損傷診斷系統及損傷診斷方法
2023-05-30 08:07:51 3
專利名稱：損傷診斷系統及損傷診斷方法
技術領域：
本發明涉及一種利用蘭姆波的損傷診斷系統及損傷診斷方法。
背景技術：
例如在飛機的機身這種對原料要求強度和輕型化這兩者的領域中，為了實現這樣的要求，大幅度應用CFRP等複合材料是不可或缺的。並且，為了確保由該複合材料構成的構造的高可靠性、以及進行更有效率的設計，損傷探測技術(結構健康監測Structural Health Monitoring)技術)深受關注。作為對這種複合材料的損傷、缺陷等進行探測的裝置，在專利文獻1、2中記載了一種利用FBG(Fiber Bragg Grating 光纖布拉格光柵)光纖傳感器的損傷探測裝置。作為光纖，近來正在逐漸地細徑化(例如直徑為52[ μ m])，因為即使嵌入構造物中，也幾乎不會引起該構造物強度的降低，所以具有在設置方面自由度高的優點。根據專利文獻1、2所述的發明，使用下述部件壓電元件，其固定配置在構造用複合材料的規定位置上；導線，其向壓電元件傳輸信號；光纖傳感器，其固定配置，在其與壓電元件之間夾持構成構造用複合材料的複合材料，在光纖傳感器的纖芯部具有反射規定波長光的光柵部；光源，其向纖芯部進行光照射；特性檢測單元，其對來自於光柵部的反射光的特性進行檢測，該裝置利用壓電元件施振，並根據特性檢測單元的輸出變化探測損傷。另外，作為特性檢測單元，使用對來自於光柵部的反射光的頻率特性進行檢測的頻譜分析儀。而且，在專利文獻1中所述的發明中記載如下要點與預先取得的正常的構造用複合材料的檢測數據相比較，或者作為其它的方法，根據頻譜分析儀檢測出的頻率分布而相對於確定頻率的非振動時的變動值而設定閾值，在小於或等於該閾值的情況下可以判定為存在損傷(段落0032)。在專利文獻2中提出，在頻譜分析儀上設置2個光學濾波器，頻譜分析儀通過將反射光透過上述2個光學濾波器並輸出至運算處理裝置，從而高靈敏度地檢測出反射光的波長振動信號，並基於運算處理裝置獲得的波長振動信號，計算與被檢測體的損傷規模相當的值(DI值)。作為損傷探測技術的一種方法，正在研究傳播並受振被稱為拉姆(Lamb)波的形態的超聲波，根據受振波形的變化診斷是否發生損傷。所謂蘭姆波，是在薄板中傳播的超聲波，因為衰減較小並且可以經過長距離在板構造中傳播，所以是一種適用於損傷探測的超聲波的傳播形態。另外，蘭姆波具有多重模式性和速度分散性(頻率依賴性)這兩個特徵，依賴於板的厚度和頻率，存在速度不同的多個模式。因為這些複雜的特徵，在當前，僅利用蘭姆波的特定的頻率信息進行損傷檢測。專利文獻1 日本特開2005-98921號公報專利文獻2 日本特開2007-232371號公報專利文獻3 美國專利第M93390號說明書
發明內容
本發明的課題在於，提供一種損傷診斷系統及損傷診斷方法，其利用蘭姆波的分散性這種特徵，可以在寬頻帶中測量模式分散性，可以獲得比當前更多的有利於損傷檢測的信息，使定量評價剝離長度成為可能，可以高精度、高可靠性地探測、診斷損傷。用於解決以上課題的技術方案1所述的發明是一種損傷診斷系統，其特徵在於， 具有施振裝置，其向被檢測體施加寬頻帶蘭姆波的超聲波振動；振動檢測傳感器，其檢測由所述被檢測體傳播的寬頻帶蘭姆波；以及處理裝置，其控制所述施振裝置的起振動作，並對所述振動檢測傳感器的輸出值進行處理，輸出測量結果，所述處理裝置，對由所述施振裝置進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值進行變換，同定蘭姆波的模式，對於從同定後的蘭姆波的模式中選出的1個或者大於或等於2個的特定的模式，獲得規定的特徵值，並根據其變化中進行損傷診斷。技術方案2所述的發明是技術方案1所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，對由所述施振裝置進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值進行變換，獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，同定蘭姆波的模式，對於從同定後的蘭姆波的模式中選出的1個或者大於或等於2個的特定的模式，根據所述數據獲得規定的特徵值的變化，進行損傷診斷。技術方案3所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將在1個或者大於或等於2個的頻率下的產生傳播強度最大值的傳播時間作為所述規定的特徵值。技術方案4所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式。技術方案5所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將&模式及S1模式作為所述特定的模式。技術方案6所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式，並且將&模式及S1模式作為與其不同的所述特定的模式。技術方案7所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，計算在大於或等於2個的頻率下的產生傳播強度最大值的傳播時間，並基於這些計算所述傳播時間相對於頻率的變化率，將該變化率作為所述規定的特徵值。技術方案8所述的發明是技術方案7所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式。技術方案9所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述施振裝置分別設置於所述被檢測體的正反面上，所述處理裝置通過對所述正反面的所述施振裝置起振同相位的波而起振對稱模式，並且將對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者通過對所述正反面的所述施振裝置起振反相位的波而起振非對稱模式，並且將非對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者在不同的時間執行這兩種處理。技術方案10所述的發明是技術方案1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述振動檢測傳感器分別設置於所述被檢測體的正反面上，所述處理裝置通過對正反面的所述光纖傳感器的輸出值進行加法運算，抵消非對稱模式而獲得強調對稱模式的所述數據， 並將對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者通過減法運算而抵消對稱模式，獲得強調非對稱模式的所述數據，並將非對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者執行這兩種處理。技術方案11所述的發明是一種損傷診斷方法，其特徵在於，具有施振裝置，其向被檢測體施加蘭姆波的超聲波振動；振動檢測傳感器，其檢測從所述被檢測體傳播的蘭姆波；處理裝置，其控制所述施振裝置的起振動作，並處理所述振動檢測傳感器的輸出值，輸出測量結果；以及顯示裝置，其顯示所述測量結果，所述處理裝置使用損傷探測系統做如下處理變換由所述施振裝置變換進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值，獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，並同定蘭姆波的模式，對從同定後的蘭姆波模式中選出的大於或等於1個或2個的特定模式，從所述數據中獲得一定的特徵值作為所述測量結果輸出，在所述顯示裝置中顯示所述測量結果，並基於該測量結果、和對與該測量結果涉及的被檢測體相同的已知的構造體的測量結果之間的比較，診斷損傷。發明的效果蘭姆波中，存在相對於板狀的振動傳播介質的板厚度中心具有對稱位移的對稱模式(symmetric modes ;S模式)、和具有非對稱位移的非對稱模式(a symmetric modes ；A 模式)，相對於基本波對稱模式(Stl)和基本波非對稱模式(Atl),分別存在無數條高次的η次模式(&、Αη)，因此波動複雜。在本發明人員的研究中可知，通過起振、受振寬頻帶蘭姆波，構成將對稱/非對稱分離的方法，利用這種方法對各種模式進行分析的結果，S1模式在層間剝離部分中被變換為&模式及A1模式進行傳播，如果通過層間剝離部分，則再次返回為S1模式進行傳播。另外，還可知A1模式在層間剝離部分中被變換為比A1模式傳播速度快的&模式進行傳播，如果通過層間剝離部分，則再次返回A1模式進行傳播。即可知，在層間剝離部分的速度變化成為到達時間的變化，根據層間剝離部分的振動傳播方向的長度，各模式的到達時間分別示出其各自的變化。因此，根據本發明具有如下效果獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，對特定的模式，通過根據上述數據獲得由於損傷的影響而表現出本模式的到達時間的變化的規定的特徵值(損傷規模的指標)，從而可以進行是否存在損傷的診斷及損傷規模的診斷。
圖1是本發明的一個實施方式涉及的損傷探測系統的概略構成圖。圖2是表示光纖傳感器的概略構成圖(a)、及在光行進方向中光柵部的折射率變化的線型圖(b)。圖3是表示本發明的一個實施方式涉及的光纖傳感器和與其連接的頻譜分析儀的構成圖(a)、及8個光學濾波器的通帶的光譜圖(b)。圖4是表示本發明的一個實施方式涉及的相對於光學濾波器的輸入波波形(a)、2 個光學濾波器的通帶的光譜圖(b)及光學濾波器的輸出波波形(C)。圖5是表示本發明的一個實施方式涉及的損傷探測系統的控制系統的模塊圖。
圖6是表示實驗涉及的向MFC致動器輸入的波形(a)及其傅立葉光譜(b)。圖7是表示實驗涉及的在FBG傳感器中受振的受振波形(a)、其傅立葉光譜(b)及小波變換結果(c)。圖8是與實驗相同條件情況下的蘭姆波的理論分散曲線。圖9是表示使用MFC致動器的模式分離法的概念圖。圖10是使用FBG傳感器的模式分離法的概念圖。圖11是表示實驗涉及的模式同定結果的圖。圖12是蘭姆波的模式變換舉動的概念圖(a)、在板厚度為3. 4(mm)的板內傳播的蘭姆波的理論分散曲線(b)及在板厚度為1.7(mm)的板內傳播的蘭姆波的理論分散曲線
(C)。圖13是實驗涉及的試驗片的剖面圖。圖14是表示從實驗中求得的S模式的模式變換舉動的圖。圖15是表示從實驗中求得的A模式的模式變換舉動的圖。圖16是有限元分析模型的剖面圖。圖17是表示從有限元分析中求得的S模式的模式變換舉動的圖。圖18是表示從有限元分析中求得A模式的模式變換舉動的圖。圖19是表示在構造物完整時(a)和發生剝離時(b)傳播形態的差異。圖20是表示在完整部分中A1模式的速度和在剝離部分中&模式的速度的差異。圖21是人工層間剝離的檢測實驗涉及的檢測對象部分的斜視圖。圖22是對剝離長度不同的各種試驗片，在每個頻率下產生A1模式的小波係數最大值的時間的曲線圖。圖23是對各種不同剝離長度的試驗片，在每個頻率下產生&、S1模式的小波係數最大值的時間的曲線圖。圖M是表示圖22的250 400 (kHz)的範圍內各種試驗片的測量數據群的近似直線的斜率相對於剝離長度的變化的圖表。圖25是表示在300kHz時A1模式的傳播時間的減少量的剝離長度的變化的圖表。圖沈是表示在350kHz (有限元分析)和400kHz (實驗)時的SqJ1模式的傳播時間的增加量的剝離長度的變化的圖表。
具體實施例方式以下參照附圖對本發明的一個實施方式進行說明。以下是本發明的一個實施方式，並不是限定本發明。基本結構首先，對本實施方式的損傷探測系統的基本結構進行說明。圖1是對構造用複合材料Z進行損傷探測的損傷探測系統10的概略構成圖。在本實施方式中，將構造用複合材料作為被檢測體。在本實施方式中，作為對被檢測體施加蘭姆波的超聲波振動的施振裝置，使用 MFC (Macro Fiber Composite)致動器。MFC致動器是將極細的稜柱狀的壓電陶瓷沿著一個方向排列而嵌入環氧樹脂中，並在其上下面上粘接電極而成的，可以在面內的一個方向上發生比較大的變形。可知可利用該特性作為超聲波起振元件使用。作為施振裝置，也可以應用壓電元件等其它的起振致動器。如圖1所示，本實施方式的損傷探測系統10具有MFC致動器21，其在構造用複合材料Z的要進行損傷探測的位置的附近，粘貼在構造用複合材料Z的面部上；作為振動檢測傳感器的光纖傳感器30，其設置於構造用複合材料Z的要進行損傷探測的位置的附近；MFC 致動器21的控制裝置41 ；頻譜分析儀42，其檢測從光纖傳感器30獲得的反射光的波長特性；以及運算處理裝置50，其對頻譜分析儀42的輸出值進行運算處理。此外，圖示了頻譜分析儀42的電源裝置43。如果從外部施加驅動電壓，則MFC致動器21在其面內的一個方向上發生比較大的變形。利用該特性，控制裝置41對MFC致動器21施加驅動用的電壓，向構造用複合材料Z 施加瞬間的振動。光纖傳感器30是FBG(Fiber Bragg Grating)光纖傳感器，如圖2(a)的概略構成圖所示，由光纖34構成，該光纖34在纖芯部32具有反射規定波長光的光柵部33。光纖34的一端與頻譜分析儀42連接，通過該頻譜分析儀42所具有的光源，將一定範圍的波長波段的照射光向纖芯部32入射。從該頻譜分析儀42入射的光纖在纖芯部32 中傳播，利用光柵部33而僅一部分波長的光被反射。圖2(b)是表示纖芯部32的光行進方向上的折射率變化的線形圖，圖中的範圍L 表示光柵部33中的折射率。如該圖所示，光柵部33構成為，使纖芯部32的折射率以一定的周期變化。光柵部 33在該折射率變化的邊界部分僅選擇性地反射特定波長的光。如果對該光柵部33通過施加振動而施加變形等幹擾，則伴隨著光柵間隔的變化(伸縮)，反射光的波長也變化。在這裡，如果將纖芯部的實際折射率設為n，將光柵間隔設為Λ，將普克爾係數設為Pn、P12，將泊松比設為V，將施加變形設為ε，將光纖材料的溫度係數設為α，將溫度變化設為Δ Τ，則FBG光纖傳感器的反射光的波長變化Δ λ Β為下列式子(1)所示(Alan D. Kersey, Fiber Grating Sensors」 JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 15，No. 8， 1997)。數權利要求
1.一種損傷診斷系統，其特徵在於，具有施振裝置，其向被檢測體施加寬頻帶蘭姆波的超聲波振動； 振動檢測傳感器，其檢測由所述被檢測體傳播的寬頻帶蘭姆波；以及處理裝置，其控制所述施振裝置的起振動作，並對所述振動檢測傳感器的輸出值進行處理，輸出測量結果，所述處理裝置，對由所述施振裝置進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值進行變換，同定蘭姆波的模式，對於從同定後的蘭姆波的模式中選出的1個或者大於或等於2 個的特定的模式，獲得規定的特徵值，並根據其變化中進行損傷診斷。
2.根據權利要求1所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，對由所述施振裝置進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值進行變換，獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，同定蘭姆波的模式，對於從同定後的蘭姆波的模式中選出的1個或者大於或等於2個的特定的模式，根據所述數據獲得規定的特徵值的變化，進行損傷診斷。
3.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將在1個或者大於或等於2個的頻率下的產生傳播強度最大值的傳播時間作為所述規定的特徵值。
4.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於， 所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式。
5.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於， 所述處理裝置，將&模式及S1模式作為所述特定的模式。
6.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式，並且將&模式及S1模式作為與其不同的所述特定的模式。
7.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於，所述處理裝置，計算在大於或等於2個的頻率下的產生傳播強度最大值的傳播時間， 並基於這些計算所述傳播時間相對於頻率的變化率，將該變化率作為所述規定的特徵值。
8.根據權利要求7所述的損傷診斷系統，其特徵在於， 所述處理裝置，將A1模式作為所述特定的模式。
9.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於， 所述施振裝置分別設置於所述被檢測體的正反面上，所述處理裝置通過對所述正反面的所述施振裝置起振同相位的波而起振對稱模式，並且將對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者通過對所述正反面的所述施振裝置起振反相位的波而起振非對稱模式，並且將非對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者在不同的時間執行這兩種處理。
10.根據權利要求1或2所述的損傷診斷系統，其特徵在於， 所述振動檢測傳感器分別設置於所述被檢測體的正反面上，所述處理裝置通過對正反面的所述光纖傳感器的輸出值進行加法運算，抵消非對稱模式而獲得強調對稱模式的所述數據，並將對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者通過減法運算而抵消對稱模式，獲得強調非對稱模式的所述數據，並將非對稱模式作為所述特定的模式而進行處理，或者執行這兩種處理。
11. 一種損傷診斷方法，其特徵在於，使用損傷探測系統，該損傷探測系統具有 施振裝置，其向被檢測體施加蘭姆波的超聲波振動； 振動檢測傳感器，其檢測由所述被檢測體傳播的蘭姆波；處理裝置，其控制所述施振裝置的起振動作，對所述振動檢測傳感器的輸出值進行處理，輸出測量結果；以及顯示裝置，其顯示所述測量結果，所述處理裝置，對由所述施振裝置進行施振時獲得的所述振動檢測傳感器的輸出值進行變換，獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，同定蘭姆波的模式，對於從同定後的蘭姆波的模式中選出的1個或者大於或等於2個的特定的模式，根據所述數據獲得規定的特徵值，作為所述測量結果而輸出，在所述顯示裝置中顯示所述測量結果，並基於該測量結果相對於與該測量結果涉及的被檢測體相同的已知構造體的測量結果之間的比較，診斷損傷。
全文摘要
本發明涉及一種損傷診斷系統及損傷診斷方法，其接收和發送寬頻帶蘭姆波，從獲得的波形和理論分散曲線中評價蘭姆波的分散性，從而對存在的模式進行同定。利用損傷的發生·發展、和同定的模式分散性之間的關係定量評價剝離長度，可以高精度高可靠性地對損傷進行探測和診斷。使用損傷探測系統變換由施振裝置施振時獲得的振動檢測傳感器的輸出值，獲得頻率及傳播時間在2維上展開的傳播強度分布數據，對從蘭姆波的基本波模式和多維模式中選出的同定模式，從所述數據中獲得特定特徵值作為測量結果輸出，例如獲得A1模式的模式分散性的斜率、A1模式的傳播時間的減少量、S0及S1模式的傳播時間的增加量這三個指標作為測量結果輸出。在顯示裝置中顯示該測量結果。
文檔編號G01N29/07GK102192954SQ201110063840
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月16日 優先權日2010年3月16日
發明者岡部洋二, 副島英樹 申請人:國立大學法人東京大學, 富士重工業株式會社