CN112114046A - 一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，属于材料损伤信息分析技术领域。本发明利用Lamb波传播距离长、成本低、能量衰减小、对各种缺陷敏感性好的优点，将其用于铝材健康检测中，通过每条激励‑传感通道求得的损伤散射信号，计算检测区域中的每个离散点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值，并将幅值比对所有激励‑传感通道对应的概率分布图进行加权叠加，减小了概率损伤成像算法中权重分布函数对概率分布的影响；实现过程中无需更改或增加设备和参数；实现简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，属于材料损伤信息分析技术领域。
背景技术
由于铝结构具有质轻、耐腐蚀性能好、施工安装方便等优点，在工程中得到了广泛的应用。然而，铝结构强度高，构件截面相对薄弱，对裂纹，撞击等缺陷损伤敏感，服役中的铝构件又不可避免出现结构损伤。这些损伤如不能及时发现与处理，会引起严重的安全事故。因此，为保证铝结构的安全，需要一种损伤成像方法。
为将结构损伤定位和可视化，国内外学者研究了多种损伤成像算法，主要包括相控阵法、偏移法等。这些方法需要多种信号处理手段来得到损伤的图像，图像清晰度不高。
发明内容
本发明提供了一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，以用于实现铝板损伤成像。
本发明的技术方案是：一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，包括：计算健康信号和损伤信号的时域差信号，得到损伤散射信号；计算时间反转重构信号与激励信号的差异确定损伤因子；计算损伤概率分布图；计算检测区域中的每个像素点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值；进行损伤成像。
所述方法步骤具体包括：
在选定的铝板上根据要监测的区域布置压电传感器，以组成激励-传感阵列；
在激励-传感阵列中选择作为激励器的压电传感器Pi和作为传感器的压电传感器Pj，任意Pi和Pj组成一条激励-传感通道，使用经汉宁窗调制的五周期信号作为激励信号通过激励器Pi分别在无损伤的铝板和有损伤铝板中激励出Lamb波信号并以传感器Pj接收，以无损伤的铝板状态下和有损伤铝板状态下的Lamb波信号分别作为健康信号Hij和损伤信号Dij；其中，Dij为Pi和Pj组成的激励-传感通道采集的损伤信号，Hij为Pi和Pj组成的激励-传感通道采集的健康信号，i，j＝1，2，3，...，N，且i≠j；N表示通道总数；
采用时间反转法获得铝板损伤信号的时间反转重构信号，根据时间反转重构信号与激励信号的差异确定损伤因子DI，根据每条激励-传感通道求得的DI值，实现邻近区域内损伤概率按设定的权重分布函数重构，获得损伤概率分布图；
采用健康信号与损伤信号相减来获得损伤散射信号；
根据成像分辨率要求，将区域划分像素点，在选定的铝板上建立合适的直角坐标系，获得各个压电传感器和像素点的坐标；
计算检测区域中的每个像素点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值，将所有激励-传感通道对应的损伤概率分布图由幅值比加权进行叠加，以获得损伤成像。
所述权重分布函数定义如下：
其中，Ri(x，y)为任意一点(x，y)到激励器Pi距离和到传感器Pj距离之和与激励-传感通道路径长度的比值；β为形状因子，其值大于1。
本发明的有益效果是：本发明利用Lamb波传播距离长、成本低、能量衰减小、对各种缺陷敏感性好的优点，将其用于铝材健康检测中，通过每条激励-传感通道求得的损伤散射信号，计算检测区域中的每个离散点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值，并将幅值比对所有激励-传感通道对应的概率分布图进行加权叠加，减小了概率损伤成像算法中权重分布函数对概率分布的影响；实现过程中无需更改或增加设备和参数；实现简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识。
附图说明
图1为本实施例的激励信号图；
图2为铝板结构典型健康响应信号；
图3为铝板结构典型损伤响应信号；
图4为本实施例的流程示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，包括：计算健康信号和损伤信号的时域差信号，得到损伤散射信号；计算时间反转重构信号与激励信号的差异确定损伤因子；计算损伤概率分布图；计算检测区域中的每个像素点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值；进行损伤成像。
进一步地，可以设置所述方法步骤具体包括：
在选定的铝板中根据要监测的区域布置压电传感器，以组成激励-传感阵列。任意函数发生器发出由汉宁窗调制的中心频率为100kHz的激励信号，如图1所示。激励信号经过线性功率放大器加载在激励器上发出Lamb信号，其他传感器采用多通道示波器采集响应信号，并依次激励所有激励器，其他传感器接收。其中先采集无损伤下的信号，如图2所示。采集健康信号之后，再采集有损伤下的响应信号，如图3所示。将采集到的响应信号经线性功率放大器传输至计算机处理。
整个流程参见附图4所示。
首先计算健康信号Hij与损伤信号Dij的时域差信号，以该差值信号作为损伤散射信号，其计算定义如下：
Sij＝Dij-Hij(1)
其中：Sij为损伤散射信号，Dij为损伤信号，Hij为健康信号。
根据每条激励-传感通道求得的损伤散射信号，计算检测区域中的每个离散点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值，其计算定义如下：
其中，Q(x，y)为幅值比，Sij(tij(x，y))为离散点处损伤散射信号幅值。
计算时间反转重构信号和原始激励信号差异值，根据时间反转重构信号和原始激励信号的差异确定损伤因子，其计算定义如下：
其中，I(t)和v(t)分别表示原始激励信号和时间反转重构信号，t0和t1分别表示为激励信号激励时刻和压电传感器接收到Lamb波时刻。
根据每条激励-传感通道求得的DI值，实现邻近区域内损伤的概率分布重构，每个DI值分别被布置在一个椭圆面上，相对应激励-传感通道中的激励器Pi和传感器Pj是椭圆的两个焦点。DI值的权重分布函数定义如下：
式中：Wi[Ri(x，y)]为权重分布函数，Ri(x，y)为任意一点(x，y)到激励器(xi，yi)和传感器(xj，yj)距离之和与激励-传感通道路径长度的比值；β为形状因子，控制了椭圆区域的大小，其值大于1。Ri(x，y)表示式为：
式中：x和y分别表示为任意像素点的横坐标和纵坐标，xi和yi分别表示为激励器的横坐标和纵坐标，xj和yj分别表示为传感器的横坐标和纵坐标；
为了准确的实现损伤的定位成像，将所有激励-传感通道对应的概率分布图由幅值比加权进行叠加，从而得到检测区域内任意点(x，y)的损伤分布概率：
最终，实现损伤定位成像。
其中时间反转反转重构信号获得方式如下：
对损伤响应信号Dij进行傅里叶变换，得到频域损伤响应信号D(w)，并对该频域信号取共轭获得时反响应信号，将时反响应信号再次加载到对应的激励器Pi上，并在相应的传感器Pj上采集时间反转重构信号v(t)。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，其特征在于：包括：计算健康信号和损伤信号的时域差信号，得到损伤散射信号；计算时间反转重构信号与激励信号的差异确定损伤因子；计算损伤概率分布图；计算检测区域中的每个像素点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值；进行损伤成像。
2.根据权利要求1所述的基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，其特征在于：所述方法步骤具体包括：
在选定的铝板上根据要监测的区域布置压电传感器，以组成激励-传感阵列；
在激励-传感阵列中选择作为激励器的压电传感器Pi和作为传感器的压电传感器Pj，任意Pi和Pj组成一条激励-传感通道，使用经汉宁窗调制的五周期信号作为激励信号通过激励器Pi分别在无损伤的铝板和有损伤铝板中激励出Lamb波信号并以传感器Pj接收，以无损伤的铝板状态下和有损伤铝板状态下的Lamb波信号分别作为健康信号Hij和损伤信号Dij；其中，Dij为Pi和Pj组成的激励-传感通道采集的损伤信号，Hij为Pi和Pj组成的激励-传感通道采集的健康信号，i,j＝1,2,3,…,N，且i≠j；N表示通道总数；
采用时间反转法获得铝板损伤信号的时间反转重构信号，根据时间反转重构信号与激励信号的差异确定损伤因子DI，根据每条激励-传感通道求得的DI值，实现邻近区域内损伤概率按设定的权重分布函数重构，获得损伤概率分布图；
采用健康信号与损伤信号相减来获得损伤散射信号；
根据成像分辨率要求，将区域划分像素点，在选定的铝板上建立合适的直角坐标系，获得各个压电传感器和像素点的坐标；
计算检测区域中的每个像素点处各损伤散射信号幅值和与各损伤散射信号最大幅值和比值，将所有激励-传感通道对应的损伤概率分布图由幅值比加权进行叠加，以获得损伤成像。
3.根据权利要求2所述的基于时间反转的铝板损伤混合成像定位方法，其特征在于：所述权重分布函数定义如下：
其中，Ri(x,y)为任意一点(x,y)到激励器Pi距离和到传感器Pj距离之和与激励-传感通道路径长度的比值；β为形状因子，其值大于1。
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