CN111289611B - 一种复合材料缺陷类型检测方法及装置 - Google Patents

一种复合材料缺陷类型检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合材料缺陷类型检测方法及装置，属于敲击检测技术领域，对已知缺陷类型的复合材料进行敲击检测，采集至少一个样本；所述样本为缺陷类型已知的区域的冲击响应信号；并从样本中提取对应缺陷类型的样本特征序列；采集待测材料的待检测区域的冲击响应信号，并从待检测区域的冲击响应信号中提取待测材料特征序列；计算待测材料特征序列与样本特征序列之间的关联度；选取关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型，解决现有技术中对复合材料缺陷类型判定比较困难的问题。

Description

一种复合材料缺陷类型检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种复合材料缺陷类型检测方法及装置，属于敲击检测技术领域。
背景技术
敲击检测技术是复合材料无损检测领域中的重要技术之一，自上世纪80年代以来，传统敲击检测技术与现代传感器技术进行了结合，得到了迅速的发展。利用敲击检测装置对被检材料表面进行敲击并获取冲击应力信号，通过对冲击应力信号的分析能够对材料内部是否存在缺陷进行有效辨识。
但目前敲击检测技术中对于冲击应力信号的分析多用于对缺陷位置进行确定，很难对缺陷类型进行准确的辨别。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料缺陷类型检测方法及装置，以解决现有技术中对复合材料缺陷类型判定比较困难的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种复合材料缺陷类型检测方法，包括如下步骤：
1)对已知缺陷类型的复合材料进行敲击检测，采集至少一个样本；所述样本为缺陷类型已知的区域的冲击响应信号；并从所述样本中提取对应缺陷类型的样本特征序列；
2)采集待测材料的待检测区域的冲击响应信号，并从待检测区域的冲击响应信号中提取待测材料特征序列；
3)计算所述待测材料特征序列与所述样本特征序列之间的关联度；
4)选取所述关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型。
本发明通过将利用敲击检测技术获取的复合材料冲击应力信号即冲击响应信号，从中提取出对应的特征序列，通过对复合材料中待测区域与已知缺陷类型的样本的特征序列进行关联度计算，得到与待测区域对应的关联度最高的样本的缺陷类型，从而实现对待测区域缺陷类型的判定。本发明将复合材料的冲击应力信号有效地应用于缺陷类型检测中，检测结果精确、可靠。
进一步的，所述步骤1)和步骤2)中从冲击响应信号中提取对应特征序列的方式为：从所述冲击响应信号的曲线中，从零到峰值的时间段内，按照等时距的方式提取n个特征点，组成对应的特征序列，n≥2。
进一步的，所述步骤3)中，采用灰色关联分析法计算所述待测材料特征序列与所述样本特征序列之间的关联度。
进一步的，所述步骤3)中，通过灰色关联分析法计算关联度包括以下步骤：
(1)将待测材料特征序列和样本特征序列始点初值像，计算相对关联度；
(2)将待测材料特征序列和样本特征序列始点零化像，计算绝对关联度；
(3)对所述相对关联度和绝对关联度加权求和，计算灰色综合关联度。
进一步的，所述缺陷类型包括无损、分层、脱粘和裂纹。
本发明还提供了一种复合材料缺陷类型检测装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现如下步骤：
1)对已知缺陷类型的复合材料进行敲击检测，采集至少一个样本；所述样本为缺陷类型已知的区域的冲击响应信号；并从所述样本中提取对应缺陷类型的样本特征序列；
2)采集待测材料的待检测区域的冲击响应信号，并从待检测区域的冲击响应信号中提取待测材料特征序列；
3)计算所述待测材料特征序列与所述样本特征序列之间的关联度；
4)选取所述关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型。
本发明通过将利用敲击检测技术获取的复合材料冲击应力信号即冲击响应信号，从中提取出对应的特征序列，通过对复合材料中待测区域与已知缺陷类型的样本的特征序列进行关联度计算，得到与待测区域对应的关联度最高的样本的缺陷类型，从而实现对待测区域缺陷类型的判定。本发明将复合材料的冲击应力信号有效地应用于缺陷类型检测中，检测结果精确、可靠。
进一步的，所述步骤1)和步骤2)中从冲击响应信号中提取对应特征序列的方式为：从所述冲击响应信号的曲线中，从零到峰值的时间段内，按照等时距的方式提取n个特征点，组成对应的特征序列，n≥2。
进一步的，所述步骤3)中，采用灰色关联分析法计算所述待测材料特征序列与所述样本特征序列之间的关联度。
进一步的，所述步骤3)中，通过灰色关联分析法计算关联度包括以下步骤：
(1)将待测材料特征序列和样本特征序列始点初值像，计算相对关联度；
(2)将待测材料特征序列和样本特征序列始点零化像，计算绝对关联度；
(3)对所述相对关联度和绝对关联度加权求和，计算灰色综合关联度。
进一步的，所述缺陷类型包括无损、分层、脱粘和裂纹。
附图说明
图1是本发明缺陷类型检测方法实施例中敲击检测系统结构原理图；
图2是本发明缺陷类型检测方法实施例中方法流程图；
图3是本发明缺陷类型检测方法实施例中特征序列选取示意图；
其中，1-锤头，2-加速度传感器，3-显示屏，4-信号调理电路，5-处理器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明缺陷类型检测方法实施例：
如图1所示，本实施例中敲击检测所采用的系统硬件包括敲击检测装置、处理器及显示装置等组成。敲击检测装置由内置加速度传感器的电子敲击锤组成，在进行敲击检测时，由工作者手持敲击检测装置在工作起始点进行敲击，并沿被检材料表面进行移动敲击检测，通过加速度传感器获取检测点加速度信息，并输出电压信息，通过信号调理电路对传感器输出进行放大、滤波等处理，然后发送给处理器。在获取待测区域的冲击响应信号后，通过相应的分析过程，获取到对应区域的缺陷类型。
本实施例中以灰色关联分析法为例，通过计算待测区域与已知缺陷类型的样本之间的关联关系，通过关联关系的大小，对缺陷类型进行判定。
具体的，如图2所示，本发明中采用灰色关联分析法计算关联度，并进行缺陷类型判定的过程如下：
一，为了实现关联分析，需要对已知缺陷类型的材料中的缺陷区域提取特征参数。本实施例中，缺陷类型包括无损、分层、脱粘和裂纹。通过多次测量复合材料已知缺陷区域的冲击响应图，基于MATLAB拟合出一条误差最小的冲击响应曲线，作为该材料此类型缺陷的样机，对已知缺陷类型的复合材料进行敲击检测，采集至少一个样本；样本为缺陷类型已知的区域的冲击响应信号；然后从样本中提取对应缺陷类型的样本特征序列，将其特征提取为一个n维向量，n≥2：
Y01＝[x011,x012,x013,x014,…,x01n](材料损伤为01类型的样机)
Y02＝[x021,x022,x023,x024,…,x02n](材料损伤为02类型的样机)
…
Y0k＝[x0k1,x0k2,x0k3,x0k4,…,x0kn](材料损伤为0k类型的样机)
本实施例中，通过从所述冲击响应信号的曲线中，从敲击锤接触复合材料到角速度信号达到峰值的时间段内，按照等时距的方式提取n个特征点，组成对应的特征序列。作为其他实施方式，也可以采用其他方式获取特征序列，例如，直接从冲击响应信号中按照等时距的方式提取n各特征点，或者是通过仿真实验的方式对所有点进行分析，提取冲击响应信号中各个突变点，作为对应的特征序列。
二，获取复合材料中待测区域的冲击响应信号，并从中提取出待测材料特征序列。本实施例中，如图3所示，通过对待测材料进行敲击，并将测量结果数字化，化为时距相同的序列，获得材料标号为i区域的n维特征序列，i＝0,1,...,m：
ui＝[xi1,xi2,xi3,xi4,...,xin]
三，对待测区域与样本中已知缺陷区域的特征序列进行关联度计算。
本实施例中，采用灰色关联分析法对关联度进行计算。具体过程如下：
1)计算相对关联度；
为了使序列无量纲化，计算各序列的初值像：
样机1：
Figure BDA0002375004760000041
样机2：
Figure BDA0002375004760000051
…
样机0k：
Figure BDA0002375004760000052
测量区域i：
Figure BDA0002375004760000053
计算该区域i特征序列与样机01、02、…、0k的差序列为：
Δ01＝[x'i1-x'011,x'i2-x'012,x'i3-x'013,...,x'ij-x'01j,...,x'in-x'01n]
Δ02＝[x'i1-x'021,x'i2-x'022,x'i3-x'023,...,x'ij-x'02j,...,x'in-x'02n]
…
Δ0k＝[x'i1-x'0k1,x'i2-x'0k2,x'i3-x'0k3,...,x'ij-x'0kj,...,x'in-x'0kn]
求两极最大差和两级最小差：
Figure BDA0002375004760000054
Figure BDA0002375004760000055
计算区域i与样机0k的灰色关联系数：
Figure BDA0002375004760000056
Figure BDA0002375004760000057
…
Figure BDA0002375004760000058
其中，τ为分辨系数，τ∈(0,1)，一般取0.5。
计算区域i与样机0k的相对关联度，本实施例中，通过求平均值得方式计算得到相对关联度：
Figure BDA0002375004760000061
2)计算绝对关联度；
将特征序列始点零像化
样机0k：
Figure BDA0002375004760000062
测量区域i：
Figure BDA0002375004760000063
计算|s0k|、|si|、|si-s0k|：
令
Figure BDA0002375004760000064
Figure BDA0002375004760000065
Figure BDA0002375004760000066
计算灰色绝对关联度：
Figure BDA0002375004760000067
3)计算灰色综合关联度：
ξi0k＝θξ'i0k+(1-θ)ξ”i0k
式中θ∈[0,1]，如果关注绝对量之间的关系，则θ可取小一些；如果关注变化速率之间的关系，则θ可取大一些，该值的选取不唯一，可通过机器学习等算法进行确定合适的取值。具体的选取方式为现有技术，此处不再详细说明。
四，选取所述关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型。
如下表1所示，为通过上述方式计算得到的灰色综合关联度：
表1
样机1 样机2 样机3 … 样机n
区域1与各样机的关联度 <![CDATA[a<sub>1</sub>]]> <![CDATA[b<sub>1</sub>]]> <![CDATA[c<sub>1</sub>]]> … …
区域2与各样机的关联度 <![CDATA[a<sub>2</sub>]]> <![CDATA[b<sub>2</sub>]]> <![CDATA[c<sub>2</sub>]]> … …
…
区域i与各样机的关联度 <![CDATA[a<sub>i</sub>]]> <![CDATA[b<sub>i</sub>]]> <![CDATA[c<sub>i</sub>]]> … …
本实施例中，通过对关联度进行排序，获得与i区域关联度最高的样机所代表的缺陷类型，即为该区域的缺陷类型。
作为其他实施方式，也可以直接采用对上述相对关联度或绝对关联度进行排序的方式进行缺陷类型的判定。
本实施例中主要通过灰色关联度计算的方式，得到待测区域与已知缺陷的关联度，从而对材料缺陷类型进行有效确定，作为其他实施方式，本实施例中也可以采用现有技术中的其他计算关联度的算法，实现对关联度的计算。
本发明缺陷类型检测装置实施例：
本实施例中给出了一种复合材料缺陷类型检测装置，包括处理器和存储器，以及存储在存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，处理器可以采用单片机、FPGA、DSP、PLC或MCU等实现，存储器可以采用RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质，可以将该存储介质耦接至处理器，使处理器能够从该存储介质读取信息，或者该存储介质可以是处理器的组成部分。
处理器执行所述计算机程序时实现以下复合材料缺陷类型检测方法：
1)采集材料样本中至少一种已知缺陷类型的缺陷区域的冲击响应信号，并从所述冲击响应信号中提取对应缺陷类型的样本特征序列；
2)采集待测材料的待检测区域的冲击响应信号，并从待检测区域的冲击响应信号中提取待测材料特征序列；
3)计算所述待测材料特征序列与所述样本特征序列之间的关联度；
4)选取所述关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型。
上述步骤的具体实现方式已在上述缺陷类型检测方法实施例中详细说明，故此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合材料缺陷类型检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对已知缺陷类型的复合材料进行敲击检测，采集多种缺陷类型的样本；所述样本为缺陷类型已知的区域的冲击响应信号；并从所述样本中提取对应缺陷类型的样本特征序列；
2）采集待测材料的待检测区域的冲击响应信号，并从待检测区域的冲击响应信号中提取待测材料特征序列；
3）采用灰色关联分析法计算所述待测材料特征序列与各样本特征序列之间的关联度；
4）选取所述关联度最高的样本对应的缺陷类型，作为该待检测区域的缺陷类型；
所述步骤1）和步骤2）中从冲击响应信号中提取对应特征序列的方式为：从所述冲击响应信号的曲线中，从零到峰值的时间段内，按照等时距的方式提取n个特征点，组成对应的特征序列，n≥2；
所述步骤3）中，通过灰色关联分析法计算关联度包括以下步骤：
（1）将待测材料特征序列和样本特征序列始点初值像，计算相对关联度；
（2）将待测材料特征序列和样本特征序列始点零化像，计算绝对关联度；
（3）对所述相对关联度和绝对关联度加权求和，计算灰色综合关联度。
2.根据权利要求1所述的复合材料缺陷类型检测方法，其特征在于，所述缺陷类型包括无损、分层、脱粘和裂纹。
3.一种复合材料缺陷类型检测装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1或2所述的复合材料缺陷类型检测方法。
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