CN111812207A - 基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，包括：根据结构的厚度等信息采用半解析有限元方法理论分析获取受监测板上导波的频散曲线，通过频散曲线分析导波波速的传播特性、选取检测采用的导波频率和模态；在结构表面布置导波传感器阵列进行多路径的导波激励和接收，依据频散曲线通过模态重构法对采集到的超声导波信号进行模态分解，分别提取原有各模态信号和损伤导致转换模态信号，并依次计算每条传播路径转换模态信号时域能量作为路径损伤因子；将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，根据各路径的损伤因子对传感器阵列覆盖区域进行加权概率成像处理、形成结构的损伤诊断成像。

Description

基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法。
背景技术
大面积板结构作为工程结构的重要组成部分，往往会面临使用条件恶劣甚至突然冲击的极端情况，进而造成局部损伤，危及结构的可靠性和安全性。因此，开展能够诊断结构损伤的无损检测和结构健康监测势在必行。多种检测技术在理论上均可用于板结构的损伤诊断，但传统的逐点扫描方式检测时间长、成本高，并且在在难以大范围操作的不可视飞行器结构内操作难度也极大。超声导波具有传播速度快、传播距离长、传播衰减小的优势，可在很小区域通过传感器激励产生超声导波对结构进行大范围检测，适合用于大面积板结构的损伤诊断定位。
损伤诊断成像由于能够生成关于结构健康状况的直观定量图而受到越来越多的青睐，研究者们发展了多种基于超声导波的损伤诊断成像技术，如相控阵成像方法、层析成像方法、偏移成像方法和延迟叠加成像方法等，这几种算法通常需要已知导波传播的模态、该模态传播的群速度以及导波传播的时间历程，然而结构及其环境的复杂性导致超声导波的传播非常复杂，很难对整个时间历程的回波信号进行解释。加权概率诊断成像方法则无需上述要求，该方法计算每条传感路径的信号得到的损伤因子映射到监测区域中的每个节点上，融合各路径数据后即得到监测区域各位置出现损伤的概率值从而基于相关系数进行成像。
尽管加权概率诊断成像方法算法具有良好的损伤定位性能，但通常需要在结构的无损健康状态下采集的基准数据作为当前监测数据的对比来计算损伤因子，但由于这种方法对结构的环境条件的敏感性，对基准数据的依赖可能导致损伤误报。而导波在结构中传播一旦遇到结构厚度的突变会转换出新的传播模态，根据导波的这一特性可设计采用模态重构法将转换模态提取为损伤特征加以应用，实现无基准情况下的实时快速损伤诊断成像。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，包括如下步骤：
根据待测结构的厚度、材料密度、弹性模量、泊松比信息、采用半解析有限元方法理论分析获取受监测板上导波的频散曲线，通过频散曲线分析导波波速的传播特性、选取待诊断导波频率和模态；
在结构表面布置导波传感器阵列进行多路径的导波激励和接收，其中传感器阵列通过树脂粘接在结构表面上与结构耦合，使用信号激励设备产生选定频率的导波信号，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；
依据频散曲线通过模态重构法对采集到的超声导波信号进行模态分解，分别提取原有各模态信号和因损伤存在产生的新的转换模态信号，并依次计算每条传播路径转换模态信号的时域能量并将其作为路径损伤因子；
将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，根据各路径的损伤因子对传感器阵列覆盖区域进行加权概率成像处理、形成结构的损伤诊断成像。
进一步的，利用半解析有限元方法根据结构厚度和材料属性计算导波传播特性。
进一步的，根据待测结构上导波的传播属性、选择适用于该结构厚度的诊断成像的导波频率和模态。
进一步的，对包含损伤导致转换模态的导波信号进行模态分解、进而得到用于无基准计算损伤因子的模态信息。
进一步的，采用导波传播路径加权概率成像方式形成损伤诊断成像。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，该方法利用超声导波传播过程遇结构厚度变化产生转换模态的特性，依据频散曲线采用模态重构法提取损伤导致的转换模态信号并计算路径损伤因子，并通过加权概率成像实现结构的损伤诊断成像，另外该方法具有如下有益效果：
(1)本方法利用超声导波的优势和特性，通过提取实时监测信号中的损伤特征，能够准确、快速地对结构进行实时损伤诊断成像。无需对结构进行全范围的逐点检测，只需结构布置传感器阵列即可对关键区域进行健康状态监测。本方法解决了大面积板结构中无损检测工作量大的问题，给予了整体结构一定程度上的安全性保证。
(2)本方法充分运用导波传播过程遇结构厚度变化产生转换模态的特性，采用模态重构法从实时监测信号中分离出损伤导致的新的转换模态，计算转换模态能量作为损伤因子实现全局加权概率成像。本方法无需采集结构原始无损状态下的健康信号作为参考对比，避免了环境变化带来的干扰，实现了无基准实时诊断成像。
(3)本方法根据导波频散曲线分析结构中导波的传播特性，选取适用于监测结构的导波模态和频率，通过导波传感器阵激励和接收选定的导波监测信号，保证了方法的适用性和有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明无基准损伤诊断成像流程图；
图2是本发明无基准损伤诊断成像实施例结构示意图；
图3是本发明理论计算出无基准损伤诊断成像实施例结构导波频散曲线；
图4是本发明无基准损伤诊断成像实施例传感器布置及采集路径示意图；
图5是本发明无基准损伤诊断成像实施例损伤诊断结果
图6是本发明无基准损伤诊断成像实施例损伤诊断结果。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，按照图1所示流程，进行诊断成像实施例。本实施例所诊断的板结构监测区域为直径为40cm的圆形区域，如图2所示。诊断工作过程包括：
首先，本实施例板结构厚度3mm，材料为铝合金，材料密度2.7g/cm3、弹性模量71GPa、泊松比0.33。根据上述参数通过半解析有限元方法可以分析出板结构上导波的传播特性，得到各个模态的频散曲线，分为对称模态(S)和反对称模态(A)，如图3所示。
压电超声导波传感器(PZT)环向布置在监测区域边缘，设置60条导波监测路径，如图4。在监测区域内逐次设置预制损伤位置，如图2，见表1。
表1
Figure BDA0002594757490000041
然后按照下述步骤进行伤诊断成像实验：
(1)通过环氧树脂将12个径向伸缩型(d31)导波传感器沿监测区域圆周环向均匀固定在板表面上，传感器振动方向为径向；
(2)根据频散曲线分析导波特性选取监测模态和频率，由图3可出S0与A0模态在200kHz～300kHz内曲线平缓即频散较低，且速度差教大，本实施例选择激励频率为250kHz，产生的导波模态为S0和A0两种模态；
(3)逐次设置实施例中设置的损伤，将选定频率经过汉宁窗调制的十周期正弦信号通过压电传感器激励出导波信号，逐条采集设置的60条路径的导波信号，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；
(4)对采集到的各路径导波信号依据频散曲线采用模态重构法提取损伤导致的转换模态信号，计算转换模态信号时域能量作为各路径损伤因子；
(5)为了提高成像定位准确性，需要对损伤因子进行处理，即将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，最后通过加权概率成像实现结构的损伤诊断成像。
对实施例中设置的损伤分别进行上述步骤，对其进行实时的无基准损伤诊断成像。处理后的各路径损伤因子如图5，成像结果如图6，损伤定位如表2。
表2
Figure BDA0002594757490000042
分析表2，损伤位置定位误差分别为1.66cm和1.43cm，均小于损伤直径大小2cm，诊断成像精度准确。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，其特征在于包括：
根据待测结构的厚度、材料密度、弹性模量、泊松比信息、采用半解析有限元方法理论分析获取受监测板上导波的频散曲线，通过频散曲线分析导波波速的传播特性、选取待诊断导波频率和模态；
在结构表面布置导波传感器阵列进行多路径的导波激励和接收，其中传感器阵列通过树脂粘接在结构表面上与结构耦合，使用信号激励设备产生选定频率的导波信号，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；
依据频散曲线通过模态重构法对采集到的超声导波信号进行模态分解，分别提取原有各模态信号和因损伤存在产生的新的转换模态信号，并依次计算每条传播路径转换模态信号的时域能量并将其作为路径损伤因子；
将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，根据各路径的损伤因子对传感器阵列覆盖区域进行加权概率成像处理、形成结构的损伤诊断成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：利用半解析有限元方法根据结构厚度和材料属性计算导波传播特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：根据待测结构上导波的传播属性、选择适用于该结构厚度的诊断成像的导波频率和模态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：对包含损伤导致转换模态的导波信号进行模态分解、进而得到用于无基准计算损伤因子的模态信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：采用导波传播路径加权概率成像方式形成损伤诊断成像。
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