CN112255320B - 一种声发射源定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声发射源定位方法及系统，所述方法包括以下步骤：在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。本发明所述方法，使用了比较简单的方案，实现了声发射源的准确定位，提高了声发射源定位的可靠性。

Description

一种声发射源定位方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器定位技术领域，尤其涉及一种声发射源定位方法及系统。

背景技术

声发射是指材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波的现象；材料的范性形变、马氏体相变、裂纹扩展、应力腐蚀等都会带来声发射，通过分析声发射信号特性可判断设备或材料的缺陷或损伤情况。

声发射源定位是声发射检测技术的主要目标之一，其准确程度反映了声源的检测位置和实际活动缺陷源位置的符合程度。

现有的声发射源定位使用的方案步骤往往过多，导致方案比较复杂、定位可靠性较差。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种声发射源定位方法及系统，用以解决现有技术中方案比较复杂、定位可靠性较差的问题。

本发明提供一种声发射源定位方法，包括以下步骤：

在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；

根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。

进一步地，根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，具体包括，根据最先检测到声发射信号的两个传感器i和传感器j确定声发射源的位置角θ₁和θ₂。

进一步地，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标，具体包括，过传感器g做与其轴向呈位置角θ₁的射线，过传感器l做与其轴向呈位置角θ₂的射线，以两射线的交点为声发射源的初步位置，该初步位置的坐标为柱面坐标。

进一步地，根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值。

进一步地，根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，具体包括，根据柱面坐标(r’，θ’，z’)，获取搜索区间(r，θ，z)，其中，r＝r’，θ’-Δθ≦θ≦θ’+Δθ，z’-Δz≦z≦z’+Δz，Δθ、Δz为参数。

进一步地，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，在搜索区间内，获取经过待测件后被传感器i接收到的频域信号，对被传感器i接收到的频域信号取共轭，得到传感器i接收到的频域信号对应的时间反转信号，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，根据所述声发射源处信号，获取声发射源处的信号峰值，其中，i＝1、2、3...n，n为传感器的设定个数。

进一步地，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，具体包括，将所述时间反转信号X_i(ω)在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号Z_{i (}ω)＝P*(ω)H_i*(r,ω)H_i(r,ω)，其中，P(ω)为声发射源发出的信号，H_i(r,ω)为声源到传感器i的传递函数。

进一步地，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置，具体包括，将在搜索区间内的声发射源处的信号峰值进行叠加，形成叠加后时反聚焦信号，将所述叠加后时反聚焦信号用能量图像表示，以能量图像中能量最大的位置作为声发射源的最终位置。

进一步地，在所述两个垂直布置的光纤布拉格光栅中，一个光纤布拉格光栅沿待测件周向布置，另一个光纤布拉格光栅沿待测件轴向布置。

本发明还提供一种声发射源定位方法的系统，包括传感器布置模块、柱面坐标获取模块及声发射源位置获取模块；

所述的传感器布置模块，用于在待测件表面安装n个传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；

所述柱面坐标获取模块，用于根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

所述声发射源位置获取模块，用于根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置；使用了比较简单的方案，实现了声发射源的准确定位，提高了声发射源定位的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的声发射源定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的传感器安装与声发射源定位原理示意图；

图3为本发明提供的声发射源初步定位原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种声发射源定位方法，所述方法的流程示意图，如图1所示，包括以下步骤：

S1、在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；

S2、根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

S3、根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。

上述技术方案相比现有技术，方案比较简单，实现了声发射源的准确定位，提高了声发射源定位的可靠性。

一个具体实施例中，传感器安装与声发射源定位原理示意图，如图2所示，在圆弧形待测件表面安装传感器1、传感器2…传感器i…传感器n共n个传感器，n大于3，所述传感器为光纤光栅声发射传感器，各传感器底部涂有耦合剂，依靠内部永磁力的作用吸附在待测件表面。每个传感器内部粘贴有两个FBG(光纤布拉格光栅)，即FBG-n和FBG-a，FBG-n沿传感器圆弧周向布置，FBG-a沿传感器圆弧轴向布置；当待测件表面因裂纹扩展、冲击或碰摩等原因产生声发射信号时，声信号将按照超声传播特性在待测件内部传导，当声发射信号传导到各传感器安装位置处，对应的传感器将感测到声发射信号；

优选的，根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，具体包括，根据最先检测到声发射信号的两个传感器i和传感器j确定声发射源的位置角θ₁和θ₂；

优选的，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标，具体包括，过传感器g做与其轴向呈位置角θ₁的射线，过传感器l做与其轴向呈位置角θ₂的射线，以两射线的交点为声发射源的初步位置，该初步位置的坐标为柱面坐标；

需要说明的是，由于FBG具有轴向敏感性，当声发射信号传导至传感器g时，传感器g内的两支FBG，即FBG-n和FBG-a对声发射信号的响应强度不同；

当FBG距离声发射源的位置一定，其对超声的响应幅值与自身轴向相对于声传播方向的夹角之间存在近似余弦关系，声发射源初步定位原理示意图，如图3所示；

优选的，根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值；

优选的，根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，具体包括，根据柱面坐标(r’，θ’，z’)，获取搜索区间(r，θ，z)，其中，r＝r’，θ’-Δθ≦θ≦θ’+Δθ，z’-Δz≦z≦z’+Δz，Δθ、Δz为参数，Δz∈[5λ，50λ]，λ为声发射源的声波波长。

一个具体实施例中，可根据最先检测到声发射信号的两个传感器g和传感器l确定声发射源的位置角θ₁和θ₂；其中，1≤g,l≤n，g≠l，传感器g、传感器l分别为第g、l个传感器；

分别过传感器g和传感器l做与其轴向呈位置角的两条射线，两射线的交点即为声发射源的初步定位位置，设该初步定位位置为柱面坐标(r’，θ’，z’)，然后以(r，θ，z)为中心，r＝r’，θ’-Δθ≦θ≦θ’+Δθ，z’-Δz≦z≦z’+Δz的弧面区域作为搜索区间，进行声发射源的时间反转聚焦；

优选的，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，在搜索区间内，获取经过待测件后被传感器i接收到的频域信号，对被传感器i接收到的频域信号取共轭，得到传感器i接收到的频域信号对应的时间反转信号，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，根据所述声发射源处信号，获取声发射源处的信号峰值，其中，i＝1、2、3...n，n为传感器的设定个数；

优选的，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，具体包括，将所述时间反转信号X_i(ω)在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号Z_i(ω)＝P*(ω)H_i*(r,ω)H_i(r,ω)，其中，P(ω)为声发射源发出的信号，H_i(r,ω)为声源到传感器i的传递函数；

一个具体实施例中，时间反转聚焦的原理是将不同传感器的信号经时间反演，假设声发射源发出的信号为P(ω)，经过待测件后被传感器i(i＝1，2，3...)接收到的信号为

S_i(ω)＝P(ω)H_i(r,ω)

其中,H_i(r,ω)为声源到传感器i的传递函数，要得到传感器的S_i(ω)的时反信号X_i(ω)，可对其频域信号取共轭，即

X_i(ω)＝S_i*(ω)＝P*(ω)H_i*(r,ω)

将时间反转信号X_i(ω)在对应的传感器i上加载，则声发射源处可得到信号，则可表示为

Z_i(ω)＝P*(ω)H_i*(r,ω)H_i(r,ω)

由于H_i*(r,ω)H_i(r,ω)为实、偶、正函数，其在时间零点的傅里叶反变换是同向叠加的，因此会得到主相关峰值；

优选的，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置，具体包括，将在搜索区间内的声发射源处的信号峰值进行叠加，形成叠加后时反聚焦信号，将所述叠加后时反聚焦信号用能量图像表示，以能量图像中能量最大的位置作为声发射源的最终位置；

一个具体实施例中，将所有传感器的信号均时间取反，并累加反向传导到弧面区域，只有声发射源处的信号峰值显著增强，形成聚焦，该处叠加聚焦的信号为

D_r(ω)＝∑Z_i(ω)＝∑P*(ω)H_i*(r,ω)H_i(r,ω)

用弧面区域各像素点处时反聚焦信号的幅值反映对应位置处的振动的能量，并将能量用图像表示，则能量成像图中能量最大的位置即为声发射源最终位置，从而实现声发射源位置的检测定位；

优选的，在所述两个垂直布置的光纤布拉格光栅中，一个光纤布拉格光栅沿待测件周向布置，另一个光纤布拉格光栅沿待测件轴向布置。

实施例2

本发明实施例提供了一种根据实施例1所述的声发射源定位方法的系统，包括传感器布置模块、柱面坐标获取模块及声发射源位置获取模块；

所述的传感器布置模块，用于在待测件表面安装n个传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；

所述柱面坐标获取模块，用于根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

所述声发射源位置获取模块，用于根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。

本发明公开了一种声发射源定位方法及系统，通过在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置；使用了比较简单的方案，实现了声发射源的准确定位，提高了声发射源定位的可靠性。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种声发射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待测件表面安装设定个数的传感器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅，其中，一个光纤布拉格光栅沿待测件周向布置，另一个光纤布拉格光栅沿待测件轴向布置；

根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置；

根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值；

根据所述柱面坐标，获取声发射源的搜索区间，具体包括，根据柱面坐标（r’，θ’，z’），获取搜索区间（r，θ，z），其中，r=r’，θ’-Δθ≦θ≦θ’+Δθ，z’-Δz≦z≦z’+Δz， 、/>为参数。

2.根据权利要求1所述的声发射源定位方法，其特征在于，根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，具体包括，根据最先检测到声发射信号的两个传感器i和传感器j确定声发射源的位置角θ ₁和θ ₂。

3.根据权利要求2所述的声发射源定位方法，其特征在于，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标，具体包括，过传感器g做与其轴向呈位置角θ ₁的射线，过传感器l做与其轴向呈位置角θ ₂的射线，以两射线的交点为声发射源的初步位置，该初步位置的坐标为柱面坐标。

4.根据权利要求1所述的声发射源定位方法，其特征在于，在所述搜索区间内，将不同传感器的信号经时间反演，获取声发射源处的信号峰值，具体包括，在搜索区间内，获取经过待测件后被传感器i接收到的频域信号，对被传感器i接收到的频域信号取共轭，得到传感器i接收到的频域信号对应的时间反转信号，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，根据所述声发射源处信号，获取声发射源处的信号峰值，其中，i=1、2、3...n，n为传感器的设定个数。

5.根据权利要求4所述的声发射源定位方法，其特征在于，将所述时间反转信号在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号，具体包括，将所述时间反转信号X _i(ω)在对应的传感器i上加载，获取声发射源处信号Z _i( ω)= P*(ω)H _i *(r,ω)H _i (r,ω)，其中，P（ω）为声发射源发出的信号，H _i（r,ω）为声源到传感器i的传递函数。

6.根据权利要求1所述的声发射源定位方法，其特征在于，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置，具体包括，将在搜索区间内的声发射源处的信号峰值进行叠加，形成叠加后时反聚焦信号，将所述叠加后时反聚焦信号用能量图像表示，以能量图像中能量最大的位置作为声发射源的最终位置。

7.一种根据权利要求1-6任一所述的声发射源定位方法的系统，其特征在于，包括传感器布置模块、柱面坐标获取模块及声发射源位置获取模块；

所述的传感器布置模块，用于在待测件表面安装设定个数的传感

器，每个传感器设有两个垂直布置的光纤布拉格光栅；

所述柱面坐标获取模块，用于根据最先检测到声发射信号的传感器，确定声发射源的位置角，根据所述声发射源的位置角获取声发射源的初步位置对应的柱面坐标；

所述声发射源位置获取模块，用于根据所述柱面坐标，对声发射源进行时间反转聚焦，获取声发射源处的信号峰值，根据所述声发射源处的信号峰值获取声发射源的最终位置。