CN110208383A - 一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法，属于无损检测领域。通过板结构兰姆波稀疏阵列检测系统，采集每个传感器激励其他传感器接收的检测信号，对信号进行滤波和幅值归一化处理，将反转路径下两信号的直达波对齐并做差得到差信号，取原始信号的包络，将差信号除以原始信号包络得到每对相邻传感器的反转路径差信号，对预处理获得的反转路径差信号用于延时叠加成像，便可得到整个板结构的散射声场的空间分布，实现缺陷监测和定位。该方法不再需要健康板的参考信号，通过对反转路径下的接收信号作差，消除了直达波和边界反射回波的对成像的影响。

Description

一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波成像方法，该方法适用于未知参考信号情况下的板结构缺陷检测及定位，属于无损检测领域。

背景技术

因具有传播距离远、检测效率高等优势，兰姆波技术已广泛应用于板、管等结构的无损检测及健康监测。利用稀疏分布在板结构上的传感器阵列，还可以实现板结构大范围成像。在兰姆波检测中，其检测信号波形复杂，蕴含信息丰富，既包括直达波和缺陷回波，又包括边界回波等特征体回波。与直达波和边界回波相比，缺陷回波幅值较小，易被其它回波及噪声所淹没，而兰姆波的频散和多模态特性更增加了检测信号分析和识别的难度。

在对板结构进行检测和监测时，针对弱缺陷回波提取问题，发展了一些简单、高效的信号处理手段。基线相减法是其中最典型有效的缺陷信息提取手段[1]，该方法通过将检测信号与预先获取的无缺陷状态下的基线(参考)信号相减，达到抵消直达波和边界回波、凸显缺陷回波的目的[2]。在实际使用中，由于检测信号与基线信号获取的环境条件一般是不同的。当环境条件变化较大时，基线相减法就无法准确、有效地去除检测信号中的直达波和界面回波。影响检测的环境因素主要包括载荷和边界条件，湿度和湿度等。已有研究表明，环境温度是对结构健康监测方法影响最大的外部因素之一[3]。针对基线相减法主要受环境温度影响的问题，国内外学者对其补偿及改进方法开展了大量的研究。例如，在传统基线相减法的基础上，Paul D[4]提出了一种最佳基线相减法，并通过试验研究了温度变化率对最佳基线相减法的适用性和鲁棒性的影响，结果表明，与基线减法相比，最佳基线相减法的适用性较强，其信噪比比常规基线法高近20dB。

针对传统基线相减法需要预先获取结构健康状态下的基线参考信号问题，国内外学者对基线信号获取的方法进行了改进。H.W.Park等[5]对时间反转激励下的损伤响应进行了分析，利用重建波源信号和初始波源信号来确定损伤存在的路径，从而估计出损伤位置。该方法不再需要结构健康状态的基线信号，但由于监测路径的限制，其定位精度较低。Jan Hettler[6]提出了一种基于瞬时基准的疲劳裂纹损伤识别方法。该方法通过将结构在不同激励幅值下的非线性超声响应进行比例相减，来实现结构中非线性损伤源(如疲劳裂纹)的检测。基于分层缺陷产生的二次谐波非线性响应，F.Ciampa[7]提出了一种基于二次相位耦合信息的双相干系数成像方法，该方法无需基线参考信号，但需要在结构上布置较多数量的传感器。Yun-KyuAn[8]提出一种阻抗阻抗转移技术，在被测板的两侧分别布置对称的两对传感器，将不同侧的接收信号进行加减组合运算，以消除直达波，保留下缺陷回波，实现了无参考的损伤检测。

以上缺陷信号提取方法大多针对缺陷的反射信息，未考虑超声波在缺陷处产生的散射信号。实际上，超声波传播到缺陷时，会产生散射现象，其散射场中包含有更丰富的缺陷信息。因此，若利用传感器阵列接收其散射场信号，从中可以提取出更为精确的缺陷状态信息，如缺陷的类型、尺寸、形状等。例如，Zhang J等[9]对线性相控阵探头接收到的超声信号进行全聚焦成像，利用提取出缺陷位置的散射系数矩阵，很好的实现了缺陷类型(裂纹、孔)及方向表征。郑阳等[10]利用环形分布的电磁声传感器阵列进行了板结构大范围缺陷检测研究，通过提取的散射系数矩阵实现板结构中裂纹长度及角度表征。

本发明利用反转路径下超声波在缺陷处散射场的差异性，将反转路径下的接收信号作差，提出了一种基于反转路径差信号的兰姆波稀疏阵列成像方法，实现板结构的无参考兰姆波成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需参考信号的板结构兰姆波成像方法，通过该方法可以较准确的确定缺陷的位置。在每个传感器激励接收性能一致且缺陷位于传感器对非对称位置的条件下，该方法将每对反转路径下传感器的两接收信号作差，消除影响缺陷成像的直达波和边界反射回波，利用获得的缺陷回波差信号，实现板中缺陷的无参考检测及成像。

本发明提出的一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法，其基本原理如下：

在无限大各向同性薄板中，两圆形压电传感器用于兰姆波的激励和接收，其中心距离为d₀。假设两压电传感器的性能一致，均能周向一致地向空间各方向激励和接收超声波。圆形缺陷的半径为r，位于远场。若考虑缺陷的尺寸效应，则激励传感器发射的多束声波会传播到缺陷处，并在缺陷处产生反射及散射，这些反射波及散射波的一部分又会被接收传感器所接收，如图1中所示。考虑到两个传感器接收到的缺陷回波以传感器主声束方向上的散射波为主(1号压电传感器激励、2号压电传感器接收时，传播路径为d₁和d₂；2号压电传感器激励、3号压电传感器接收时，传播路径为d₃和d₄)，则以其中一个压电传感器作为激励，另外一个压电传感器接收信号的频域表达式简化为：

其中X₁₂(ω)和X₂₁(ω)为两压电传感器分别作为激励传感器，另一传感器接收信号的频谱；为位移响应幅值；T(ω)、R(ω)为压电传感器的激励和接收传递函数；k为兰姆波的波数；D(α,ω)为兰姆波与缺陷相互作用后在α方向的散射系数。式中第一项为缺陷散射回波，第二项为直达波，若令则式(1)表示为：

将式(2)中两个表达式作差，并称其为反转路径差信号：

由式(3)可以看出，反转路径差信号中的直达波被消除了，仅保留下能够反映缺陷状态信息的缺陷散射回波的差。同时观察到，反转激励下缺陷散射回波的差信号与散射系数D和传播距离有关。正是由于这两个因素，造成了反转激励下缺陷散射回波的幅值和相位的不同。

在以上反转路径差信号分析基础上，能够进一步利用稀疏分布在板结构的压电阵列的反转路径差信号对板结构进行兰姆波成像。若稀疏阵列中包含的阵元个数为N，则组成N(N-1)/2个压电传感器对，得到N(N-1)组检测信号s_ij。其中，下标i、j分别表示激励接收压电传感器的序号，且i≠j。相应地，也能够得到N(N-1)组反转路径差信号Δs_ij＝s_ij-s_ji。利用这些反转路径差信号Δs_ij得到板中任意点(x,y)处散射声场强度：

其中，t_ij(x,y)为兰姆波由激励压电传感器(坐标为(x_i,y_i))传播到该点(坐标为(x,y))，再传播到接收压电传感器(坐标为(x_j,y_j))所用的时间，其表达式为：

其中，c_g为检测频率下兰姆波传播的群速度。

显然，式(4)所示散射场空间分布可以实现板结构损伤检测及成像。值得注意的是，上述成像中通过将反转压电传感器对的激励和接收信号作差，来达到消除直达波的影响，突出缺陷散射波的效果。同时，该方法无需无缺陷情况下的参考信号，可以很好避免由此带来的环境温度等因素的影响。

本发明的技术方案如下：

本发明所采用的装置参见图2，包括任意函数发生器1、电压放大器2、示波器3、压电传感器4和铝板试件5。其中任意函数发生器1的输出与电压放大器2的输入口连接，电压放大器2的输出与PZT5H压电陶瓷传感器4连接，任意函数发生器1的输出与示波器3的1通道连接，示波器3的2、3、4通道分别与其他压电传感器4连接。通过任意函数发生器1依次控制每一个压电传感器4进行激励，示波器3的2、3、4通道分别接收其他压电陶瓷传感器4的接收信号，重复接收和保存信号，直至激励完全部的压电传感器4外并且其他压电传感器4全部接收完毕。

本发明提出的一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：按照图2所示的检测装置系统图搭建板结构兰姆波实验系统，系统包括任意函数发生器1、电压放大器2、示波器3、压电传感器4和铝板试件5。将任意函数发生器1输出与电压放大器2的输入口连接，电压放大器2的输出与压电传感器4连接，任意函数发生器1的输出与示波器3的1通道连接，示波器3的2、3、4通道分别于其他压电传感器4连接。被测试件选取含缺陷的薄铝板即铝板试件5，将N个传感器分别布置在铝板试件5中的任意位置，传感器其内部包围面积为监测区域。

步骤二：通过函数发生器1设置激励信号的频率、周期和电压，用电压放大器2对激励信号进行放大。依次控制每一个压电传感器4进行激励，示波器3的2、3、4通道分别接收其他(N-1)个压电陶瓷传感器4的接收信号。重复接收和保存信号，直至激励完全部的压电传感器4，并且其他压电传感器4全部接收完毕。N个传感器可以组成N(N-1)/2对传感器，共得到得到N(N-1)组接收信号s_ij，1<i<N,1<j<N,i≠j。

步骤三：用带通滤波器对信号进行滤波处理；滤波后以直达波最大幅值为标准对信号进行归一化处理，并将反转路径下接收信号的直达波相位差归零，使得直达波对齐。将反转路径下每对传感器的接收信号作差，得到N(N-1)组反转路径差信号Δs_ij＝s_ij-s_ji。将作差后的信号Δs_ij除以原始信号的包络以放大缺陷回波差信号：

其中，a＝0.1。a的设置是为了防止原始信号包络存在的某些极小值使得出现某些极大值。

步骤四：在成像区域内，将预处理后的相邻传感器对的反转路径差信号代入式(4)，得到延时叠加成像结果，实现缺陷检测及定位。

与现有检测方法相比，本发明具有以下优点：(1)本发明通过将板结构稀疏阵列中反转路径下的两接收信号作差，消除直达波而保留下反映缺陷位置的回波差，不再需要结构健康时的参考信号，不受环境中温度等因素变化的影响；(2)每次检测时，只需激励N次压电传感器，其他(N-1)个压电传感器同时接收，不需要再通过实验获取基线信号，检测过程简单易操作；(3)该方法的不仅可以消除直达波，还可以消除边界反射回波的影响，对传感器布置位置的要求较小。

附图说明

图1无限大薄板中兰姆波传播模型示意图。

图2检测装置系统图。

图中：1、任意函数发生器，2、电压放大器，3、示波器，4、压电传感器，5、铝板试件。

图3典型接收信号及局部放大图。

图4预处理后信号及局部放大图。

图5成像结果。

图6为本方法的实施流程图。

具体实施方式

下面结合具体实验对本发明作进一步说明：

本实验实施过程包括以下步骤：

1、实验系统：按照图2所示的检测装置系统图搭建实验系统，系统包括任意函数发生器1、电压放大器2、示波器3、压电传感器4、1mm厚铝板试件5。其中任意函数发生器1输出与电压放大器2的输入口连接，电压放大器2的输出与压电传感器4连接，任意函数发生器1的输出与示波器3的1通道连接，示波器3的2、3、4通道分别于其他压电传感器4连接。被测试件为尺寸800mm*800mm厚1mm的铝板，铝板(350,370)位置处有一通透型孔洞缺陷，将四个传感器分别布置在板中的任意位置，坐标分别为1号传感器(300，500)、2号传感器(500,480)、3号传感器(250,300)、四号传感器(500,300)。压电传感器4的尺寸为直径8mm、厚1mm。

2、板结构兰姆波检测实验：用任意函数发生器1产生270kHz汉宁窗调制的5周期单音频激励信号，经电压放大器2将信号电压幅值放大至100Vpp，将放大后的电压施加到压电传感器电极上。依次控制每一个压电传感器4进行激励，示波器3的2、3、4通道分别接收并保存其他三个压电陶瓷传感器4的接收信号，采样频率为50MHz。重复接收和保存信号，直至激励完全部的压电传感器4并且其他三个压电传感器4全部接收完毕。四个传感器可以组成N(N-1)/2＝6对传感器，共得到N(N-1)＝12组接收信号s_ij，其中i表示激励传感器(1<i<4,1<j<4,i≠j)，图3为一组传感器对典型接收信号及其反转路径差信号。

3、信号预处理：用通带宽度为200kHz、通带衰减和阻带衰减分别为1dB和6dB的带通滤波器对信号进行滤波处理；滤波后以直达波最大幅值为标准对信号进行归一化处理；并将反转路径下接收信号的直达波相位差归零，使得直达波对齐。将反转路径下每对传感器的信号作差，得到N(N-1)组反转路径差信号Δs_ij＝s_ij-s_ji。由于缺陷反射回波的幅值较小，为了尽量放大缺陷反射回波差，将作差后的信号Δs_ij除以原始信号的包络以放大缺陷回波差信号：

其中，a＝0.1。a的设置是为了防止原始信号包络存在的某些极小值使得出现某些极大值。预处理后的典型信号及局部放大图如图4。

4、兰姆波成像：对于各对激励接收传感器，布置在板上的其它传感器也可以看作为缺陷，各传感器的反转路径差信号中也包含超声波在这些传感器上的散射波，会对反转路径差信号中缺陷散射波的分析带来不利的影响。为尽量减小其它传感器产生的散射波对缺陷波的影响，成像时仅采用相邻传感器对间的差信号进行延时叠加成像。利用相邻传感器对的反转路径差信号得到的成像结果如图5，图中小圆为传感器位置，大圆中心为缺陷实际位置，图中幅值最大点为成像定位结果。

参考文献

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[4]Konstantinidis G,Wilcox P D,Drinkwater B W.An Investigation Intothe Temperature Stability ofa Guided Wave Structural Health Monitoring SystemUsing Permanently Attached Sensors[J].IEEE Sensors Journal,2007,7(5):905-912.

[5]Park H W,Sohn H,Law K H,et al.Time reversal active sensing forhealth monitoring of a composite plate[J].Journal of Sound&Vibration,2007,302(1–2):50-66.

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[8]An Y K,Lim H J,Kim M K,et al.Application of local reference-freedamage detection techniques to in situ bridges[J].Journal of StructuralEngineering,2013,140(3):04013069.

[9]Zhang J,Drinkwater B W,Wilcox P D.Defect characterization using anultrasonic array to measure the scattering coefficient matrix[J].IEEETransactions on Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control,2008,55(10):2254-65.

[10]郑阳,何存富,周进节,et al.超声Lamb波在缺陷处的二维散射特性研究[J].工程力学,2013,30(8):236-243.

Claims (1)

1.一种基于反转路径差信号的板结构兰姆波无参考成像方法，在无限大各向同性薄板中，两圆形压电传感器用于兰姆波的激励和接收，其中心距离为d0；假设两压电传感器的性能一致，均能周向一致地向空间各方向激励和接收超声波；圆形缺陷的半径为r，位于远场；若考虑缺陷的尺寸效应，则激励传感器发射的多束声波会传播到缺陷处，并在缺陷处产生反射及散射，这些反射波及散射波的一部分又会被接收传感器所接收，考虑到两个传感器接收到的缺陷回波以传感器主声束方向上的散射波为主，1号压电传感器激励、2号压电传感器接收时，传播路径为d₁和d₂；2号压电传感器激励、3号压电传感器接收时，传播路径为d₃和d₄，则以其中一个压电传感器作为激励，另外一个压电传感器接收信号的频域表达式简化为：

其中X₁₂(ω)和X₂₁(ω)为两压电传感器分别作为激励传感器，另一传感器接收信号的频谱；为位移响应幅值；T(ω)、R(ω)为压电传感器的激励和接收传递函数；k为兰姆波的波数；D(α,ω)为兰姆波与缺陷相互作用后在α方向的散射系数；式中第一项为缺陷散射回波，第二项为直达波，若令则式(1)表示为：

将式(2)中两个表达式作差，并称其为反转路径差信号：

由式(3)可以看出，反转路径差信号中的直达波被消除了，仅保留下能够反映缺陷状态信息的缺陷散射回波的差；同时观察到，反转激励下缺陷散射回波的差信号与散射系数D和传播距离有关；正是由于这两个因素，造成了反转激励下缺陷散射回波的幅值和相位的不同；

在反转路径差信号分析基础上，能够进一步利用稀疏分布在板结构的压电阵列的反转路径差信号对板结构进行兰姆波成像；若稀疏阵列中包含的阵元个数为N，则组成N(N-1)/2个压电传感器对，得到N(N-1)组检测信号s_ij；其中，下标i、j分别表示激励接收压电传感器的序号，且i≠j；相应地，也能够得到N(N-1)组反转路径差信号Δs_ij＝s_ij-s_ji；利用这些反转路径差信号Δs_ij得到板中任意点(x,y)处散射声场强度：

其中，t_ij(x,y)为兰姆波由激励压电传感器(坐标为(x_i,y_i))传播到该点(坐标为(x,y))，再传播到接收压电传感器(坐标为(x_j,y_j))所用的时间，其表达式为：

其中，c_g为检测频率下兰姆波传播的群速度；

显然，式(4)所示散射场空间分布实现板结构损伤检测及成像；上述成像中通过将反转压电传感器对的激励和接收信号作差，来消除直达波的影响，突出缺陷散射波的效果；

其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的，

步骤一：搭建板结构兰姆波实验系统，系统包括任意函数发生器(1)、电压放大器(2)、示波器(3)、压电传感器(4)和铝板试件(5)；将任意函数发生器(1)输出与电压放大器(2)的输入口连接，电压放大器(2)的输出与压电传感器(4)连接，任意函数发生器(1)的输出与示波器(3)的1通道连接，示波器(3)的2、3、4通道分别于其他压电传感器(4)连接；被测试件选取含缺陷的薄铝板即铝板试件(5)，将N个传感器分别布置在铝板试件(5)中的任意位置，传感器其内部包围面积为监测区域；

步骤二：通过函数发生器(1)设置激励信号的频率、周期和电压，用电压放大器(2)对激励信号进行放大；依次控制每一个压电传感器(4)进行激励，示波器(3)的2、3、4通道分别接收其他(N-1)个压电传感器(4)的接收信号；重复接收和保存信号，直至激励完全部的压电传感器(4)，并且其他压电传感器(4)全部接收完毕；N个传感器可以组成N(N-1)/2对传感器，共得到得到N(N-1)组接收信号s_ij，1<i<N,1<j<N,i≠j；

步骤三：用带通滤波器对信号进行滤波处理；滤波后以直达波最大幅值为标准对信号进行归一化处理，并将反转路径下接收信号的直达波相位差归零，使得直达波对齐；将反转路径下每对传感器的接收信号作差，得到N(N-1)组反转路径差信号Δs_ij＝s_ij-s_ji；将作差后的信号Δs_ij除以原始信号的包络以放大缺陷回波差信号：

其中，a＝0.1；a的设置是为了防止原始信号包络存在的某些极小值使得出现某些极大值；

步骤四：在成像区域内，将预处理后的相邻传感器对的反转路径差信号代入式(4)，得到延时叠加成像结果，实现缺陷检测及定位。