瓷传感器，多个压电陶瓷传感器呈环形分布，多个压电陶瓷传感器所围区域形成检测区；在待测金属薄板表面设置一致动激励器，致动激励器位于检测区中部；以待测金属薄板表面为坐标平面，建立二维直角坐标系，获取各个压电陶瓷传感器在二维直角坐标系中的坐标；
2)信号获取：控制致动激励器向待测金属薄板施加扫频激励信号，同时，通过多个压电陶瓷传感器获取检测信号；之所以采用扫频激励方式，是由于：每个信道的最佳频率未知，如采用常见的加窗函数猝发方式，不仅操作不便，而且耗时；采用扫频激励方式，可以同时获得多个不同频率范围的信息，很方便地就能获取到对几个窄带激励的响应，如此就能满足采集时间最小化和得到高信噪比信号的需要；
3)信号处理：对单个检测信号进行处理时，先对检测信号进行自适应滤波处理得到滤波信号，然后采用系统辨识方法对滤波信号进行处理，得到对应的滤波系数，然后根据滤波系数得到滤波系数最大值所对应的时延信息T；
4)缺陷定位：将任意两个压电陶瓷传感器记为一个传感器组，多个压电陶瓷传感器即可得到多个传感器组；
将单个传感器组所辖的两个压电陶瓷传感器分别记为第i号传感器和第j号传感器，按下式得到相应的缺陷位置曲线：
其中，Ti为第i号传感器对应的时延信息，Tj为第j号传感器对应的时延信息；(xi,yi)为第i号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标，(xj,yj)为第j号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标；(x,y)为缺陷位置在所述二维直角坐标系中的坐标；
对多个传感器组进行处理，即可得到多条缺陷位置曲线；将多条缺陷位置曲线叠放在一起，多条缺陷位置曲线的交点在所述二维直角坐标系中的坐标位置即为缺陷位置。
本发明的原理是：
在固体结构中传导的波传递到缺陷位置处时，由于结构不连续，波会在缺陷位置处发生反射、散射现象；基于现有理论可知，由扫频激励在结构损伤位置引起的信号散射，再被第i号压电陶瓷传感器接收的过程应满足如下公式：
其中，Cg为缺陷散射波的群速度；
实际情况中，Cg的准确数值难以获取，但是Cg为常量，于是发明人考虑将两个压电陶瓷传感器所对应的公式相除，从而消除Cg项，于是就得到了下式：
互相匹配的x、y所形成的坐标即为缺陷位置的坐标，但是，该式中x、y的解的分布为曲线，仅由单条曲线无法确定缺陷位置的准确坐标，于是通过多个传感器组分别获取多条曲线，将多条曲线叠加，交点位置即为缺陷位置，如此，就能在无导波传播速度的条件下实现缺陷定位。
优选地，所述压电陶瓷传感器的数量为3个或3个以上。
优选地，步骤3)中，采用最小均方自适应滤波算法对检测信号进行自适应滤波处理。
本发明的有益技术效果是：提出了一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，该方法不需要预先知道导波传播速度即可实现缺陷定位，定位的准确性较高。
附图说明
图1、压电陶瓷传感器和致动激励器布设位置示意图；
图2、单条缺陷位置曲线示意图；
图3、检测区内仅有一处结构缺陷时，多条缺陷位置曲线分布位置示意图；
图4、检测区内存在两处结构缺陷时，多条缺陷位置曲线分布位置示意图。
具体实施方式
一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，其创新在于：所述方法包括：
1)装置布设：在待测金属薄板表面设置多个压电陶瓷传感器，多个压电陶瓷传感器呈环形分布，多个压电陶瓷传感器所围区域形成检测区；在待测金属薄板表面设置一致动激励器，致动激励器位于检测区中部；以待测金属薄板表面为坐标平面，建立二维直角坐标系，获取各个压电陶瓷传感器在二维直角坐标系中的坐标；
2)信号获取：控制致动激励器向待测金属薄板施加扫频激励信号，同时，通过多个压电陶瓷传感器获取检测信号；
3)信号处理：对单个检测信号进行处理时，先对检测信号进行自适应滤波处理得到滤波信号，然后采用系统辨识方法对滤波信号进行处理，得到对应的时延信息T；
4)缺陷定位：将任意两个压电陶瓷传感器记为一个传感器组，多个压电陶瓷传感器即可得到多个传感器组；
将单个传感器组所辖的两个压电陶瓷传感器分别记为第i号传感器和第j号传感器，按下式得到相应的缺陷位置曲线：
其中，Ti为第i号传感器对应的时延信息，Tj为第j号传感器对应的时延信息；(xi,yi)为第i号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标，(xj,yj)为第j号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标；(x,y)为缺陷位置在所述二维直角坐标系中的坐标；
对多个传感器组进行处理，即可得到多条缺陷位置曲线；将多条缺陷位置曲线叠放在一起，多条缺陷位置曲线的交点在所述二维直角坐标系中的坐标位置即为缺陷位置，如此，就能在无导波传播速度的条件下实现缺陷定位。
进一步地，所述压电陶瓷传感器的数量为3个或3个以上。
进一步地，步骤3)中，采用最小均方自适应滤波算法对检测信号进行自适应滤波处理。
参见图1，图中10个压电陶瓷传感器(图中的标记1至10为压电陶瓷传感器的编号)按方环形式分布，压电陶瓷传感器所围成的区域即为检测区；以图1所示情况为例，检测区内存在一处结构缺陷，压电陶瓷传感器和致动激励器(图中标记X所示位置即为致动激励器的布设位置)设置好后，建立相应的二维直角坐标系并获取各个压电陶瓷传感器在二维直角坐标系中的坐标；然后控制致动激励器向待测金属薄板施加扫频激励信号，各个压电陶瓷传感器获取相应的检测信号，之后，按本发明方法，得到多个缺陷位置曲线；单条缺陷位置曲线如图2所示(图2缺陷位置曲线所对应的传感器组由第2和第6号压电陶瓷传感器组成)；参见图3，图中绘出了5条缺陷位置曲线(其中，曲线A源于1号和6号压电陶瓷传感器、曲线B源于1号和7号压电陶瓷传感器、曲线C源于1号和8号压电陶瓷传感器、曲线D源于1号和9号压电陶瓷传感器、曲线E源于1号和10号压电陶瓷传感器)，从图中可见，5条缺陷位置曲线存在共同交点，显然，该交点即为缺陷所在位置。
参见图4，在另一次试验中，在检测区内设置两处结构缺陷，按本发明方法获取到的7条缺陷位置曲线如图所示(其中，曲线A、B、C、D、E与压电陶瓷传感器的对应关系同前，曲线F源于5号和6号压电陶瓷传感器、曲线G源于5号和10号压电陶瓷传感器)；将图3和图4比较后可发现，由于图4中曲线是在两处结构缺陷条件下得到的，图4中曲线的集中度明显小于图3中曲线的集中度，但仍能从图4中看出曲线在两个位置处聚集；此外，经实际测量，图4曲线交点与实际的结构缺陷位置的偏差大于图3的情况，这说明检测区内结构缺陷数量会对本发明的定位精度造成影响，实际应用时，若初次检测得到多个结构缺陷位置，需进一步缩小检测区范围进行复检。

Claims (3)

1.一种基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，其特征在于：所述方法包括：
1)装置布设：在待测金属薄板表面设置多个压电陶瓷传感器，多个压电陶瓷传感器呈环形分布，多个压电陶瓷传感器所围区域形成检测区；在待测金属薄板表面设置一致动激励器，致动激励器位于检测区中部；以待测金属薄板表面为坐标平面，建立二维直角坐标系，获取各个压电陶瓷传感器在二维直角坐标系中的坐标；
2)信号获取：控制致动激励器向待测金属薄板施加扫频激励信号，同时，通过多个压电陶瓷传感器获取检测信号；
3)信号处理：对单个检测信号进行处理时，先对检测信号进行自适应滤波处理得到滤波信号，然后采用系统辨识方法对滤波信号进行处理，得到对应的滤波系数，然后根据滤波系数得到滤波系数最大值所对应的时延信息T；
4)缺陷定位：将任意两个压电陶瓷传感器记为一个传感器组，多个压电陶瓷传感器即可得到多个传感器组；
将单个传感器组所辖的两个压电陶瓷传感器分别记为第i号传感器和第j号传感器，按下式得到相应的缺陷位置曲线：
其中，Ti为第i号传感器对应的时延信息，Tj为第j号传感器对应的时延信息；(xi,yi)为第i号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标，(xj,yj)为第j号传感器在所述二维直角坐标系中的坐标；(x,y)为缺陷位置在所述二维直角坐标系中的坐标；
对多个传感器组进行处理，即可得到多条缺陷位置曲线；将多条缺陷位置曲线叠放在一起，多条缺陷位置曲线的交点在所述二维直角坐标系中的坐标位置即为缺陷位置，如此，就能在无导波传播速度的条件下实现缺陷定位。
2.根据权利要求1所述的基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，其特征在于：所述压电陶瓷传感器的数量为3个或3个以上。
3.根据权利要求1或2所述的基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法，其特征在于：步骤3)中，采用最小均方自适应滤波算法对检测信号进行自适应滤波处理。
CN201810643442.6A 2018-06-21 2018-06-21 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法 Active CN108802184B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810643442.6A CN108802184B (zh) 2018-06-21 2018-06-21 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810643442.6A CN108802184B (zh) 2018-06-21 2018-06-21 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108802184A true CN108802184A (zh) 2018-11-13
CN108802184B CN108802184B (zh) 2021-04-27

Family

ID=64083982

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810643442.6A Active CN108802184B (zh) 2018-06-21 2018-06-21 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108802184B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110579534A (zh) * 2019-09-05 2019-12-17 华东理工大学 基于互易性受损的带焊缝钢板缺陷无基线检测及定位方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6080761A (ja) * 1983-10-12 1985-05-08 Hitachi Ltd 超音波診断装置
CN101701937A (zh) * 2009-11-09 2010-05-05 哈尔滨工程大学 一种超声无损检测方法及检测装置
CN104880511A (zh) * 2015-05-25 2015-09-02 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法
CN105067239A (zh) * 2015-07-31 2015-11-18 电子科技大学 基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6080761A (ja) * 1983-10-12 1985-05-08 Hitachi Ltd 超音波診断装置
CN101701937A (zh) * 2009-11-09 2010-05-05 哈尔滨工程大学 一种超声无损检测方法及检测装置
CN104880511A (zh) * 2015-05-25 2015-09-02 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法
CN105067239A (zh) * 2015-07-31 2015-11-18 电子科技大学 基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜跃栋 等: "基于Lamb波的金属薄板载荷定位方法", 《无损检测》 *
尹本进 等: "基于Lamb波混合成像算法的薄板结构损伤定位", 《武汉科技大学学报》 *
张河: "《探测与识别技术》", 28 February 2005, 北京理工大学出版社 *
杨进 等: "泄漏声振动传播信道辨识及其在泄漏点定位中的应用", 《振动工程学报》 *
蒙彦宇: "《压电智能传感-驱动器力学性能及其应用》", 31 May 2016, 武汉大学出版社 *
袁宏杰 等: "《振动、冲击环境与试验》", 31 May 2017, 北京航空航天大学出版社 *
解维华 等: "基于Lamb的金属薄板损伤主动监测技术研究", 《压电与声光》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110579534A (zh) * 2019-09-05 2019-12-17 华东理工大学 基于互易性受损的带焊缝钢板缺陷无基线检测及定位方法
CN110579534B (zh) * 2019-09-05 2022-06-07 华东理工大学 基于互易性受损的带焊缝钢板缺陷无基线检测及定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108802184B (zh) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102043016B (zh) 基于兰姆波的自主式损伤识别成像方法
US8069011B2 (en) Generating damage probability-of-detection curves in structural health monitoring transducer networks
US10209223B2 (en) Real-time fusion of ultrasound and eddy current data during non-destructive examination
US11170489B2 (en) System and method for inspecting the condition of structures using remotely controlled devices
CN107014668A (zh) 一种基于压电和智能涂层传感器的疲劳裂纹综合监测方法
CN103591975B (zh) 一种超声波传感器指标检测方法及装置
CN104297346A (zh) 超声平板导波的金属板材无损检测系统及其检测方法
CN109900804A (zh) 一种基于超声导波的金属材料裂纹定量监测方法
Ham et al. Application of contactless ultrasound toward automated inspection of concrete structures
CN106706760A (zh) 全向性双圆形阵列的复合材料板声发射源定位方法
CN104049038A (zh) 一种复合材料的超声-声发射检测方法
CN109696480A (zh) 一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法
CN103472140B (zh) 一种超声相控阵成像探伤强度标定方法
CN104374830A (zh) 一种基于压电阵列的近场相控阵结构健康监测方法
CN108802184A (zh) 基于主动扫频声激励的金属薄板缺陷定位方法
Freeseman et al. Characterization of concrete at various freeze-thaw damage conditions using SH-waves
Schaal et al. Experimental investigation of lamb wave-based edge detection methods
CN104880511B (zh) 一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法
JP2022049170A (ja) 測定装置及び測定方法
CN108918668B (zh) 基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法
Michaels et al. Analysis of global ultrasonic sensor data from a full scale wing panel test
CN113340727B (zh) 一种无损检测建筑物混凝土力学参数的装置及方法
JP4701396B2 (ja) 超音波法によるコンクリート構造物のひび割れ深さ探査方法及びそのひび割れ深さ探査装置
Khazanovich et al. Nondestructive analysis of alkali-silica reaction damage in concrete slabs using shear waves
CN108427014A (zh) 一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant