CN115616085A - 基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 - Google Patents
基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115616085A CN115616085A CN202211084369.6A CN202211084369A CN115616085A CN 115616085 A CN115616085 A CN 115616085A CN 202211084369 A CN202211084369 A CN 202211084369A CN 115616085 A CN115616085 A CN 115616085A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- guided wave
- piezoelectric sensing
- group velocity
- sensing coating
- zero group
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 7
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 3
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims description 3
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 claims description 3
- UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N dimethylformamide dmf Chemical compound CN(C)C=O.CN(C)C=O UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 9
- 230000036541 health Effects 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明提供一种损伤监测方法，其包括下列步骤：在待测结构上制备压电传感涂层；将压电传感涂层的两个电极分别连接脉冲超声信号源和计算机；计算机控制脉冲超声信号源发出激励信号至压电传感涂层，以激励产生超声导波；压电传感涂层接收超声导波并传输至数据采集卡和计算机；基于短时傅里叶变换对接收的超声导波进行处理，计算得到超声导波在时频域内的能量谱，提取超声导波的共振峰的频率；通过对比共振峰的频率与待测结构在不同状态下的零群速导波频率的值，判断待测结构的损伤情况。借此，压电传感涂层能够与复杂待测结构共形，与非接触式激光超声相比能够实现零群速导波的原位在线传感和多周期激励。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，涉及对金属、复合材料等结构的损伤监测，特别涉及一种基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备。
背景技术
随着先进制造技术的快速发展，粘接结构因其在造价、重量、制造简便和承载能力等方面的优势，在航空航天、汽车、风能、压力容器等行业正发挥着越来越重要的作用。这些结构在加工、服役过程中受到表面质量、撞击和疲劳载荷的影响容易产生脱粘损伤，降低结构的承载能力并对结构完整性和安全性带来威胁。因此开发能够实时在线监测这些结构中脱粘损伤的方法对其安全性和可靠性保障十分重要。
传统的损伤监测方法包括涡流、X射线衍射法、光纤、超声导波法等，其中超声导波法凭借其全厚度检测、检测方式简单、检测范围大等优点被广泛使用。超声导波法的基本原理是利用损伤引起的超声导波反射、散射、模态转换等现象实现损伤诊断。然而，粘接结构中导波具有复杂的多模态和频散特性，加之实际工程应用中结构大多具有螺栓孔、加筋、变厚度等复杂形式，导致超声导波信号互相混叠，难以提取并分析目标导波模态的信号，因此传统的超声导波损伤诊断方法在实际工程应用中面临适用性和有效性问题。
基于零群速导波的方法因其局部健康状态敏感性在复杂结构损伤诊断方面具有明显的适用性优势。然而，现有的零群速导波的测量方法依赖于非接触式传感技术，特别是非接触式激光超声技术，该技术具有设备体积大、使用不方便、易受环境因素干扰等局限，无法实现零群速导波的原位在线传感，不适用于结构的实时在线监测，并且由于热弹条件的限制，激光脉冲产生的超声导波通常很弱，获取的导波信号的信噪比低，导致损伤诊断的可靠性低。
发明内容
本发明针对粘接结构的损伤情况和健康状态在线监测的难点，提出了一种基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，用于解决现有技术在工程应用中损伤诊断的适用性低和鲁棒性低，以及无法实现零群速导波实时在线测量，不满足复杂结构实时在线监测需求的问题。
本发明提供一种基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其包括下列步骤：步骤1：在待测结构(粘接结构)上制备压电传感涂层；步骤2：将压电传感涂层中的一个电极连接至脉冲超声信号源，另一个电极连接至数据采集卡和计算机；步骤3：计算机控制脉冲超声信号源发出激励信号，将激励信号传输至压电传感涂层，以激励待测结构产生超声导波；步骤4：压电传感涂层接收超声导波，并通过无线网络传输至数据采集卡和计算机；步骤5：基于短时傅里叶变换对接收的超声导波进行处理，计算得到超声导波在时频域内的能量谱，提取超声导波的共振峰的频率；步骤6：通过对比共振峰的频率与待测结构在不同状态下的零群速导波频率的值，判断待测结构的损伤情况。
在一些实施例中，步骤1中的所述压电传感涂层的制备过程为：通过将PVDF-TrFE粉末溶解在二甲基甲酰胺DMF和丙酮溶剂中，百分比浓度为5％，然后用磁力搅拌机搅拌至少10小时，使粉末与溶剂混合均匀，之后用喷枪将混合好的溶液喷涂在所述待测结构表面形成涂层，将所述待测结构放在133-135℃的烤箱中进行1-2小时的退火处理，然后利用掩膜法在所述涂层表面刷上导电电极对，所述待测结构本身作为负极，然后通过电压为20kV的电晕极化处理，使所述电极对覆盖的所述涂层沿厚度方向极化从而形成所述压电传感涂层。
在一些实施例中，在步骤1中，在所述待测结构的健康区域和损伤区域内都制备所述压电传感涂层，制备的所述压电传感涂层形成几个原位传感器对，每对原位传感器中的一个原位传感器为激励传感器，另一个为接收传感器，所述激励传感器与所述接收传感器之间间隔一定距离。
在一些实施例中，在步骤3中，所述激励信号的频率为零群速导波模态的频率，激励出的所述超声导波包括多个模态。
在一些实施例中，在步骤3和步骤4中，所述超声导波的激励与接收可以由单个传感器实现，通过双工器将所述单个传感器与所述脉冲超声信号源和所述数据采集卡连接起来。
在一些实施例中，在步骤5中，所述待测结构在健康状态和含损伤状态下的零群速导波频率值是通过半解析有限元法获得，利用半解析有限元法得到所述超声导波的各模态的频散曲线，进而获得各个零群速导波模态的频率值。
在一些实施例中，通过设置不同厚度位置的损伤，利用半解析有限元法获得不同厚度位置损伤引起的零群速导波的频率值。
在一些实施例中，制备所述待测结构的过程为：用厚度为0.2mm的环氧膜粘接上下两块厚度为1mm的尺寸为300mm×300mm的铝板，通过在一块铝板和胶层之间放置聚四氟乙烯薄膜，形成未粘合的表面，从而引入脱粘损伤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有实现损伤监测方法的程序，所述实现损伤监测方法的程序被处理器执行以实现上述中任一实施例所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
本发明还提供一种设备，其包括存储器，用于储存嵌入式软件程序；处理器，用于执行所述存储器中存储的嵌入式软件程序，且所述嵌入式程序被执行时实现上述中任一实施例所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
本发明提供一种基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备，首次采用PVDF-TrFE压电传感涂层作为原位传感器进行零群速导波的原位激励与接收，该种压电传感涂层具有轻质、柔性、超薄的优点，相比于传统的激光超声技术拥有更高的可靠性、制作使用简便、信噪比大、可大面积布置和可实时在线传感的优势；采用了基于零群速导波的损伤诊断方法，该导波模态只对局部范围内的结构健康状况敏感，可避免复杂结构形式引起的信号分析困难的问题，从而可以适用于金属粘接结构和复合材料结构等多种复杂结构；利用零群速导波信号的共振峰频率进行损伤诊断的方法可以消除多种干扰因素带来的信号测量的不确定性影响，提高损伤诊断的鲁棒性，适合用于复杂结构的实时在线监测。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地特征和有益效果可以通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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；在下面描述中附图所述位置关系，若无特别指明，皆是以图示中组件绘示的方向为基准。
图1是本发明一实施例提供的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的待测结构(粘接结构)及压电传感涂层的布置示意图；
图3是本发明一实施例提供的具有脱粘损伤的待测结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的PVDF-TrFE压电传感涂层的制备流程示意图；
图5是本发明一实施例提供的健康区域内获取的信号示意图；
图6是本发明一实施例提供的20mm脱粘损伤区域内获取的信号示意图；
图7是本发明一实施例提供的40mm脱粘损伤区域内获取的信号示意图；
图8是本发明一实施例提供的健康区域内获取的信号的短时傅里叶变换得到的时频谱示意图；
图9是本发明一实施例提供的20mm脱粘损伤区域内获取的信号的短时傅里叶变换得到的时频谱示意图；
图10是本发明一实施例提供的40mm脱粘损伤区域内获取的信号的短时傅里叶变换得到的时频谱示意图；
图11是本发明一实施例提供的健康区域、20mm脱粘损伤区域、40mm脱粘损伤区域内获取信号的频谱对比示意图；
图12是本发明一实施例提供的粘结结构健康区域中超声导波的频散曲线示意图；
图13是本发明一实施例提供的粘结结构脱粘区域中超声导波的频散曲线示意图。
图中标记：
1-函数发生器；2-数据采集卡；3-20mm脱粘损伤区域；4-40mm脱粘损伤区域；5-电极对；6-待测结构；7-压电传感涂层；8-计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
请参阅图1、图2和图3，图1是本发明一实施例提供的基于压电传感涂层7原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的流程示意图，图2是本发明一实施例提供的待测结构6(粘接结构)及压电传感涂层7的布置示意图，图3是本发明一实施例提供的具有脱粘损伤的待测结构6示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种基于压电传感涂层7原位传感器和零群速导波的损伤监测方法。如图中所示，该损伤监测方法包括下列步骤：
步骤1：在待测结构6上制备压电传感涂层7。
步骤2：将压电传感涂层7中的一个电极连接至脉冲超声信号源，另一个电极连接至数据采集卡2和计算机8。压电传感涂层7中的一个电极是连接至函数发生器1，函数发生器1具有脉冲超声信号源。
步骤3：计算机8控制脉冲超声信号源发出激励信号，将激励信号传输至压电传感涂层7，以激励待测结构6产生超声导波。
步骤4：压电传感涂层7接收超声导波，并通过无线网络传输至数据采集卡2和计算机8。
步骤5：基于短时傅里叶变换对接收的超声导波进行处理，计算得到超声导波在时频域内的能量谱，提取超声导波的共振峰的频率。
步骤6：通过对比共振峰的频率与待测结构6在不同状态下的零群速导波频率的值，判断待测结构6的损伤情况。
在本实施例中，待测结构6是多层粘接结构，如图3所示，制备多层粘接结构(待测结构6)的过程为：用厚度为0.2mm的环氧膜粘接上下两块厚度为1mm的尺寸为300mm×300mm的铝板，通过在一块铝板和胶层之间放置聚四氟乙烯薄膜，形成未粘合的表面，从而引入脱粘损伤。脱粘损伤的尺寸分别为20mm×20mm和40mm×40mm。但本案不限于此，该损伤监测方法的监测对象也可以是其它结构，如单层结构的损伤监测、复合材料分层结构的损伤监测等。
如图4所示，步骤1中的压电传感涂层7的制备过程为：通过将PVDF-TrFE粉末(72/28,Solvay,Belgium)溶解在二甲基甲酰胺DMF(N,N-Dimethylformamide)和丙酮溶剂中，百分比浓度为5％，该百分比浓度是指PVDF-TrFE粉末溶解在溶剂内之后的自身浓度。然后，用磁力搅拌机搅拌至少10小时，使粉末与溶剂混合均匀。之后用喷枪将混合好的溶液喷涂在待测结构6表面形成涂层(厚度约为80μm)。再将待测结构6放在133-135℃的烤箱中进行1-2小时的退火处理，以提高涂层的结晶度。然后利用掩膜法在涂层表面刷上长条状的导电电极对5(电极对5的长度可以为10mm，宽度为2mm，间距为6mm)，待测结构6本身作为负极，然后通过电压为20kV的电晕极化处理，使电极对5覆盖的涂层沿厚度方向极化从而形成压电传感涂层7，使压电传感涂层7具有压电性质，具备原位传感超声导波的能力。
用激光测振仪扫描测量压电传感涂层7的有效压电系数，在电极对5上施加频率为1kHz，峰值为20Vpp的交流电压，扫描有电极和无电极的区域，所制备的压电传感涂层7的有效压电系数D33值可以为18pm/V。
压电传感涂层7的传感器可大面积布置在结构表面，为了激励和接收零群速导波，在待测结构6的健康区域和损伤区域内都制备压电传感涂层7的传感器，也就是制备的压电传感涂层7形成几个原位传感器对(图2中共有3对原位传感器)，每对原位传感器中的一个原位传感器为激励传感器，另一个为接收传感器，激励传感器与接收传感器之间间隔一定距离，该一定距离可以是一个波长以内，波长是指损伤检测的零群速导波的波长，通常情况下间隔范围可以是2毫米至2厘米。后续超声导波的激励与接收分别由激励传感器和接收传感器负责。不过本案不限于此，在步骤3和步骤4中，超声导波的激励与接收也可以是由单个传感器实现，通过双工器将单个传感器与脉冲超声信号源和数据采集卡2连接起来
在步骤3中，可以使用计算机8控制系统产生中心频率为3MHz的10周期汉宁窗调制正弦波信号，信号幅值通过功率放大器放大至200Vpp，将信号输入至压电传感涂层7以激励待测结构6中的超声导波。激励出的超声导波包括多个模态，除零群速导波模态之外的其余模态的能量在试件中传播分散，而零群速导波模态因其能量速度为零的特性保持在传感器周边局部区域内，引起局部共振。
在步骤4中，通过接收传感器采集超声导波信号(信号内含有超声导波)并输入数据采集卡2和计算机8，对接收到的超声导波信号进行了512次平均，得到具有高信噪比的超声导波信号，如图5所示为健康区域内得到的超声导波信号，图6和图7分别为20mm损伤和40mm损伤区域内得到的超声导波信号。
在步骤5中，通过短时傅里叶变换，对接收的超声导波信号进行处理，计算得到超声导波信号在时频域内的能量谱，能量谱如图8、图9、图10所示。选取合适的时间窗，提取该时间窗内超声导波信号的共振峰的频率，共振峰的频率如图11所示。
在步骤5中，待测结构6在健康状态和含损伤状态下的零群速导波频率值是通过半解析有限元法获得，利用半解析有限元法(Semi-Analytical Finite Element method)得到超声导波信号的各模态的频散曲线，进而获得各个零群速导波模态的频率值。通过设置不同厚度位置的损伤，利用半解析有限元法获得不同厚度位置损伤引起的零群速导波的频率值。例如，在利用上述方法制备的多层粘接结构(待测结构6)的健康区域内存在频率分别为2.57MHz、2.78MHz和3.2MHz的三种零群速导波模态，如图12所示。在脱粘损伤区域内仅存在频率为2.89MHz的一种零群速导波模态，如图13所示。
接续步骤6，通过对比测量信号共振峰的频率与结构不同状态下的零群速导波频率的理论值，判断结构的健康状况以及损伤情况，从而实现长期实时在线监测结构的健康状态。通过对比可知，图8所示的共振峰频率与健康区域理论计算值(2.57MHz、2.78MHz和3.2MHz)匹配，可判断该传感器附近区域没有损伤的产生。图9所示的共振峰并不明显，可判断该传感器附近区域存在与零群速导波长相近的脱粘损伤，这是由于当损伤尺寸与零群速导波长相当时，损伤引起模态转换，使零群速导波的能量转移到其他导波模态中从而传播分散开，导致零群速导波能量的快速衰减，无法形成明显的共振峰。图10所示的共振峰频率与脱粘损伤内零群速导波频率的理论值(2.89MHz)匹配，判断该传感器附近存在尺寸大于零群速导波长的脱粘损伤，这是因为当脱粘损伤尺寸大于零群速导波长时，在损伤区域内形成新的零群速导波模态，该模态的信号共振峰频率与损伤的厚度参数相关。
也就是说，损伤的存在会导致零群速导波特征的显著变化，当损伤尺寸与零群速导波长相当时，损伤引起模态转换，使零群速导波的能量转移到其他导波模态中从而传播分散开，导致零群速导波能量的快速衰减，当损伤尺寸大于零群速导波长时，可以在损伤区域内形成新的零群速导波模态，意即该模态的信号共振峰频率与损伤的厚度参数相关。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有实现损伤监测方法的程序，所述实现损伤监测方法的程序被处理器执行以实现上述中任一实施例所述的基于压电传感涂层7原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
本发明还提供一种设备，其包括存储器，用于储存嵌入式软件程序；处理器，用于执行所述存储器中存储的嵌入式软件程序，且所述嵌入式程序被执行时实现上述中任一实施例所述的基于压电传感涂层7原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
综上所述，本发明提供一种基于压电传感涂层7原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备，首次采用PVDF-TrFE压电传感涂层7作为原位传感器进行零群速导波的原位激励与接收，该种压电传感涂层7具有轻质、柔性、超薄的优点，相比于传统的激光超声技术拥有更高的可靠性、制作使用简便、信噪比大、可大面积布置和可实时在线传感的优势；采用了基于零群速导波的损伤诊断方法，该导波模态只对局部范围内的结构健康状况敏感，可避免复杂结构形式引起的信号分析困难的问题，从而可以适用于金属粘接结构和复合材料结构等多种复杂结构；利用零群速导波信号的共振峰频率进行损伤诊断的方法可以消除多种干扰因素带来的信号测量的不确定性影响，提高损伤诊断的鲁棒性，适合用于复杂结构的实时在线监测。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：所述损伤监测方法包括下列步骤：
步骤1：在待测结构上制备压电传感涂层；
步骤2：将所述压电传感涂层中的一个电极连接至脉冲超声信号源，另一个电极连接至数据采集卡和计算机；
步骤3：所述计算机控制脉冲超声信号源发出激励信号，将所述激励信号传输至所述压电传感涂层，以激励所述待测结构产生超声导波；
步骤4：所述压电传感涂层接收所述超声导波，并通过无线网络传输至所述数据采集卡和所述计算机；
步骤5：基于短时傅里叶变换对接收的所述超声导波进行处理，计算得到所述超声导波在时频域内的能量谱，提取所述超声导波的共振峰的频率；
步骤6：通过对比所述共振峰的频率与所述待测结构在不同状态下的零群速导波频率的值，判断所述待测结构的损伤情况。
2.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：步骤1中的所述压电传感涂层的制备过程为：通过将PVDF-TrFE粉末溶解在二甲基甲酰胺DMF和丙酮溶剂中，百分比浓度为5％，然后用磁力搅拌机搅拌至少10小时，使粉末与溶剂混合均匀，之后用喷枪将混合好的溶液喷涂在所述待测结构表面形成涂层，将所述待测结构放在133-135℃的烤箱中进行1-2小时的退火处理，然后利用掩膜法在所述涂层表面刷上导电电极对，所述待测结构本身作为负极，然后通过电压为20kV的电晕极化处理，使所述电极对覆盖的所述涂层沿厚度方向极化从而形成所述压电传感涂层。
3.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：在步骤1中，在所述待测结构的健康区域和损伤区域内都制备所述压电传感涂层，制备的所述压电传感涂层形成几个原位传感器对，每对原位传感器中的一个原位传感器为激励传感器，另一个为接收传感器，所述激励传感器与所述接收传感器之间间隔一定距离。
4.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：在步骤3中，所述激励信号的频率为零群速导波模态的频率，激励出的所述超声导波包括多个模态。
5.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：在步骤3和步骤4中，所述超声导波的激励与接收可以由单个传感器实现，通过双工器将所述单个传感器与所述脉冲超声信号源和所述数据采集卡连接起来。
6.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：在步骤5中，所述待测结构在健康状态和含损伤状态下的零群速导波频率值是通过半解析有限元法获得，利用半解析有限元法得到所述超声导波的各模态的频散曲线，进而获得各个零群速导波模态的频率值。
7.根据权利要求6所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：通过设置不同厚度位置的损伤，利用半解析有限元法获得不同厚度位置损伤引起的零群速导波的频率值。
8.根据权利要求1所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法，其特征在于：制备所述待测结构的过程为：用厚度为0.2mm的环氧膜粘接上下两块厚度为1mm的尺寸为300mm×300mm的铝板，通过在一块铝板和胶层之间放置聚四氟乙烯薄膜，形成未粘合的表面，从而引入脱粘损伤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有实现损伤监测方法的程序，所述实现损伤监测方法的程序被处理器执行以实现如权利要求1-8中任一项所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
10.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
存储器，用于储存嵌入式软件程序；
处理器，用于执行所述存储器中存储的嵌入式软件程序，且所述嵌入式程序被执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211084369.6A CN115616085A (zh) | 2022-09-06 | 2022-09-06 | 基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211084369.6A CN115616085A (zh) | 2022-09-06 | 2022-09-06 | 基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115616085A true CN115616085A (zh) | 2023-01-17 |
Family
ID=84859593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211084369.6A Pending CN115616085A (zh) | 2022-09-06 | 2022-09-06 | 基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115616085A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118036414A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 东莞理工学院 | 一种基于超声导波机器学习的涂层厚度表征方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105044216A (zh) * | 2015-08-21 | 2015-11-11 | 华南理工大学 | 一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法 |
| US20170030863A1 (en) * | 2015-07-27 | 2017-02-02 | The Boeing Company | Ultrasonic Inspection Using Flexible Two-Dimensional Array Applied on Surface of Article |
| CN111812207A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-23 | 大连理工大学 | 基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法 |
-
2022
- 2022-09-06 CN CN202211084369.6A patent/CN115616085A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170030863A1 (en) * | 2015-07-27 | 2017-02-02 | The Boeing Company | Ultrasonic Inspection Using Flexible Two-Dimensional Array Applied on Surface of Article |
| CN105044216A (zh) * | 2015-08-21 | 2015-11-11 | 华南理工大学 | 一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法 |
| CN111812207A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-23 | 大连理工大学 | 基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 赵满全;栗霞飞;刘飞;刘晓东;杜兰;: "管道中T(0, 1)模态导波检测技术的发展与应用现状", 声学技术, no. 06, 15 December 2019 (2019-12-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118036414A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 东莞理工学院 | 一种基于超声导波机器学习的涂层厚度表征方法 |
| CN118036414B (zh) * | 2024-04-12 | 2024-06-25 | 东莞理工学院 | 一种基于超声导波机器学习的涂层厚度表征方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20130327148A1 (en) | Systems and methods for damage detection in plate-like structures using guided wave phased arrays | |
| Liu et al. | Adhesive debonding inspection with a small EMAT in resonant mode | |
| Zheng et al. | Lamb waves and electro-mechanical impedance based damage detection using a mobile PZT transducer set | |
| US5665913A (en) | Method and apparatus for evaluation and inspection of composite-repaired structures | |
| Kannusamy et al. | An efficient Lamb wave-based virtual refined time-reversal method for damage localization in plates using broadband measurements | |
| Li et al. | Damage localization in composite laminates based on a quantitative expression of anisotropic wavefront | |
| CN115616085A (zh) | 基于压电传感涂层原位传感器和零群速导波的损伤监测方法、可读存储介质及设备 | |
| US9329155B2 (en) | Method and device for determining an orientation of a defect present within a mechanical component | |
| Fierro et al. | Nonlinear elastic imaging of barely visible impact damage in composite structures using a constructive nonlinear array sweep technique | |
| Divsholi et al. | Health monitoring of steel structures using sub-frequency electromechanical impedance technique | |
| Zhong et al. | Investigation of inductively coupled ultrasonic transducer system for NDE | |
| CN206489119U (zh) | 多模式电磁超声检测系统和电磁超声传感器 | |
| Donskoy et al. | Vibro-acoustic amplitude and frequency modulations during fatigue damage evolution | |
| Castanien et al. | Application of active structural health monitoring technique to aircraft fuselage structures | |
| CN113884567B (zh) | 基于超声Lamb波的钢轨焊缝损伤检测方法和装置 | |
| Chapuis et al. | Modeling and experimental investigations of Lamb waves focusing in anisotropic plates | |
| Han et al. | A generic time-frequency analysis-based signal processing and imaging approach for air-coupled ultrasonic testing | |
| CN115856076B (zh) | 基于空耦超声的cfrp板小尺寸缺陷测量方法、装置及系统 | |
| Granja et al. | Defect detection in anisotropic plates based on the instantaneous phase of signals | |
| CN109307709B (zh) | 储罐底板主被动声融合检测系统 | |
| Ji et al. | Review of ultrasonic testing technology for bonding interfaces of solid rocket motors | |
| Kwan et al. | Unpowered Wireless Ultrasound Generation and Sensing for Structural Health Monitoring of Composites | |
| CN108414615A (zh) | 一种非金属防腐层分层缺陷超声检测方法及装置 | |
| Bar-Cohen et al. | Characterization of composite laminates using combined LLW and PBS methods | |
| Mulligan et al. | Assessment of PZT transducer bonding techniques under drop-weight impact loading in composites |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |