CN109085250A - 一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，包括：通过事先在材料进行撞击试验获得声发射信号，将声发射波的波形第一个峰值点作为声发射信号的到达时间t，通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离和到达时间t获得整个结构中的声发射波速度分布规律，在结构上面布置三个传感器，收集未知点的声发射信号，获得未知点声发射信号的到达时间，再利用声发射波速度分布规律和声发射波到达时间得到声发射波到三个传感器的距离，将距离带入重心定位算法程序中即可得到结构损伤点的二维平面坐标。通过此方法，不受传感器位置的制约，同时可以较为准确的计算出结构中损伤点的位置，能更好的满足现实环境条件的要求。

Description

一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，属于声发射检测领域，尤其涉及利用声发射检测技术和基于重心坐标的定位算法对被检测结构损伤点定位的方法。

背景技术

工程实际应用中会出现如撞击，结构负荷过重，材料过热过冷的状况。这些意外会导致工程的材料结构发生裂缝、空洞，严重时甚至会引起结构断裂、破碎，这严重影响了人们生产生活的安全性，由此可见实时监测并定位损伤点的位置是工程安全问题的重中之重。

声发射技术是一种无损探伤技术，与其他检测技术相比，它具有对检测环境条件要求不高，对被检测物几何形状没有要求，可以实时监测等特点，具有相当高的优越性。

声发射定位的方法主要有两种，分别是区域定位法和时差定位法。其中区域定位法只是一种粗略的估计位置的方法，而时差定位是一种较为准确的定位方法，它主要通过检测声发射信号到达各个传感器的时间差，根据声发射波的波速，传感器与损伤点的距离等参数来计算未知点位置的一种方法。如果利用时差法进行线定位时，需要使用两个传感器，当进行面定位是需要至少三个传感器。然而它的缺点也很明显，当进行面定位时，它只能计算三个传感器组成的三角形内部的定位。也就是说，当损伤点位于三角形外部时，这种定位方法就无能为力了。而本文使用的是重心坐标定位法。这种方法不受传感器位置的制约，同时可以较为准确的计算出结构中损伤点的位置，能更好的满足现实环境条件的要求，因此急需一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是利用声发射的波形和重心坐标算法对被检测结构损伤点进行定位，用以监测损伤点在结构中的位置。

本发明的一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，包括以下步骤：

步骤1：通过事先在材料进行撞击试验获得声发射信号，将声发射波的波形第一个峰值点作为声发射信号的到达时间t，通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离l和到达时间t获得整个结构中的声发射波速度分布规律。

步骤2：在结构上面布置三个传感器，收集未知点的声发射信号，获得未知点声发射信号的到达时间，再利用声发射波速度分布规律和声发射波到达时间得到声发射波到三个传感器的距离。

步骤3：根据距离计算出重心坐标的系数a_li,a_lj,a_lk，当求解的所有重心坐标系数的符号解唯一时，判定该唯一解为所有重心坐标系数的符号。

步骤4：在确定好的系数符号基础上，根据公式2将重心坐标转换为二维平面坐标从而计算出损伤点的具体位置坐标。

优选的，在步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，且a_li,a_lj,a_lk其中有一个为0，说明此时损伤点在三角形某一边上，可以根据|a_lj|，|a_lk|的关系来确定损伤点具体落在哪个边界上。

优选的，在步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，|a_li|＝1且|a_lk|＝|a_lj|≠0时根据三角形三边长或平行四边形边长与对角线的关系确定。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的平面结构损伤定位实验的示意图；

图2是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的重心坐标符号出现多解情况下得示意图；

图3是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的测量声发射传播速度的实验示意图；

图4是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的声发射波到达传感器时间的示意图；

图5是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的重心坐标定位算法的流程图；

图6是本发明实施例的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法的声发射损伤定位原理示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明实施例提供了一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，包括以下步骤：

步骤1：通过事先在材料进行撞击试验获得声发射信号，将声发射波的波形第一个峰值点作为声发射信号的到达时间t，通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离l和到达时间t获得整个结构中的声发射波速度分布规律。

步骤2：在结构上面布置三个传感器，收集未知点的声发射信号，获得未知点声发射信号的到达时间，再利用声发射波速度分布规律和声发射波到达时间得到声发射波到三个传感器的距离。

步骤3：根据距离计算出重心坐标的系数a_li,a_lj,a_lk，当求解的所有重心坐标系数的符号解唯一时，判定该唯一解为所有重心坐标系数的符号。

步骤4：在确定好的系数符号基础上，根据公式2将重心坐标转换为二维平面坐标从而计算出损伤点的具体位置坐标。

此外，在步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，且a_li,a_lj,a_lk其中有一个为0，说明此时损伤点在三角形某一边上，可以根据|a_lj|，|a_lk|的关系来确定损伤点具体落在哪个边界上。在步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，|a_li|＝1且|a_lk|＝|a_lj|≠0时根据三角形三边长或平行四边形边长与对角线的关系确定。

一、关于重心坐标定位算法的介绍：

1.重心坐标算法的理论实现

重心坐标描述了一个点相对于其他点的相对位置，例如由欧式坐标中的三个点ijk就可以来表示组成三角形的重心坐标。而P点是位于三角形S_ijk内部的某一点，可以用向量的形式表示为：

p_l＝a_lip_i+a_ljp_j+a_lkp_k， (1)

特别的，当a_li+a_lj+a_lk＝1时，此时的重心坐标被称为平面重心坐标。他可以用来表示的平面位置。其中a_li,a_lj,a_lk可以用下面公式来表示：

若想要将三角形的重心坐标转换为欧式坐标可以用下式来转换：

根据Cayley的理论，三角形S_lik的面积可以表示为

其中，d_lj,d_lk d_jk分别是声源点l到组成三角形传感器的i,j,k三个点的距离。

2、利用重心坐标进行定位

首先通过收集三个传感器的声发射波形得到的基于三个传感器之间的距离d_ij,d_ik d_jk以及损伤点到三个传感器的距离d_lj,d_lk d_li，利用重心坐标方法，完成待定位点p_l的二维平面坐标定位。如图1所示，定位点被分为了7个区域，由于根据待定位点p_l的分布区域的不同，导致重心坐标系数a_li a_lj a_lk符号不确定。所以我们将p_l＝a_lip_i+a_ljp_j+a_lkp_k式修改为：

σ_li|a_li|+σ_lj|a_lj|+σ_lk|a_lk|＝1， (5)

其中，a_li a_lj a_lk为无符号重心坐标系数，σ_li σ_lj σ_lk为相应的重心坐标系数的符号，取值1或-1。通过此改进，则相应的(2)式分别更改为：

而待定位点p_l相对于锚点p_i、p_j、p_k可以表示为：

p_l＝σ_li|a_li|p_i+σ_lj|a_lj|p_j+σ_lk|a_lk|p_k， (7)

3、下面讨论重心坐标符号σ_li σ_lj σ_lk的求解

当(5)式中(σ_li σ_lj σ_lk)有唯一解时，利用重心坐标可以直接得出未知点l的位置。

当(5)式中(σ_li σ_lj σ_lk)有多解时，有下列几种情况下情况：

3.1 当l点落在由S_ijk组成的三角形边上时，此时当a_li,a_lj,a_lk其中有一个点为0，为了易于表述，我们先假定a_li为0。由(5)可知，当a_li为0时，l应该落在直线l_jk上，此时(σ_liσ_lj σ_lk)有(1，1，-1)，(1，1，1)，(1，-1，1)。所以，我们可以根据|a_lj||a_lk|的关系来确定l具体落在哪个边界上。

3.1.1 若|a_lj||a_lk|均小于等于1，则由(6)可知三角形S_lki和三角形S_lij均小于三角形S_ijk的面积。此时说明l点必在线段l_kj中间。则此时的符号可取(1，1，1)

3.1.2 若|a_lj|大于1且|a_lj|大于|a_lk|，则可以说明l_ki大于l_ij，所以l点落在符号(1，1，-1)处。

3.1.3 同理若|a_lk|大于1且于|a_lk|大于|a_lj|，则可以说明点落在符号(1，-1，1)处，综上有下式：

3.2 |a_li|＝1且|a_lk|＝|a_lj|≠0此时有如下图所示的l′,l”,l”′三种情况，这三种情况均无法则依靠符号的正负来定位l点所在区域，需要进一步分类讨论。

3.2.1 当l点位于l‘时由图2可得(σ_li σ_lj σ_lk)＝(1，-1，1)再将其带入式(6)可知S_ljk＝S_lki＝S_ijk，所以l‘必定在过i点的直线l_jk的平行线上。此时∠jil′为锐角。

由三角形三边长关系的公式可知

此时所以可以通过比较三角形三边的大小来判断l'的位置。

2.2.2 当l点位于l”时由上图可得(σ_li σ_lj σ_lk)＝(1，1，-1)再将其带入式(6)可知S_ljk＝S_lki＝S_ijk，所以l”必定在过i点的直线l_jk的平行线上。此时∠jil”为钝角，由公式(10)可知此时所以可以通过比较三角形三边的大小来判断l点位置。

2.2.3 当l点位于l”'时由上图可知(σ_li σ_lj σ_lk)＝(-1，1，1)再由式(3)可知此时|a_lk|＝|a_lj|＝1结合(6)式子可得S_ljk＝S_ijk，S_lij＝S_ijk和S_lki＝S_ijk，此时我们可以得到得

d_ik＝d_jl‘’‘d_ij＝d_kl‘’‘， (10)

所四边形iklj是平行四边形。由平行四边形四边对角线平方和定理可得

由图2可见，仅在l”′处四边形iklj才是平行四边形，所以我们可以用(12)式来确定l”′点的位置。

故综上所述，对于无量测误差下的定位，判断程序的流程图如图5所示。

二、声发射平面损伤定位的实现

1、平台的搭建

由于本系统设计、程序实现全部基于实际实验数据，因此需要一套能够采集、处理、显示信号的试验设备和操作软件。按照声发射检测原理图6所示：

(1)声发射源由断铅信号模拟。采用晨光M-1001自动铅笔搭配晨光ASLW9401自动铅笔芯(0.5mm)产生断铅信号。每次实验按动三次，铅芯露出部分大约2.5mm，与构件平面呈30°夹角折断。每根铅芯前两次和最后两次断裂舍去。

(2)实验板材选用600mm*600mm均匀铝合金板，板材平均厚度3mm。

(3)传感器耦合剂选用应满足：易于变形，能紧密的填充在传感器与板材的空隙间；声阻抗大，以利于弹性波尽可能多的被传感器捕捉；对人无害、价格低廉、来源方便。最终我们选用凡士林做耦合剂。

(4)传感器选择SR150N压电式声发射传感器，该传感器采用不锈钢材质，有效屏蔽干扰信号，接触面采用陶瓷材料使外壳与被测物电磁隔离其检测带宽为20KHz-220KHz，属于中低频传感器。

(5)前置放大器选择美国物理声学公司(PAC)的MISTRAS前置放大器放大倍数设置为40dB。

(6)信号采集、处理、送显设备和软件使用PAC公司的AEwin软件以及配套硬件设备。

2、波速的测量

波速测定时在铝合金板上相距350mm放置两个压电式声发射传感器，使用凡士林充当耦合剂尽可能使其与板面完全贴合，传感器记作S1和S2，如图3所示，在距离S2为30mm处进行三次断铅实验。设置前置放大器放大倍数为40dB。将传感器采集到的信号绝对值化通过软件编程实现极大值点提取并用分段线性插值法将各极值点相连形成包络线，将包络线第一个峰值作为声发射弹性波到达时间，如图4提取信号到达传感器的时间差，计算波速时按照下式：

其中ν表示波速、|ΔS|表示信号发射点到两传感器S1、S2的距离差绝对值、|ΔT|表示信号发射点到两传感器S1、S2的时间差绝对值。为了了避免实验的偶然性。我们设计了一系列的附加实验，在传感器布局不变的前提下，在距离S2传感器60mm、90mm、120mm、150mm、180mm处各进行三次实验，以排除距离因素可能对传感器判断造成的影响。实验点分布如图3所示：

3、损伤点定位

声发射弹性波的波速测得之后便可以通过计算，得到传播时间已知的各断铅实验点到传感器的距离。故可以在平面上布置一个三角形分布的传感器阵列，使用MATLAB实现各信号波形的处理、计算距离，并通过重心坐标算法得到实验点的重心坐标，并将软件计算结果与实际坐标相比较，从而验证算法的可行性。三角形传感器阵列以及断铅实验点的分布如图1所示。

通过三个传感器采集声发射信号，并在matlab进行滤波处理得到声发射波信号的波形。通过波形得到声发射信号的到达时间t_li，t_lj，t_lk。再结合上一步骤中声发射波传播速度规律可以得到损伤点到三个传感器的距离d_lj,d_lk d_li。最后将距离带入重心算法程序即可得到损伤点的二维坐标。

有益效果：这种方法不受传感器位置的制约，同时可以较为准确的计算出结构中损伤点的位置，能更好的满足现实环境条件的要求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：事先在材料进行撞击试验获得声发射信号，将声发射波的波形第一个峰值点作为声发射信号的到达时间t，测量被检测结构损伤点到传感器的距离l和到达时间t获得整个结构中的声发射波速度分布规律；

步骤2：在结构上面布置三个传感器，收集未知点的声发射信号，获得未知点声发射信号的到达时间，再利用声发射波速度分布规律和声发射波到达时间得到声发射波到三个传感器的距离；

步骤3：根据距离计算出重心坐标的系数a_li,a_lj,a_lk，当求解的所有重心坐标系数的符号解唯一时，判定该唯一解为所有重心坐标系数的符号；

步骤4：在确定好的系数符号基础上，根据公式将重心坐标转换为二维平面坐标从而计算出损伤点的具体位置坐标；

2.根据权利要求1所述的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，其特征在于，所述步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，且a_li,a_lj,a_lk其中有一个为0，说明此时损伤点在三角形某一边上，根据|a_lj|，|a_lk|的关系来确定损伤点具体落在哪个边界上。

3.根据权利要求1所述的基于重心坐标的声发射结构损伤定位方法，其特征在于，所述步骤3中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，|a_li|＝1且|a_lk|＝|a_lj|≠0时可根据三角形三边长或平行四边形边长与对角线的关系确定。