CN109187763B - 一种基于四传感器阵列对声发射源定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四传感器阵列对声发射源定位的方法，包括材料进行撞击试验获得声发射信号和声发射波速度分布规律。结构上面布置四个传感器，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和距离。四个传感器中任选三个传感器构成传感器组，将每一个传感器组的距离带入重心定位算法程序中，剔除产生误判的点，对剩余点求平均值，得到结构损伤点的二维平面坐标。本发明扩展了利用重心坐标算法定位声源点的应用范围，使它在传感器组为钝角三角形的情况下依然可以用重心坐标算法计算声源点位置，并且提高了定位声源的精度，使声源点处于区域临界线上依然可以准确的判断声源点位置，从而避免了在引入误差情况下定位精度无法保证的问题。

Description

一种基于四传感器阵列对声发射源定位的方法

技术领域

本发明提供了一种基于四传感器阵列对声发射源定位的方法，属于声发射定位领域，尤其涉及利用四传感器阵列和声发射波形对平面内某一声源点定位的方法。

背景技术

目前，利用声发射进行的定位技术已经在各种工程中有了越来越多的应用。在工程中需要对材料的损伤点进行排查时，常常需要利用声发射技术对其进行实时的监测，定位。然而，传统的平面定位方法只能在由三个传感器组成的三角形内侧进行定位，当工程的实际对传感器摆放位置，数量要求较高时，传统的定位方法就失效了。于是，基于三个传感器阵列的定位方法应运而生。

基于三个传感器阵列的重心坐标定位方法可以在对传感器的位置数量要求较高的情况下使用，然而它还存在两个问题需要解决：一是它在没有误差干扰时是非常准确的，然而在我们实际应用中，难免会引入误差。在这种情况下，基于三个传感器阵列的定位方法会对定位点的区域产生误判，从而造成最终定位结果的较大误差；二是该定位算法并没有考虑传感器阵列为钝角三角形的情况，当三角形为钝角三角形时，定位算法失效，需要进一步修改完善。

因此，我们引入基于四个声发射传感器阵列的定位算法。在此算法中，我们可以通过由四个传感器任意组合形成的4个三角形传感器阵列分别计算检测结构损伤点的坐标，从而可以剔除出在误差条件下产生误判的点，进一步提高定位的精确度。另外，在四个传感器阵列的情况下，必然会有传感器组为钝角三角形的情况出现，所以我们在此专利中改进了重心坐标算法，使它在钝角三角形中也可以应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是利用四传感器阵列和重心坐标算法对未知声源点进行定位，用以监测损伤点在结构中的位置。

本发明的一种基于四传感器阵列的声发射定位方法，包括：

步骤1:通过在被检测结构上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。通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离和到达时间获得整个结构中的声发射波速度分布规律。

步骤2：在被检测结构上面布置四个声发射传感器，任意选取其中的三个构成一组传感器组。在四个传感器阵列的情况下，共有四个传感器组。收集损伤点产生的声发射信号，获得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损伤点到传感器组中各传感器的距离。

步骤3：利用损伤点到各传感器的距离判断每组传感器阵列组成三角形的几何形状。

步骤4：根据距离和几何形状计算出每组传感器阵列的重心坐标系数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5：在确定好的系数符号基础上，根据公式1得出相对每组传感器阵列所对应的损伤点的具体位置坐标。

步骤6：通过分析相对各组传感器阵列所对应的损伤点的定位结果，剔除出产生误判的点，并求出损伤点的平均二维坐标。

优选的，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。可以根据另外量参数绝对值的关系来确定损伤点具体落在哪条边界上。

优选的，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，且满足|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。

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是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的重心坐标符号在锐角三角形下分布的示意图；

图2是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的平面结构损伤定位实验的示意图；

图3是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的重心坐标符号在钝角三角形下分布的示意图；

图4是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的重心坐标符号在锐角角三角形下出现多解情况下得时示意图；

图5是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的重心坐标符号在钝角三角形下出现多解情况下得时示意图；

图6是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的测量声发射传播速度的实验示意图；

图7是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的四个声发射传感器阵列采集声发射信号的示意图；

图8是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的重心坐标定位算法的流程图；

图9是本发明实施例基于四传感器阵列的声发射定位方法的声发射定位的原理图。

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。

本发明的一种基于四传感器阵列的声发射定位方法，包括：

步骤1:通过在被检测结构上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。通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离和到达时间获得整个结构中的声发射波速度分布规律。

步骤2：在被检测结构上面布置四个声发射传感器，任意选取其中的三个构成一组传感器组。在四个传感器阵列的情况下，共有四个传感器组。收集损伤点产生的声发射信号，获得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损伤点到传感器组中各传感器的距离。

步骤3：利用损伤点到各传感器的距离判断每组传感器阵列组成三角形的几何形状。

步骤4：根据距离和几何形状计算出每组传感器阵列的重心坐标系数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5：在确定好的系数符号基础上，根据公式1得出相对每组传感器阵列所对应的损伤点的具体位置坐标。

步骤6：通过分析相对各组传感器阵列所对应的损伤点的定位结果，剔除出产生误判的点，并求出损伤点的平均二维坐标。

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。可以根据另外量参数绝对值的关系来确定损伤点具体落在哪条边界上。当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，且满足|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。

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。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

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_ikd_jk以及损伤点到三个传感器的距离d_lj,d_lkd_li，如图1，定位点被分为了7个区域，重心坐标系数a_li a_lj a_lk符号并不确定。所以我们将(1)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_liσ_ljσ_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_liσ_ljσ_lk的求解

当a_li、a_lj、a_lk中，存在其中一项等于零时根据下式判断σ_li、σ_lj、σ_lk符号。

当a_li、a_lj、a_lk中，均非零根据下式判断σ_li、σ_lj、σ_lk符号。

区域划分如图1所示

4对上述重心坐标算法的改进

4.1对传感器阵列为钝角三角形的讨论

传统的坐标算法只考虑了三个传感器组成为锐角三角形的情况，在实际的工程中可能会对传传感器的摆放位置要求更加苛刻，因此应着重考虑传感器组为钝角三角形的情况。

当|a_li|＝1且|a_lk|＝|a_lj|≠0且此时传感器组为钝角三角形时，上述结论不再成立，在钝角三角形中重心坐标的符号分布图如图2所示。

4.1.1当l点位于l‘时由图3可得(σ_liσ_ljσ_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。

4.1.2当l点位于l”时由上图可得(σ_liσ_ljσ_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，由公式(9)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。

4.1.3当l点位于l”'时由上图可知(σ_liσ_ljσ_lk)＝(-1，1，1)再由式(3)可知此时|a_lk|＝|al_j|＝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‘’‘， (11)

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3可见，仅在l”'处四边形iklj才是平行四边形，所以我们可以用(11)式来确定l”'点的位置。

故综上所述，对于考虑三角形形状下的重心坐标算法，判断程序的流程图如图7所示

4.2利用四传感器阵列减小误差

在考虑误差的情况下，三传感器阵列由于是根据将平面划分区域，判断每个区域的重心坐标符号进行定位的，当引入误差后，在每个区域分界线上的点将会很容易被算法错误判断区域，导致产生较大的误差。在引入四传感器阵列后，可以将任意每三个传感器分成一组，每一组传感器分别计算生源点的重心坐标。通过比较四组传感器判断的重心坐标，可以排查出产生误判的传感器组，从而极大的减小了因临界情况产生的误差。

二、在声发射平面对声源点的定位

1、实验硬件与软件的配置工作

实验的软件程序包括对信号的采集、处理、送显功能均由PAC公司的AEwin软件来实现；实验的硬件设置按照声发射检测原理图6所示：

(1)声发射源由小钢球撞击产生。

(2)实验板材选用600mm*600mm均匀大理石，板材平均厚度10mm。

(3)传感器耦合剂选用PXUAC型水基声发射耦合剂，它可以使传感器与材料更加紧密的接触，进一步提高传感器接受声发射波形的准确度。

(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25-35Khz。

(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。

2、波速的测量

在大理石板上相距350mm的位置布置两个压电式声发射传感器，用PXUAC型水基声发射耦合剂使其尽可能与金属板面完全贴合，在两传感器之间每隔一定距离选出若干个测试点。传感器的布置如图6所示。对平面内的多个测试点分别进行多次小球撞击实验，采集传感器所收集的声发射波信号。利用matlab中进行滤波处理后，通过软件编程提取出极大值，并用分段线性插值法将各极值点相连形成包络线，得到声发射波形，如图7所示。选取声发射信号的第一个峰值时间作为声发射波的到达时间t，再结合测量撞击点到传感器的距离l，可以得到声发射波在每一个测试点的速度情况。通过多次计算，舍弃异常点，计算平均速度，就可得在材料结构中声发射波的速度分布规律。

3、对未知声源点的定位

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。故可以在如图1的平面上布置一个传感器阵列ABCD，其中每三个传感器可以组成一个传感器组，共有四个传感器组ABC,ABD,ACD,BCD。

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。设未知声源点(断铅点)为点l通过波形得到声发射信号的到达时间t_la，t_lb，t_lc，t_ld。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_la，d_lb，d_lc，d_ld。

在传感器ABC中提取距离d_la，d_lb，d_lc，利用距离判断三角形ABC的形状，并将距离带入考虑三角形形状的重心坐标算法，得出未知点的二维坐标。重复上述步骤，一直得到基于ABD,ACD,BCD所有传感器组得到的定位点的二维坐标。

通过比较各个传感器组的二维平面坐标，剔除出产生误判区域的点，并将剩余的点求平均值，得到最终基于四个锚节点的二维坐标。

有益效果：本发明扩展了利用重心坐标算法定位声源点的应用范围，使它在传感器组为钝角三角形的情况下依然可以用重心坐标算法计算声源点位置，并且提高了定位声源的精度，使声源点处于区域临界线上依然可以准确的判断声源点位置，从而避免了在引入误差情况下定位精度无法保证的问题。

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 (1)

1.一种基于四传感器阵列对声发射源定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在被检测结构上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，通过测量被检测结构损伤点到传感器的距离和到达时间获得整个结构中的声发射波速度分布规律；

步骤2：在被检测结构上面布置四个声发射传感器，任意选取其中的三个构成一组传感器组，在四个传感器阵列的情况下，共有四个传感器组，收集损伤点产生的声发射信号，获得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损伤点到传感器组中各传感器的距离；

步骤3：利用损伤点到各传感器的距离判断每组传感器阵列组成三角形的几何形状；

步骤4：根据距离和几何形状计算出每组传感器阵列的重心坐标系数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，判定所述符号解为所有重心坐标系数的符号；

步骤5：在确定好的重心坐标系数的符号基础上，根据公式p_l＝a_lip_i+a_ljp_j+a_lkp_k得出相对每组传感器阵列所对应的损伤点的具体位置坐标；其中p_l为待定位点，p_i、p_j、p_k为锚点；

步骤6：通过分析相对各组传感器阵列所对应的损伤点的定位结果，剔除出产生误判的点，并求出损伤点的平均二维坐标；

还包括对重心坐标算法的改进的步骤：

所述步骤4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，此时损伤点在三角形某一边上，根据另外两重心坐标系数绝对值的关系来确定损伤点具体落在哪条边界上；

所述步骤4中，当求解的所有重心坐标系数的符号解不唯一时，且满足|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重心坐标系数的符号值。

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