CN112684006B - 基于ovsf码的螺栓损伤超声波检测方法及系统 - Google Patents

基于ovsf码的螺栓损伤超声波检测方法及系统 Download PDF

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CN112684006B CN202011431814.2A CN202011431814A CN112684006B CN 112684006 B CN112684006 B CN 112684006B CN 202011431814 A CN202011431814 A CN 202011431814A CN 112684006 B CN112684006 B CN 112684006B
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Guangdong Swt Smart Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法，其利用多个不同的OVSF码分别调制线性扫频正弦波得到多个不同的检测信号，发射端的各个输入端口各自发射不同的检测信号；在接收端，每一输出端口捕获到的均是采用不同的OVSF码调制的信号(不同的输入端口发送的检测信号)，利用OVSF码的正交性，同时实现对来自不同螺栓的信号进行分析识别，并重构经各螺栓后输出的信号，而后通过小波分析获得重构信号的能量值，以此判断各个螺栓的损伤程度。本发明实现了对多个螺栓的同时检测，能够真正实现实时监测大量螺栓，大大提高了检测系统的检测效率。相应的，本发明还公开了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统。

Description

基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法及系统
技术领域
本发明涉及螺栓损伤检测技术领域，尤其涉及一种基于OVSF码的螺栓损伤检超声波测方法及系统。
背景技术
螺栓是大量结构和设备的关键部件。腐蚀等环境因素会导致螺栓强度减弱，从而引发螺栓松动甚至断裂。由于螺栓损伤造成的结构界面连接失效，往往会导致严重的人员伤亡和财产损失事故。为减少由于螺栓损伤等导致的事故发生，近年来，国内外学者提出了一系列的螺栓损伤检测方法。
这些方法大体可以分为以下两种：
一、利用压电材料的压电阻抗或压电导纳和结构的机械阻抗之间的线性关系进行检测。当结构损伤后，其机械阻抗会发生变化，相应的，与之相连的压电材料的压电阻抗也会发生变化，因此根据压电材料的压电阻抗的变化可以推断螺栓的损伤状态。例如，Argatov等人建立了压电材料的压电阻抗和单螺栓连接结构上螺栓紧固力矩之间的数学模型，以定量表征螺栓的松动。Ritdumrongkul等人建立了传感器电阻抗与螺栓连接区域紧固力之间的数学关系，以此通过测定压电陶瓷电阻抗分析螺栓的松动和损伤。Wang等人通过计算智能压电片阻抗的归一化的根均方差来分析螺栓预紧力的变化。Gyuhae等人通过结构点的实验，验证土木结构构件的阻抗随着损伤变化。
二、利用应力波在结构中传播来实现螺栓检测。应力波在结构中传播时，能量会随着结构的损伤而减小。利用这一特性，通过计算应力波信号能量来对螺栓的状态进行表征。例如，Meyer等人利用撞击调制的方法检测到螺栓接头的松动。Zhang等人尝试了基于振动声调制的螺栓松动早期检测方法，并验证了该方法的有效性，同时，他们还提出了一种结合信号谱特征的非线性损伤指数来量化螺栓松动水平。Wang等人以导波信号的时域能量描述了螺栓的预紧力。Sohn开发了一种集成阻抗和导波的螺栓松动检测方法。Wait等人将阻抗法和兰姆波法相结合来检测和定位损伤。
虽然上述检测方案可实现螺栓状态的有效检测，但现有的螺栓损伤检测方案中，均是对螺栓采用单一检测的方式，单次只能检测一个螺栓，无法实现多个螺栓的同步检测。而大型结构中可能会有成百上千的螺栓，当需要检测大量螺栓时，则需要花费大量的检测时间，检测效率低下，无法实现对所有螺栓的状态进行实时检测。
因此，亟需提供一种能够对多个螺栓状态同步检测、检测效率高的基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法及系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对多个螺栓状态同步检测、检测效率高的基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法及系统。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法，其适用于具有多个输入端口和多个输出端口的超声波检测系统，每一所述输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓分别对应不同的所述输出端口。具体的，该检测方法包括：在发射端，根据输入端口的数量，选取相同数量的OVSF码，各所述OVSF码不同；分别利用各所述OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与所述输入端口同等数量的检测信号；多个所述输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射所述检测信号，每一所述输入端口对应一所述检测信号。在接收端，通过所述输出端口接收所述检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号；求取所述输出信号的起始接收时间，以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量，并依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号；对重构的信号进行小波分析，根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度。
较佳地，对于各所述输出端口，所述“求取所述输出信号的起始接收时间”具体包括：构建一时域定时器；从所述输出端口接收到的所述输出信号截取一段信号，并将该段信号与所述时域定时器相乘获得乘积；将所述乘积分为与所述OVSF码的码长相同个等份；对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号；计算所述叠加信号的信号能量，并将所述信号能量的峰值对应的时间点作为所述起始接收时间。
较佳地，基于下式对所述线性扫频正弦波进行时延调制获得所述检测信号：
Figure BDA0002825794150000031
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，t表示时间，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure BDA0002825794150000032
表示第n个OVSF码的第m个码片，t0表示sw(t)的信号长度；
各所述检测信号通过与其对应的螺栓后被对应的输出端口捕获，第q个输出端口接收到的输出信号yq(t)为：
Figure BDA0002825794150000033
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure BDA0002825794150000034
表示卷积，hnq(t)表示第n个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数。
较佳地，第q个输出端口对应的所述时域定时器为：
Figure BDA0002825794150000035
其中，utmp(t)表示所述时域定时器，
Figure BDA0002825794150000036
表示长度为ts的矩形窗口序列，bm表示所有输入端口对应的OVSF码的第m个码片值的和，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，t表示时间；
从第q个输出端口接收到的输出信号截取的一段信号为：
gq(t)＝yq(t)RL(t-τ)#(4)
其中，gq(t)表示截取的一段信号，RL(t)表示长度为L的矩形窗口序列，L＝M×ts，M表示单个OVSF码的码长，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000041
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数，通过求解该时间位移参数τ获得所述起始接收时间；
所述乘积为：
eq(t)＝gq(t)utmp(t-τ)#(5)
其中，eq(t)表示所述乘积，gq(t)表示截取的一段信号，utmp(t)表示所述时域定时器，t表示时间，τ表示时间位移参数；
将所述乘积eq(t)分为M个等份为：
Figure BDA0002825794150000042
其中，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000043
表示长度为ts的矩形窗口序列，t表示时间，τ表示时间位移参数，m表示码片序号；
“对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号”具体为：对eq(t)的所有等份进行时延，使其均分布在0至ts的时间段内，并将0至ts时间段内所有等份进行叠加；所述叠加信号为：
Figure BDA0002825794150000044
其中，pq(t)表示所述叠加信号，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M；ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000045
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数；
基于下式计算所述叠加信号pq(t)的信号能量oq(τ)：
Figure BDA0002825794150000046
其中，t表示时间；
所述信号能量oq(τ)的峰值对应的时间点为：
Figure BDA0002825794150000047
其中，
Figure BDA0002825794150000048
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间。
具体地，“以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量”具体为：
Figure BDA0002825794150000051
其中，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000052
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，m表示码片序号，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000053
的长度，t表示时间；
“依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号”包括：
基于下式求经第i个输入端口和第q个输出端口对应的螺栓(i,q)后输出的信号fiq(t):
Figure BDA0002825794150000054
结合公式(1)、(2)、(10)以及第n个OVSF码和第i个OVSF码的内积对fiq(t)进行简化得到最终的fiq(t)为：
Figure BDA0002825794150000055
其中，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份,1≤m≤M；
Figure BDA0002825794150000056
表示第i个OVSF码的第m个码片，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure BDA0002825794150000057
表示卷积，hiq(t)表示第i个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数，t表示时间，
Figure BDA0002825794150000058
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000059
的长度。
较佳地，所述检测方法还包括：预先将所有待检测的螺栓分成N组，每一组包括有若干个螺栓；配置不同组别的螺栓对应不同的输入端口，同一组别中的所有螺栓分别对应同一输入端口，且该组别中的各个螺栓分别对应不同的输出端口。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统，包括压电传感器、多个输入端口、多个输出端口、OVSF码生成器、调制器、处理器以及用于提供线性扫频正弦波的信号发生器，每一所述输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓分别对应不同的所述输出端口。在发射端，所述OVSF码生成器生成与所述输入端口的数量相同数量的OVSF码，各所述OVSF码不同，所述调制器分别利用各所述OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与所述输入端口同等数量的检测信号，多个所述输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射所述检测信号，每一所述输入端口对应一所述检测信号。在接收端，通过所述输出端口接收所述检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号，所述处理器求取所述输出信号的起始接收时间，以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量，并依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号，以及对重构的信号进行小波分析，以根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度。
较佳地，所述处理器“求取所述输出信号的起始接收时间”具体包括：构建一时域定时器；从所述输出端口接收到的所述输出信号截取一段信号，并将该段信号与所述时域定时器相乘获得乘积；将所述乘积分为与所述OVSF码的码长相同个等份；对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号；计算所述叠加信号的信号能量，并将所述信号能量的峰值对应的时间点作为所述起始接收时间。
较佳地，所述调制器基于下式对所述线性扫频正弦波进行时延调制获得所述检测信号：
Figure BDA0002825794150000061
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，t表示时间，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure BDA0002825794150000062
表示第n个OVSF码的第m个码片，t0表示sw(t)的信号长度；
各所述检测信号通过与其对应的螺栓后被对应的输出端口捕获，第q个输出端口接收到的输出信号yq(t)为：
Figure BDA0002825794150000063
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure BDA0002825794150000071
表示卷积，hnq(t)表示第n个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数。
较佳地，第q个输出端口对应的所述时域定时器为：
Figure BDA0002825794150000072
其中，utmp(t)表示所述时域定时器，
Figure BDA0002825794150000073
表示长度为ts的矩形窗口序列，bm表示所有输入端口对应的OVSF码的第m个码片值的和，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，t表示时间；
从第q个输出端口接收到的输出信号截取的一段信号为：
gq(t)＝yq(t)RL(t-τ)#(4)
其中，gq(t)表示截取的一段信号，RL(t)表示长度为L的矩形窗口序列，L＝M×ts，M表示单个OVSF码的码长，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000074
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数，通过求解该时间位移参数τ获得所述起始接收时间；
所述乘积为：
eq(t)＝gq(t)utmp(t-τ)#(5)
其中，eq(t)表示所述乘积，gq(t)表示截取的一段信号，utmp(t)表示所述时域定时器，t表示时间，τ表示时间位移参数；
将所述乘积eq(t)分为M个等份为：
Figure BDA0002825794150000075
其中，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000076
表示长度为ts的矩形窗口序列，t表示时间，τ表示时间位移参数，m表示码片序号；
“对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号”具体为：对eq(t)的所有等份进行时延，使其均分布在0至ts的时间段内，并将0至ts时间段内所有等份进行叠加；所述叠加信号为：
Figure BDA0002825794150000081
其中，pq(t)表示所述叠加信号，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M；ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000082
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数；
基于下式计算所述叠加信号pq(t)的信号能量oq(τ)：
Figure BDA0002825794150000083
其中，t表示时间；
所述信号能量oq(τ)的峰值对应的时间点为：
Figure BDA0002825794150000084
其中，
Figure BDA0002825794150000085
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间。
具体地，“以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量”具体为：
Figure BDA0002825794150000086
其中，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000087
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，m表示码片序号，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000088
的长度，t表示时间；
“依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号”包括：
基于下式求经第i个输入端口和第q个输出端口对应的螺栓(i,q)后输出的信号fiq(t):
Figure BDA0002825794150000089
结合公式(1)、(2)、(10)以及第n个OVSF码和第i个OVSF码的内积对fiq(t)进行简化得到最终的fiq(t)为：
Figure BDA00028257941500000810
其中，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份,1≤m≤M；
Figure BDA0002825794150000091
表示第i个OVSF码的第m个码片，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure BDA0002825794150000092
表示卷积，hiq(t)表示第i个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数，t表示时间，
Figure BDA0002825794150000093
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000094
的长度。
具体地，所述输入端口通过压电传感器向螺栓发射所述检测信号，所述输出端口通过压电传感器接收所述检测信号通过与其对应的螺栓后的输出信号
与现有技术相比，本发明利用多个不同的OVSF码分别调制线性扫频正弦波得到多个不同的检测信号，发射端的各个输入端口各自发射不同的检测信号；在接收端，每一输出端口捕获到的均是采用不同的OVSF码调制的信号(不同的输入端口发送的检测信号)，利用OVSF码的正交性，同时实现对来自不同螺栓的信号进行分析识别，并重构经各螺栓后输出的信号，而后通过小波分析获得重构信号的能量值，以此判断各个螺栓的损伤程度。本发明实现了对多个螺栓的同时检测，能够真正实现实时监测大量螺栓，大大提高了检测系统的检测效率。
附图说明
图1为本发明实施例基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统的示意图。
图2a为本发明一实施例发射端的组成结构框图。
图2b为本发明一实施例接收端的组成结构框图。
图3为本发明在螺栓损伤超声波检测试验时所采用3输入2输出检测系统的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但不构成对本发明的任何限制。
本发明公开了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法及基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统，其适用于同时对多个螺栓的损伤状态进行超声检测，以提高螺栓检测效率，从而可以更好地适用于螺栓数目较多的结构的检测。
本实施例提供了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法，其适用于具有多个输入端口和多个输出端口的检测系统(如图1所示)，每一输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓又分别与不同的输出端口对应。具体的，该基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法包括：
在发射端，根据输入端口的数量，选取相同数量的OVSF码(正交可变扩频因子码)，各OVSF码不同。分别利用各OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与输入端口同等数量的检测信号；即是，分别利用一OVSF码对一线性扫频正弦波进行时延调制，获得一检测信号，例如，采用OVSF码1对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口1发射的检测信号，采用OVSF码n对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口n发射的检测信号，采用OVSF码N对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口N发射的检测信号；最终，获得与输入端口(OVSF码)同等数量的检测信号。然后，多个输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射检测信号，每一输入端口对应一检测信号，检测信号通过螺栓后被与该螺栓对应的输出端口捕获。图1所示实施例中，输入端口的数量为N，相应的，OVSF码的数量也为N，检测信号的数量同样为N，输出端口的数量为Q，该检测系统可实现同时对N×Q个螺栓进行检测。
在接收端，通过各输出端口分别接收检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号(经过该输出端口对应的N个螺栓后的所有信号叠加)。求取输出信号的起始接收时间，以起始接收时间为时间起点从输出信号截取与OVSF码的码长等份的信号分量，例如，OVSF码的码长为M，则从输出信号截取M份信号分量；并依据信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构(解调)检测信号经该螺栓后输出的信号(包含有螺栓损伤状态的波形)。然后，对重构的信号进行小波分析，并根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度。
其中，文中“输入端口对应的螺栓”此类描述指的是输入端口发射的检测信号经过的螺栓，“输出端口对应的螺栓”此类描述指的是输出端口捕获到信号的螺栓。
在该实施例中，该检测方法还包括：预先将所有待检测的螺栓分成N组，每一组包括有Q个螺栓；配置不同组别的螺栓对应不同的输入端口，同一组别中的所有螺栓分别对应同一输入端口，且该组别中的各个螺栓分别对应不同的输出端口。例如，第1组螺栓(1,1)、...、(1,Q)均对应输入端口1，而第1组螺栓(1,1)、...、(1,Q)又分别对应输出端口1-Q；第n组螺栓(n,1)、...、(n,Q)均对应输入端口n，而第n组螺栓(n,1)、...、(n,Q)又分别对应输出端口1-Q；第N组螺栓(N,1)、...、(N,Q)均对应输入端口N，而第N组螺栓(N,1)、...、(N,Q)又分别对应输出端口1-Q。每一输出端口至多与同一输入端口对应的其中一个螺栓对应，输出端口1捕获得到经分别与不同输入端口1-N对应的螺栓(1,1)、...、(N,1)共N个螺栓的信号，输出端口q捕获得到经分别与不同输入端口1-N对应的螺栓(1,q)、...、(N,q)共N个螺栓的信号，输出端口Q同样捕获得到经分别与不同输入端口1-N对应的螺栓(1,Q)到(N,Q)共N个螺栓的信号。在该实施例中，各个输入端口分别通过压电传感器向对应的螺栓发射检测信号，各个输出端口分别通过压电传感器捕获通过与其对应的螺栓后的输出信号。
具体的，在该实施例中，是基于下式对线性扫频正弦波进行时延调制获得检测信号，调制方法简单，易于实现。
Figure BDA0002825794150000111
其中，xn(t)表示第n个输入端口发射的检测信号，t表示时间，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure BDA0002825794150000112
表示第n个OVSF码的第m个码片，t0表示sw(t)的信号长度。
各检测信号通过与其对应的螺栓后被对应的输出端口捕获；其中，第q个输出端口接收到的输出信号yq(t)为：
Figure BDA0002825794150000113
其中，xn(t)表示第n个输入端口发射的检测信号，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure BDA0002825794150000121
表示卷积，hnq(t)表示第n个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数。
在该实施例中，“求取输出信号的起始接收时间”具体包括以下步骤：
构建一时域定时器，以定位各输出端口的信号接收时间(定时)。其中，第q个输出端口对应的时域定时器为：
Figure BDA0002825794150000122
其中，utmp(t)表示时域定时器，
Figure BDA0002825794150000123
表示长度为ts的矩形窗口序列，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，t表示时间,bm表示所有输入端口对应的OVSF码的第m个码片值的和。即，
Figure BDA0002825794150000124
其中，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure BDA0002825794150000125
表示第n个OVSF码的第m个码片。
从第q个输出端口接收到的输出信号截取一段信为：
gq(t)＝yq(t)RL(t-τ)#(4)
其中，gq(t)表示截取的一段信号，RL(t)表示长度为L的矩形窗口序列，L＝M×ts，M表示单个OVSF码的码长，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000126
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数，通过求解该时间位移参数τ获得起始接收时间。
将信号gq(t)和时域定时器utmp(t)进行乘积，获得：
eq(t)＝gq(t)utmp(t-τ)#(5)
其中，eq(t)表示乘积，t表示时间，τ表示时间位移参数。
将乘积eq(t)分为M个等份为：
Figure BDA0002825794150000127
其中，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000128
表示长度为ts的矩形窗口序列，t表示时间，τ表示时间位移参数，m表示码片序号。
对eq(t)的所有等份进行时延，使其均分布在0至ts的时间段内，并将0至ts时间段内所有信号分量进行叠加，得到叠加信号：
Figure BDA0002825794150000131
其中，pq(t)表示叠加信号，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M；ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000132
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数。
计算叠加信号pq(t)的信号能量oq(τ)：
Figure BDA0002825794150000133
其中，t表示时间。
将信号能量oq(τ)的峰值对应的时间点作为起始接收时间：
Figure BDA0002825794150000134
其中，
Figure BDA0002825794150000135
表示第q个输出端口所获输出信号对应的起始接收时间。
在该实施例中，“以起始接收时间为时间起点从输出信号截取与OVSF码的码长等份的信号分量”具体为：
Figure BDA0002825794150000136
其中，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure BDA0002825794150000137
表示第q个输出端口所获输出信号对应的起始接收时间，m表示码片序号，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000138
的长度，t表示时间。
“依据信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构检测信号经该螺栓后输出的信号”包括：
基于下式求经第i个输入端口和第q个输出端口对应的螺栓(i,q)后输出的信号：
Figure BDA0002825794150000139
将公式(1)和公式(2)代入信号分量公式(10)得到：
Figure BDA0002825794150000141
当t0＝ts时，将公式(12)代入公式(11)，简化后，得到fiq(t)为：
Figure BDA0002825794150000142
由公式(13)得到：
Figure BDA0002825794150000143
第n个OVSF码和第i个OVSF码之间的内积为：
Figure BDA0002825794150000144
结合公式(15)和公式(14)可以进一步获得fiq(t)为：
Figure BDA0002825794150000145
其中，在公式(11)-(16)中，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，
Figure BDA0002825794150000146
表示第i个OVSF码的第m个码片，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份,1≤m≤M；t表示时间，
Figure BDA0002825794150000147
表示第q个输出端口所获输出信号对应的起始接收时间，ts表示矩形窗口序列
Figure BDA0002825794150000148
的长度，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure BDA0002825794150000149
表示第n个OVSF码的第m个码片，sw(t)表示线性扫频正弦波，t0表示sw(t)的信号长度，
Figure BDA00028257941500001410
表示卷积，hnq(t)表示第n个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数，hiq(t)表示第i个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数。
在该实施例中，“对重构的信号进行小波分析”具体为(现有技术)：将
Figure BDA00028257941500001411
小波包分解成2NS个频带(NS是小波分解的层数)。其中，在第j个频带，分解得到的分量Wiq,j(j＝1,2,......,2NS)为：
Wiq,j＝[wiq,j,1,wiq,j,2,....,wiq,j,k]#(17)
其中，wiq,j,k是第j个频带中的第k个样本。
基于小波分解的fiq(t)的信号能量表示为：
Figure BDA00028257941500001412
通过分析ENiq的值(即信号能量值)判断螺栓的状态。
相应的，另一实施例提供了一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统，该检测系统包括压电传感器(图未示)、多个输入端口1-N、多个输出端口1-Q、OVSF码生成器、调制器30、处理器40以及用于提供线性扫频正弦波的信号发生器20，每一输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓分别对应不同的输出端口。在发射端，OVSF码生成器生成与输入端口的数量相同数量的OVSF码，各OVSF码不同，调制器30分别利用各OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与输入端口同等数量的检测信号；即是，分别利用一OVSF码对一线性扫频正弦波进行时延调制，获得一检测信号，例如，采用OVSF码1对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口1发射的检测信号，采用OVSF码n对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口n发射的检测信号，采用OVSF码N对线性扫频正弦波进行时延调制获得输入端口N发射的检测信号；最终，获得与输入端口(OVSF码)同等数量的检测信号。多个输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射检测信号，每一输入端口对应一检测信号。在接收端，通过输出端口接收检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号(经过该输出端口对应的N个螺栓后的所有信号叠加)，处理器40求取输出信号的起始接收时间，以起始接收时间为时间起点从输出信号截取与OVSF码的码长等份的信号分量，例如，OVSF码的码长为M，则从输出信号截取M份信号分量；并依据信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构(解调)检测信号经该螺栓后输出的信号(包含有螺栓损伤状态的波形)，以及对重构的信号进行小波分析，以根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度。图1所示实施例中，输入端口的数量为N，相应的，OVSF码的数量也为N，检测信号的数量同样为N，输出端口的数量为Q，该检测系统可实现同时对N×Q个螺栓进行检测。
其中，输入端口、输出端口的配置，调制器30如何对线性扫频正弦波进行调制获得检测信号，处理器40如何求取输出信号的起始接收时间、重构检测信号经该螺栓后输出的信号以及对对重构的信号进行小波分析可参考前述检测方法中的相应描述，在此不再赘述。调制器30可以采用现有的调制器，处理器40可以为任何具备相应的数据处理能力的电子设备，例如笔记本电脑等。在该实施例中，OVSF码生成器包括第一OVSF码生成器11和第二OVSF码生成器12。如图2a、2b所示，发射端设有一第一OVSF码生成器11、一信号发生器20以及一调制器30，第一OVSF码生成器11生成N个OVSF码(OVSF码1-N)，信号发生器20提供N个线性扫频正弦波，调制器30利用OVSF码1-N分别对线性扫频正弦波进行调制获得N个检测信号。接收端设有一第二OVSF码生成器12以及一处理器40，第二OVSF码生成器12生成N个OVSF码(OVSF码1-N)。
请参阅图3，图3示出了一3输入2输出检测系统，通过该3输入2输出检测系统同时对6个损伤状态不同的螺栓Status1-6进行检测，六个螺栓Status1-6分别对应腐蚀0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时(螺栓Status1-6的腐蚀逐渐加深)。该实施例所采用线性扫频正弦波的信号宽度为1s，频率范围从1kHz到200KHz，使用3个分别包含4个码片的OVSF码分别对线性扫频正弦波进行调制，以产生3组检测信号。利用NI-6361连接压电传感器实现信号的接收和发射，采样频率为2MS/s。最后通过matlab对输出端口捕获到的信号进行处理，从而获得输出结果(前述信号能量值)如下表1所示。
表1
Figure BDA0002825794150000161
由表1可以看出，对于螺栓Status1-6，随着螺栓的腐蚀程度的加深，该检测系统小波分析的输出的数值逐渐减小。由此可见，可以通过该检测系统输出的能量值判断螺栓的损伤状态。
为进一步验证本发明的可行性，还另外单独对上述6种状态的螺栓Status1-6进行检测，并且，利用小波分析对单独检测的结果进行处理。相应的小波分析结果如下表2所示。
表2
Figure BDA0002825794150000171
由表2可以看出，对各个螺栓单独检测时，小波分析的结果也为随着螺栓腐蚀的加深而减小。由此可以进一步验证本发明的可行性。
综上，本发明利用多个不同的OVSF码分别调制线性扫频正弦波得到多个不同的检测信号，发射端的各个输入端口各自发射不同的检测信号；在接收端，每一输出端口捕获到的均是采用不同的OVSF码调制的信号(不同的输入端口发送的检测信号)，利用OVSF码的正交性，同时实现对来自不同螺栓的信号进行分析识别，并重构经各螺栓后输出的信号，而后通过小波分析获得重构信号的能量值，以此判断各个螺栓的损伤程度。本发明实现了对多个螺栓的同时检测，能够真正实现实时监测大量螺栓，大大提高了检测系统的检测效率。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测方法，适用于具有多个输入端口和多个输出端口的超声波检测系统，每一所述输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓分别对应不同的所述输出端口，其特征在于，该检测方法包括：
在发射端，根据输入端口的数量，选取相同数量的OVSF码，各所述OVSF码不同；分别利用各所述OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与所述输入端口同等数量的检测信号；多个所述输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射所述检测信号，每一所述输入端口对应一所述检测信号；
在接收端，通过所述输出端口接收所述检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号；求取所述输出信号的起始接收时间，以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量，并依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号；对重构的信号进行小波分析，根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度；
对于各所述输出端口，所述求取所述输出信号的起始接收时间具体包括：
构建一时域定时器；从所述输出端口接收到的所述输出信号截取一段信号，并将该段信号与所述时域定时器相乘获得乘积；将所述乘积分为与所述OVSF码的码长相同个等份；对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号；计算所述叠加信号的信号能量，并将所述信号能量的峰值对应的时间点作为所述起始接收时间；
基于下式对所述线性扫频正弦波进行时延调制获得所述检测信号：
Figure FDA0003912336880000011
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，t表示时间，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure FDA0003912336880000012
表示第n个OVSF码的第m个码片，t0表示sw(t)的信号长度；
各所述检测信号通过与其对应的螺栓后被对应的输出端口捕获，第q个输出端口接收到的输出信号yq(t)为：
Figure FDA0003912336880000021
其中，xn(t)表示第n个所述输入端口发射的检测信号，n表示输入端口序号，N表示输入端口的数量，
Figure FDA0003912336880000022
表示卷积，hnq(t)表示第n个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数；
第q个输出端口对应的所述时域定时器为：
Figure FDA0003912336880000023
其中，utmp(t)表示所述时域定时器，
Figure FDA0003912336880000024
表示长度为ts的矩形窗口序列，bm表示所有输入端口对应的OVSF码的第m个码片值的和，m表示码片序号，M表示单个OVSF码的码长，t表示时间；
从第q个输出端口接收到的输出信号截取的一段信号为：
gq(t)＝yq(t)RL(t-τ) (4)
其中，gq(t)表示截取的一段信号，RL(t)表示长度为L的矩形窗口序列，L＝M×ts，M表示单个OVSF码的码长，ts表示矩形窗口序列
Figure FDA0003912336880000025
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数，通过求解该时间位移参数τ获得所述起始接收时间；
所述乘积为：
eq(t)＝gq(t)utmp(t-τ) (5)
其中，eq(t)表示所述乘积，gq(t)表示截取的一段信号，utmp(t)表示所述时域定时器，t表示时间，τ表示时间位移参数；
将所述乘积eq(t)分为M个等份为：
Figure FDA0003912336880000026
其中，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure FDA0003912336880000031
表示长度为ts的矩形窗口序列，t表示时间，τ表示时间位移参数，m表示码片序号；
所述对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号具体为：对eq(t)的所有等份进行时延，使其均分布在0至ts的时间段内，并将0至ts时间段内所有等份进行叠加；所述叠加信号为：
Figure FDA0003912336880000032
其中，pq(t)表示所述叠加信号，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，edqm(t)表示eq(t)的第m份等份，1≤m≤M；ts表示矩形窗口序列
Figure FDA0003912336880000033
的长度，t表示时间，τ表示时间位移参数；
基于下式计算所述叠加信号pq(t)的信号能量oq(τ)：
Figure FDA0003912336880000034
其中，t表示时间；
所述信号能量oq(τ)的峰值对应的时间点为：
Figure FDA0003912336880000035
其中，
Figure FDA0003912336880000036
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间；
所述以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量具体为：
Figure FDA0003912336880000037
其中，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份，1≤m≤M，M表示单个OVSF码的码长，
Figure FDA0003912336880000038
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，m表示码片序号，ts表示矩形窗口序列
Figure FDA0003912336880000039
的长度，t表示时间；
所述依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号包括：
基于下式求经第i个输入端口和第q个输出端口对应的螺栓后输出的信号fiq(t):
Figure FDA0003912336880000041
结合公式(1)、(2)、(10)以及第n个OVSF码和第i个OVSF码的内积对fiq(t)进行简化得到最终的fiq(t)为：
Figure FDA0003912336880000042
其中，M表示单个OVSF码的码长，m表示码片序号，ydqm(t)表示输出信号yq(t)的第m份,1≤m≤M；
Figure FDA0003912336880000043
表示第i个OVSF码的第m个码片，sw(t)表示线性扫频正弦波，
Figure FDA0003912336880000044
表示卷积，hiq(t)表示第i个输入端口到第q个输出端口之间的超声波信道响应函数，t表示时间，
Figure FDA0003912336880000045
表示第q个输出端口所获输出信号对应的所述起始接收时间，ts表示矩形窗口序列
Figure FDA0003912336880000046
的长度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括：
预先将所有待检测的螺栓分成N组，每一组包括有若干个螺栓；
配置不同组别的螺栓对应不同的输入端口，同一组别中的所有螺栓分别对应同一输入端口，且该组别中的各个螺栓分别对应不同的输出端口。
3.一种基于OVSF码的螺栓损伤超声波检测系统，其特征在于，用于执行如权利要求1或2所述的检测方法，所述检测系统包括压电传感器、多个输入端口、多个输出端口、OVSF码生成器、调制器、处理器以及用于提供线性扫频正弦波的信号发生器，每一所述输入端口对应多个螺栓，该多个螺栓分别对应不同的所述输出端口；在发射端，所述OVSF码生成器生成与所述输入端口的数量相同数量的OVSF码，各所述OVSF码不同，所述调制器分别利用各所述OVSF码对线性扫频正弦波进行时延调制，以获得与所述输入端口同等数量的检测信号，多个所述输入端口通过压电传感器同步向与其对应的螺栓发射所述检测信号，每一所述输入端口对应一所述检测信号；在接收端，通过所述输出端口接收所述检测信号通过与该输出端口对应的螺栓后的输出信号，所述处理器求取所述输出信号的起始接收时间，以所述起始接收时间为时间起点从所述输出信号截取与所述OVSF码的码长等份的信号分量，并依据所述信号分量和各螺栓对应的OVSF码重构所述检测信号经该螺栓后输出的信号，以及对重构的信号进行小波分析，以根据小波分析获得的信号能量值判断该螺栓的损伤程度。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述处理器求取所述输出信号的起始接收时间具体包括：
构建一时域定时器；从所述输出端口接收到的所述输出信号截取一段信号，并将该段信号与所述时域定时器相乘获得乘积；将所述乘积分为与所述OVSF码的码长相同个等份；对所有所述等份进行时延，并将时延后的所有等份进行叠加获得叠加信号；计算所述叠加信号的信号能量，并将所述信号能量的峰值对应的时间点作为所述起始接收时间。
5.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述输出端口通过压电传感器接收所述检测信号通过与其对应的螺栓后的输出信号。
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