CN114487109A - 一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质 - Google Patents

一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质，所述方法包括根据被测对象的几何尺寸和材料参数建立频散曲线，接下来利用应力与群速度的关系求解固定传播距离下不同频率S0模态的传播时间与应力的近似线性关系，得到的线性关系即为最终测量需要的声弹性方程，然后对得到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，并通过峰值提取算法以及激励信号时域宽度确定两个激励频率信号的到达时间，计算传播时间比值并代入预先标定好的声弹性方程即可求解待测对象的应力值。本发明的优点在于利用单模态Lamb波的频散特性以及声弹性效应，对多频率数据进行融合，从而实现无基线数据的应力在线监测。

Description

一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测 方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，可以应用在金属材料以及复合材料的应力在线监测领域，特别是涉及一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质。
背景技术
在航空航天领域，机械结构部件在服役过程中，其内部的残余应力会与加载应力共同作用，引起应力的重新分布，可能会导致形变、甚至裂纹等微缺陷，在复杂的循环应力状态下继续工作，裂纹会进一步扩展，有可能造成构件断裂等致命性损伤，因此为了提高关键结构部件的使用安全，实时监测结构部件内部的应力状态，分析健康状态，预测疲劳寿命，预防安全事故的发生具有重大意义。
目前，利用物理性质与应力之间的关系进行无损应力测量是现在应力研究的主流方向，其中包括磁噪声法，磁应变法，X射线衍射法，中子衍射法。超声波法凭借其测量装置简单、适用范围广等独特的优势而得到广泛的应用。
2019年刘海波等人在发明专利CN110231116A中公开了“一种复合材料表面应力超声测量方法”，该方法设计了可变入射角度的超声测量装置，通过调节换能器偏转角度，可以实现在具有各向异性的复合材料的不同方向激励出临界折射纵波，利用临界折射纵波的声弹性效应进行收发探头之间的平均应力测量，该方法在可调入射角度的基础上，虽然可以大大提高检测装置的适用范围，但是在应力存在以及其它环境变化的条件下，纵波的传播速度发生变化，无法准确得到临界折射角，因此无法激励出真正的临界折射纵波，从而导致测量结果不准确，同时整个测量装置无法长久有效固定在被测结构上，使得该方法不适合于应力的在线监测。
2020年罗金恒等人在发明专利CN111751032A，公开了“一种基于阵列探头的超声法应力测量方法”，利用一发多收方式布置超声探头，通过测量超声探头阵列之间的传播时间的变化率，计算出接收探头间隔区的平均应力，作为离散函数，然后对函数进行差值，即可得到沿阵列分布方向的平均应力，这种利用阵列探头的方法像比传统的一发一收方法可以有效提高测量的空间分辨力，而且可以避免在沿不同方向转动探头的基础上实现复杂应力条件下的快速表征，但是这种方法必须预先标定并存储无应力时的基线数据，实际使用时基准数据变化较大，不适合应力状态的在线监测。
2021年丁辉等人在发明专利CN113218875A中，公开了“一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法”，该方法利用激光超声具有远距离监测、频带宽、多模态波形和激励源形状多等优点，在金属增材内部激励出超声表面波，然后通过拉伸试验标定出金属增材在不同方向上的声弹性系数，并利用残余应力梯度模型计算得到增材内部残余应力的梯度分布，从而有效解决了金属增材制造件内部残余应力分布复杂以及难以检测的问题，该方法虽然可以实现被测零件的快速完全非接触式残余应力无损检测，但是激光激发出的超声波主要依赖于热弹性效应或烧蚀效应，可能会对被测对象表面造成一定的损伤，同时激光超声方法由于其测量设备复杂，测量条件要求较高，不适合用于应力状态的实时监测。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法，首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
进一步地，根据被测对象的几何尺寸和材料参数建立Lamb波的频散曲线，自由板Lamb波频散方程为Rayleigh-Lamb波频散方程，其满足：
Figure BDA0003478448330000021
Figure BDA0003478448330000031
其中，p和q分别表示为：
Figure BDA0003478448330000032
Figure BDA0003478448330000033
式中，cL和cT分别表示纵波和横波的速度；h表示板厚度的一半；ω为超声波的角频率；k为波数。
进一步地，选择激励信号的频率范围是500kHz-1000kHz。
进一步地，通过半解析有限元法求解预应力条件下的被测对象频散曲线，得到不同频率处的波数，最终即可完整绘制Lamb波的频散曲线，Lamb波的群速度与频率和波数的关系满足：
Figure BDA0003478448330000034
沿Lamb波传播方向对被测对象施加单轴预应力，预应力大小为100MPa，得到S0模态Lamb波在不同频率处的群速度变化；
设置被测对象的预应力从0MPa开始，以20MPa为步进，线性增加到100MPa，分别得到S0模态Lamb波在500kHz和1000kHz处应力与群速度变化之间的关系，根据两个频率下无应力时S0模态Lamb波的群速度，从而可以建立500kHz和1000kHz激励时，沿传播方向单轴预应力与S0模态Lamb波群速度之间的线性关系为：
cg(500kHz)＝4.463×10-7σ+5432 (6)
cg(1000kHz)＝3.581×10-7σ+4659 (7)
其中，σ表示应力；
根据式(6)和式(7)，可以得到在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下S0模态Lamb波的传播声时比与应力之间的关系为：
Figure BDA0003478448330000041
由式(8)可以确定，在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下的S0模态的传播声时之比与应力具有近似的线性关系，因此利用两个激励频率下的数据融合，可以在无需基线数据的条件下实现对Lamb波传播路径上的平均应力测量。
进一步地，完成单模态多频率Lamb波声弹性系数的标定后，即可进行被测结构应力状态的实际测量，利用任意波形发生器产生低压线性调频信号，然后经过功率放大器进行放大后，对两个激励压电晶圆产生Lamb波，S0模态的Lamb波在被测对象内部进行传播，被压电晶圆传感器接收，接收信号为mV量级的微弱信号，对微弱信号进行非失真放大，然后对放大信号进行带宽滤波；压电晶圆传感器得到的原始信号输入到高带宽输入放大装置中，通过增益粗调与增益微调保证信号放达到数模转换芯片的输入范围内，再根据激励信号的带宽设置滤波器的下限截止频率和上限截止频率，经过放大和滤波后的信号输入到高速数据采集系统中，通过FPGA芯片对信号进行编码处理，将采样信号利用PXIE总线传输到上位机中，存储起来，用于后续的数据处理。
进一步地，根据激励信号和接收信号，得到测量系统的通用传递函数为：
Figure BDA0003478448330000042
式中，Rc(w)表示接收信号傅里叶变换结果，Sc(w)表示激励信号傅里叶变换结果；
考虑一个经过汉宁窗调制的5周期正弦激励信号作为激励信号，根据测量系统的通用传递函数，可以得到此时传感器的接收信号应为：
Rd(w)＝H(ω)Sd(w) (10)
式中，Rd(w)表示传感器的接收信号傅里叶变换结果，Sd(w)表示传感器的激励信号傅里叶变换结果；
对Rd(w)进行傅里叶逆变换，则可以得到对应调制激励信号的时域接收波形Rd(t)，分别计算500kHz和1000kHz激励下的时域波形，然后对得到的信号进行希尔伯特变换，变换过程定义为：
Figure BDA0003478448330000051
式中，f(t)表示原始信号信号，
Figure BDA0003478448330000052
表示经希尔伯特变换后得到的信号，τ表示积分变量；
通过希尔伯特变换之后，可以提取出接收信号的幅值包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态直达波包的到达时间，再根据激励信号的宽度则可以确定Lamb波在固定距离下的传播时间，计算两个激励频率下的传播时间之比，带入标定好的声弹性方程即可确定此时被测对象内部的单轴应力大小以及方向。
本发明还提出一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测系统，
频散曲线建立模块：首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；
声弹性方程建立模块：然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；
测量系统集成模块：根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；
应力计算模块：通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法的步骤。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法的步骤。
本发明的有益效果为：
本发明的主要优点在于利用单模态Lamb波的频散特性，以及Lamb波的声弹性效应，对多频率数据进行融合，从而实现无基线数据的应力在线监测。
首先，根据被测对象的几何尺寸和材料参数建立频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，然后在截止频率以内选择一个合适的频率范围激发压电晶圆，通过对称激励方式产生纯净的S0模态Lamb波。
然后利用半解析有限元法求解不同预应力下的频散曲线，通过线性拟合方法得到激励频率下预应力与不同频率S0模态Lamb波群速度变化关系，接下来利用应力与群速度的关系求解固定传播距离下不同频率S0模态的传播时间与应力的近似线性关系，得到的线性关系即为最终测量需要的声弹性方程。
最后，在被测对象内部激励并接收Lamb波信号，计算待测系统的传递函数，然后根据预期激励信号的频谱计算不同频率调制信号的时域接收波形，对得到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，并通过峰值提取算法以及激励信号时域宽度确定两个激励频率信号的到达时间，计算传播时间比值并代入预先标定好的声弹性方程即可求解待测对象的绝对应力值。
附图说明
图1为1mm6061铝板的群速度频散曲线示意图；
图2为100MPa单轴应力下S0模态Lamb波群速度变化示意图；
图3为500kHz和1000kHz处应力引起S0模态群速度变化示意图；
图4为线性调频信号的时域图和时频图；
图5为测量系统集成框架图，其中1-任意波形发生器，2-功率放大器，3-1、3-2-压电晶圆激励器，4-压电晶圆传感器，5-高带宽接收放大装置，6-单通道高速数据采集系统，7-PC机；
图6为汉宁窗调制的5周期正弦激励信号的时域曲线和频率图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
针对现有方法的不足，本发明面向无基线应力在线表征的迫切需求，发明了一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法，在Lamb波声弹性效应的基础上，充分地利用Lamb波的频散特性实现多激励频率数据的融合，最终实现无基线数据的应力测量。根据待测结构的几何尺寸，选取合适的激励频率范围，在被测结构内部激励出低阶模态Lamb波，因为S0和A0模态Lamb波的轮廓结构不同，因此通过在被测结构上下表面对称激励的方式实现单一S0模态Lamb波的激励，由于Lamb波的频散特性，不同频率的S0模态Lamb波的声弹性系数不同，因此在相同传播距离下，应力引起两个激励频率的声时变化完全不同，但是应力与两个激励频率下的群速度之间关系均为线性关系，因此可以确定固定传播距离下不同频率的S0模态Lamb波传播声时比值与应力之间仍然具有线性关系，通过这种关系即可以实现被测对象的绝对应力状态表征，并且不需要零应力状态下的数据作为基线数据。在发明的方法中，Lamb波的激励和接收非常简单，仅需要普通的圆片状压电晶圆传感器粘合在被测结构上即可，因此被发明的方法将不同模态Lamb波的声弹性效应相结合，可以实现无基线数据的应力在线监测。
结合图1-6，本发明提出一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法，首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
根据被测对象的几何尺寸和材料参数建立Lamb波的频散曲线，自由板Lamb波频散方程为Rayleigh-Lamb波频散方程，其满足：
Figure BDA0003478448330000071
Figure BDA0003478448330000072
其中，p和q分别表示为：
Figure BDA0003478448330000081
Figure BDA0003478448330000082
式中，cL和cT分别表示纵波和横波的速度；h表示板厚度的一半；ω为超声波的角频率；k为波数。
假设待测对象为厚度为1mm的牌号为6061的铝板，通过求解方程(1)和(2)，可以得到待测结构的频散曲线。根据频散曲线可以确定一阶Lamb波模态的截止频率为1.6MHz，因此选择激励信号的频率范围是500kHz-1000kHz。
通过半解析有限元法求解预应力条件下的被测对象频散曲线，得到不同频率处的波数，最终即可完整绘制Lamb波的频散曲线，Lamb波的群速度与频率和波数的关系满足：
Figure BDA0003478448330000083
沿Lamb波传播方向对被测对象施加单轴预应力，预应力大小为100MPa，得到S0模态Lamb波在不同频率处的群速度变化；同一应力对不同频率处Lamb波群速度的影响不同，说明应力对Lamb波的影响也具有频散特性，因此可以利用多激励频率下的融合数据进行应力测量。
设置被测对象的预应力从0MPa开始，以20MPa为步进，线性增加到100MPa，分别得到S0模态Lamb波在500kHz和1000kHz处应力与群速度变化之间的关系，根据两个频率下无应力时S0模态Lamb波的群速度，从而可以建立500kHz和1000kHz激励时，沿传播方向单轴预应力与S0模态Lamb波群速度之间的线性关系为：
cg(500kHz)＝4.463×10-7σ+5432 (6)
cg(1000kHz)＝3.581×10-7σ+4659 (7)
其中，σ表示应力；
根据式(6)和式(7)，可以得到在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下S0模态Lamb波的传播声时比与应力之间的关系为：
Figure BDA0003478448330000091
由式(8)可以确定，在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下的S0模态的传播声时之比与应力具有近似的线性关系，因此利用两个激励频率下的数据融合，可以在无需基线数据的条件下实现对Lamb波传播路径上的平均应力测量。
完成单模态多频率Lamb波声弹性系数的标定后，即可进行被测结构应力状态的实际测量，利用任意波形发生器产生低压线性调频信号，然后经过功率放大器进行放大后，对两个激励压电晶圆产生Lamb波，S0模态的Lamb波在被测对象内部进行传播，被压电晶圆传感器接收，接收信号为mV量级的微弱信号，其容易受到随机电子噪声的干扰，因此必须对原信号进行非失真放大，然后对放大信号进行带宽滤波；压电晶圆传感器得到的原始信号输入到高带宽输入放大装置中，通过增益粗调与增益微调保证信号放达到数模转换芯片的输入范围内，再根据激励信号的带宽设置滤波器的下限截止频率和上限截止频率，经过放大和滤波后的信号输入到高速数据采集系统中，通过FPGA芯片对信号进行编码处理，将采样信号利用PXIE总线传输到上位机中，存储起来，用于后续的数据处理。
根据激励信号和接收信号，得到测量系统的通用传递函数为：
Figure BDA0003478448330000092
式中，Rc(w)表示接收信号傅里叶变换结果，Sc(w)表示激励信号傅里叶变换结果；
考虑一个经过汉宁窗调制的5周期正弦激励信号作为激励信号，根据测量系统的通用传递函数，可以得到此时传感器的接收信号应为：
Rd(w)＝H(ω)Sd(w) (10)
式中，Rd(w)表示传感器的接收信号傅里叶变换结果，Sd(w)表示传感器的激励信号傅里叶变换结果；
对Rd(w)进行傅里叶逆变换，则可以得到对应调制激励信号的时域接收波形Rd(t)，分别计算500kHz和1000kHz激励下的时域波形，然后对得到的信号进行希尔伯特变换，变换过程定义为：
Figure BDA0003478448330000101
式中，f(t)表示原始信号信号，
Figure BDA0003478448330000102
表示经希尔伯特变换后得到的信号，τ表示积分变量；
通过希尔伯特变换之后，可以提取出接收信号的幅值包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态直达波包的到达时间，再根据激励信号的宽度则可以确定Lamb波在固定距离下的传播时间，计算两个激励频率下的传播时间之比，带入标定好的声弹性方程即可确定此时被测对象内部的单轴应力大小以及方向。
本发明还提出一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测系统，
频散曲线建立模块：首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；
声弹性方程建立模块：然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；
测量系统集成模块：根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；
应力计算模块：通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法的步骤。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法的步骤。
在常温条件下，被测对象为1mm厚的6061铝板，其为各向同性材料，利用任意波形发生器生成频率范围从500kHz到1000kHz的线性调频信号，信号发生器产生的低频信号经过安泰功率放大器进行一级放大，利用高压信号激励压电晶圆激励器，同时产生触发信号，利用高速数据采集板卡采集压电晶圆传感器得到的超声信号，在对接收信号采集前，先对信号进行微弱放大和带通滤波，将信号放大到数采卡的输入电压范围，对接收信号连续进行20次采集，将采集到的信号进行平滑滤波，滤除一部分电子噪声，提高接收信号的信噪比。然后计算系统传递函数，并根据预期信号的频域变换结果计算不同频率激励信号下的接收时域波形，再利用希尔伯特变换和峰值提取算法确定不同频率S0模态Lamb波的传播时间，将传播时间的比值带入预先标定好的声弹性方程，得到的结果即为被测对象的单轴应力值。
本发明提出的一种基于单模态多频率Lamb波信号融合的无基线应力在线监测方法，创新性地考虑多频率Lamb波的相互作用，根据不同频率S0模态的群速度与应力的线性关系，得到固定传播距离下两种模态波的传播时间比值与应力的近似线性关系，从而可以在无需任何参考基线数据的情况下，实现对被测结构绝对应力状态的在线监测。
以上对本发明所提出的一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法、系统、设备和介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测方法，其特征在于：首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据被测对象的几何尺寸和材料参数建立Lamb波的频散曲线，自由板Lamb波频散方程为Rayleigh-Lamb波频散方程，其满足：
Figure FDA0003478448320000011
Figure FDA0003478448320000012
其中，p和q分别表示为：
Figure FDA0003478448320000013
Figure FDA0003478448320000014
式中，cL和cT分别表示纵波和横波的速度；h表示板厚度的一半；ω为超声波的角频率；k为波数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：选择激励信号的频率范围是500kHz-1000kHz。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过半解析有限元法求解预应力条件下的被测对象频散曲线，得到不同频率处的波数，最终即可完整绘制Lamb波的频散曲线，Lamb波的群速度与频率和波数的关系满足：
Figure FDA0003478448320000021
沿Lamb波传播方向对被测对象施加单轴预应力，预应力大小为100MPa，得到S0模态Lamb波在不同频率处的群速度变化；
设置被测对象的预应力从0MPa开始，以20MPa为步进，线性增加到100MPa，分别得到S0模态Lamb波在500kHz和1000kHz处应力与群速度变化之间的关系，根据两个频率下无应力时S0模态Lamb波的群速度，从而可以建立500kHz和1000kHz激励时，沿传播方向单轴预应力与S0模态Lamb波群速度之间的线性关系为：
cg(500kHz)＝4.463×10-7σ+5432 (6)
cg(1000kHz)＝3.581×10-7σ+4659 (7)
其中，σ表示应力；
根据式(6)和式(7)，可以得到在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下S0模态Lamb波的传播声时比与应力之间的关系为：
Figure FDA0003478448320000022
由式(8)可以确定，在固定传播距离下，500kHz和1000kHz激励下的S0模态的传播声时之比与应力具有近似的线性关系，因此利用两个激励频率下的数据融合，可以在无需基线数据的条件下实现对Lamb波传播路径上的平均应力测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：完成单模态多频率Lamb波声弹性系数的标定后，即可进行被测结构应力状态的实际测量，利用任意波形发生器产生低压线性调频信号，然后经过功率放大器进行放大后，对两个激励压电晶圆产生Lamb波，S0模态的Lamb波在被测对象内部进行传播，被压电晶圆传感器接收，接收信号为mV量级的微弱信号，对微弱信号进行非失真放大，然后对放大信号进行带宽滤波；压电晶圆传感器得到的原始信号输入到高带宽输入放大装置中，通过增益粗调与增益微调保证信号放达到数模转换芯片的输入范围内，再根据激励信号的带宽设置滤波器的下限截止频率和上限截止频率，经过放大和滤波后的信号输入到高速数据采集系统中，通过FPGA芯片对信号进行编码处理，将采样信号利用PXIE总线传输到上位机中，存储起来，用于后续的数据处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：根据激励信号和接收信号，得到测量系统的通用传递函数为：
Figure FDA0003478448320000031
式中，Rc(w)表示接收信号傅里叶变换结果，Sc(w)表示激励信号傅里叶变换结果；
考虑一个经过汉宁窗调制的5周期正弦激励信号作为激励信号，根据测量系统的通用传递函数，可以得到此时传感器的接收信号应为：
Rd(w)＝H(ω)Sd(w) (10)
式中，Rd(w)表示传感器的接收信号傅里叶变换结果，Sd(w)表示传感器的激励信号傅里叶变换结果；
对Rd(w)进行傅里叶逆变换，则可以得到对应调制激励信号的时域接收波形Rd(t)，分别计算500kHz和1000kHz激励下的时域波形，然后对得到的信号进行希尔伯特变换，变换过程定义为：
Figure FDA0003478448320000032
式中，f(t)表示原始信号信号，
Figure FDA0003478448320000033
表示经希尔伯特变换后得到的信号，τ表示积分变量；
通过希尔伯特变换之后，可以提取出接收信号的幅值包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态直达波包的到达时间，再根据激励信号的宽度则可以确定Lamb波在固定距离下的传播时间，计算两个激励频率下的传播时间之比，带入标定好的声弹性方程即可确定此时被测对象内部的单轴应力大小以及方向。
7.一种基于单模态多频率信号融合的无基线数据应力在线监测系统，其特征在于：
频散曲线建立模块：首先需要根据被测对象的结构建立Lamb波的频散曲线，确定一阶Lamb波模态的截止频率，保证Lamb信号的激励频率在一阶截止频率以下，利用对称激励方式在被测对象内部得到纯净的S0模态Lamb波；
声弹性方程建立模块：然后通过理论分析，得到S0模态Lamb波在不同激励频率下与应力之间的线性关系，进一步确定固定传播距离下，两个激励频率下S0模态Lamb波传播声时比与应力之间的线性关系；
测量系统集成模块：根据选择的激励频率范围，在信号发生器内部装载线性调频信号，经过功率放大器后驱动发射探头，接收探头的信号经过一级微弱信号放大后，由高速采集板卡接收，并通过PXIE总线传输到上位机，信号被存储后进行数据处理；
应力计算模块：通过计算整个测量系统的传递函数，然后得到不同频率窄带激励信号下接收信号，对接收到的信号进行希尔伯特变换，提取信号包络，然后利用峰值提取算法确定S0模态Lamb波的传播声时，求取两个激励频率信号传播声时比，然后代入预先标定好的声弹性方程即可确定收发探头之间的平均应力，最终实现对被测对象应力状态表征。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-6所述方法的步骤。
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