基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法
2023-05-16 11:46:01
專利名稱：基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械結構檢測技術領域的方法，具體是一種基於時間逆轉導 向波的損傷檢測方法。
背景技術：
隨著航天航空領域技術的發展進步，人們對於飛行器在線的無損檢測技術的要求 越來越高。板殼結構在飛行器中有著廣泛的應用，而且在整個結構系統中起到關鍵性的作 用。板殼結構的健康安全狀況對於整個結構系統來說至關重要。以鋁板結構為例，在使用 過程中可能由於循環變載荷而導致疲勞裂紋缺陷，並且隨著循環次數的增加，裂紋進一步 擴展最終導致災難性事故。傳統的無損檢測技術主要包括聲發射法、電渦流檢測法、X射線法、超聲波檢測 法、紅外和全息照相法等。然而這些方法往往需要昂貴的、體積龐大的信號激勵和採集裝 置，給在線的實時檢測帶來很多不便。在線的無損檢測技術要求在不破壞結構的前提下，實時檢測結構內部的缺陷。近 二十年內，利用嵌入式的換能器來激發與採集導向波信號的方法被廣泛應用於在線的無損 檢測領域。然而，以往的基於導向波的無損檢測方法通常需要把結構無缺陷時所採集的波 信號作為基準，並把該基準波信號和檢測當前結構所採集的檢測波信號進行對比，來提取 由缺陷引起的波信號的特徵信息，從而達到損傷識別和定位等目的。但是導向波具有不可 避免的頻散特性，以及環境因素變化所引起的波信號的變化會干擾由缺陷所導致的波信號 的變化，因此這種對基準波信號的依賴性很大程度上限制了實時性和在線性檢測技術的應 用，並大大降低了檢測的精度。經過對現有技術的檢索發現，中國專利申請號200910049014. 1，記載了一種「基於 導向波的厚梁結構損傷檢測方法」，以及文獻《蘭姆波在薄鋼板無損檢測中的應用研究》(王 杜，鄭祥明，等，無損檢測，2007，29 (4) 193-199)中所實現的基於導向波的準確的無損檢測 都需要參考基準波信號的信息。比如《蘭姆波在薄鋼板無損檢測中的應用研究》首先利用 蘭姆波檢測無損傷的薄鋼板，獲取基準波信號；並對基準波信號進行時頻分析，識別出板中 激發的蘭姆波的模式以及模式轉換現象。然後再利用蘭姆波檢測具有直徑不等的孔洞類缺 陷和深度不等的分層缺陷的薄鋼板，獲取當前的檢測波信號；並識別出當前板中激發的蘭 姆波的模式以及模式轉換現象。參考無損傷檢測時的結果，最後識別出薄鋼板中的缺陷信 息。這種檢測方法的準確性很大程度上依賴於無損傷檢測時的結果，即基準波信號，導致其 對環境因素的變化相當敏感，不滿足於在線檢測的實時性要求。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於時間逆轉導向波的損傷檢測 方法，克服了依賴於基準信號的缺點，不僅滿足了實時性和在線性的要求，而且大大提高了 檢測的精度。該技術的成功研發不僅可以實現飛行器中板殼結構的在線無損檢測，同時可以應用於其他領域，如橋梁，建築，船舶等結構的在線安全性監控和評估，具有非常重要的 實用價值和廣闊的應用前景。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟步驟1、布置傳感路徑將激勵換能器和感應換能器分別正對方式設置在待檢測 板殼結構的表面上或鑲嵌於待檢測板殼結構的內部，並組成激勵-感應波信號的傳感路 徑，其中從激勵換能器至感應換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構成導向波的時 間逆轉過程；所述的激勵換能器和感應換能器均採用鍥形塊狀或薄片狀壓電陶瓷材料製成。所述的正向傳播過程包括1. 1)激勵波信號板殼結構的頻厚積步驟激勵頻率X板殼厚度、來選擇激勵波信 號的頻率ω，依據傳感路徑的長度步驟L、與導向波波長λ的比值步驟L/λ、來選擇激勵信 號的周期步驟η，以保證L/λ彡η，開啟數位訊號發生裝置把漢寧窗調製且中心頻率為ω 的η-周正弦調幅脈衝，即激勵波信號以電壓形式加載到激勵換能器上，在待檢測板殼結構 內激勵出由激勵換能器傳向感應換能器的導向波；1. 2)採集並在時間域逆轉感應波信號的&模式開啟信號採集裝置記錄感應換 能器所感應到的電壓信號，即感應波信號；並利用數字處理軟體把感應波信號的&模式在 時間域進行逆轉，即原信號的時間始點變為逆轉後所生成信號的時間終點，原信號的時間 終點變為逆轉後所生成信號的時間始點。所述的正向傳播過程中所述的&模式是指導向波的基礎階對稱模式；所述的 信號採集裝置包括信號解調器和信號數字離散器。所述的逆向傳播過程包括2. 1)再激勵時間逆轉的波信號開啟數位訊號發生裝置，把正向傳播過程所生成 的時間逆轉的感應波信號的&模式再次以電壓形式加載到感應換能器上，激發出由感應換 能器傳向激勵換能器的導向波；2. 2)採集匯聚波信號並生成重建信號步驟2. 1)中所生成的導向波將匯聚到激 勵換能器所在的位置，即原始的激勵點，開啟信號採集裝置記錄原始的激勵換能器所感應 到的電壓信號，即匯聚波信號；並利用數字處理軟體把匯聚波信號的&模式在時間域進行 逆轉，生成重建信號。步驟2、校對基於時間逆轉的損傷指數將重建信號與原始激勵波信號進行幅值 正則化，並進行反相關性分析，實現基於時間逆轉導向波的損傷檢測。所述的幅值正則化是指信號被其振幅的最大值除。所述的反相關性分析是指對第η條傳感路徑而言，損傷指數DIn*
DI =I-
\tMt)Cn(t)dX
( 0j ，其中Cn(t)為第η條傳感路徑的重建波形，V0n(t)為
{Cv。到iX(叫
第η條傳感路徑的原始激勵波信號的波形，t為採樣時間點，to為採樣時間的起始點，取 值為0，tl為採樣時間的終止點，取值為原始激勵波信號的時間長度，η為傳感路徑的序號 1 ^ η ^ N, N為傳感路徑的總數。
圖1為實施例正向及逆向船舶示意圖。圖2為實施例中一個帶有雙切縫缺陷的鋁板以及傳感路徑P1-P4和P2-P3的示意 圖。圖3為實施例中原始激勵波信號的波形與鋁板板溫度為20°C時傳感路徑P1-P4和 P2-P3的重建信號的波形對比。圖4為實施例中原始激勵波信號的波形與鋁板板溫度為52°C時傳感路徑P1-P4和 P2-P3的重建信號的波形對比。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1和圖2所示，取一個帶有雙切縫缺陷的鋁板試件步驟 600mmX600mmX2. 0mm，分別在鋁板溫度為20°C和52°C時進行實測，以說明環境變化對本 發明的損傷檢測結果並無影響。本發明的實施按以下步驟進行步驟1、布置傳感路徑波信號的激勵換能器和感應換能器採用壓電陶瓷應變片，即薄片狀的壓電陶瓷換 能器，這種應變片可以方便地固定在被檢測鋁板的表面，既可以實現激勵波信號的功能又 可以實現感應波信號的功能。一條傳感路徑包括一個壓電激勵應變片和一個壓電感應應變 片，在鋁板上布置四個壓電陶瓷應變片步驟Pl，P2，P3和P4)，並選用一個坐標系以方便定 位步驟圖幻。雙切縫缺陷的位置和尺寸在表格1中列出。傳感路徑P1-P4步驟Pl為壓電 激勵應變片；P4為壓電感應應變片)距離雙切縫缺陷較遠，而傳感路徑P2-P3步驟P2為壓 電激勵應變片；P3為壓電感應應變片)距離雙切縫缺陷較近，使得雙切縫缺陷對傳感路徑 P2-P3的影響相比於P1-P4而言更加嚴重。表 權利要求
1.一種基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1、布置傳感路徑將激勵換能器和感應換能器分別正對方式設置在待檢測板殼 結構的表面上或鑲嵌於待檢測板殼結構的內部，並組成激勵-感應波信號的傳感路徑，其 中從激勵換能器至感應換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構成導向波的時間逆轉 過程；步驟2、校對基於時間逆轉的損傷指數將重建信號與原始激勵波信號進行幅值正則 化，並進行反相關性分析，實現基於時間逆轉導向波的損傷檢測。
2.根據權利要求1所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵是，所述的激 勵換能器和感應換能器均採用鍥形塊狀或薄片狀壓電陶瓷材料製成。
3.根據權利要求1所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵是，所述的正 向傳播過程包括1.1)激勵波信號板殼結構的頻厚積步驟激勵頻率X板殼厚度、來選擇激勵波信號的 頻率ω，依據傳感路徑的長度步驟L、與導向波波長λ的比值步驟L/λ、來選擇激勵信號 的周期步驟η，以保證L/λ彡η，開啟數位訊號發生裝置把漢寧窗調製且中心頻率為ω的 η-周正弦調幅脈衝，即激勵波信號以電壓形式加載到激勵換能器上，在待檢測板殼結構內 激勵出由激勵換能器傳向感應換能器的導向波；1.2)採集並在時間域逆轉感應波信號的&模式開啟信號採集裝置記錄感應換能器 所感應到的電壓信號，即感應波信號；並利用數字處理軟體把感應波信號的&模式在時間 域進行逆轉，即原信號的時間始點變為逆轉後所生成信號的時間終點，原信號的時間終點 變為逆轉後所生成信號的時間始點。
4.根據權利要求3所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵是，所述的正 向傳播過程中所述的&模式是指導向波的基礎階對稱模式；所述的信號採集裝置包括 信號解調器和信號數字離散器。
5.根據權利要求1所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵是，所述的逆 向傳播過程包括2.1)再激勵時間逆轉的波信號開啟數位訊號發生裝置，把正向傳播過程所生成的時 間逆轉的感應波信號的&模式再次以電壓形式加載到感應換能器上，激發出由感應換能器 傳向激勵換能器的導向波；2. 2)採集匯聚波信號並生成重建信號步驟2. 1)中所生成的導向波將匯聚到激勵換 能器所在的位置，即原始的激勵點，開啟信號採集裝置記錄原始的激勵換能器所感應到的 電壓信號，即匯聚波信號；並利用數字處理軟體把匯聚波信號的&模式在時間域進行逆轉， 生成重建信號。
6.根據權利要求1所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特徵是，所述的幅 值正則化是指信號被其振幅的最大值除。
7.根據權利要求1所述的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，其特 徵是，所述的反相關性分析是指對第η條傳感路徑而言，損傷指數DIn為DI =I- \ (t)Cn(t)dt\，其中cn(t)為第η條傳感路徑的重建波形，V0n(t)為第η條傳感路徑的原始激勵波信號的波形，t為採樣時間點，t0為採樣時間的起始點，取 值為0，tl為採樣時間的終止點，取值為原始激勵波信號的時間長度，η為傳感路徑的序號 1 ^ η ^ N, N為傳感路徑的總數。
全文摘要
一種機械結構檢測技術領域的基於時間逆轉導向波的損傷檢測方法，通過將激勵換能器和感應換能器分別正對方式設置在待檢測板殼結構的表面上或鑲嵌於待檢測板殼結構的內部，並組成激勵-感應波信號的傳感路徑，其中從激勵換能器至感應換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構成導向波的時間逆轉過程；然後將重建信號與原始激勵波信號進行幅值正則化，並進行反相關性分析，實現基於時間逆轉導向波的損傷檢測。本發明實現飛行器中板殼結構的在線無損檢測，同時可以應用於其他領域，如橋梁，建築，船舶等結構的在線安全性監控和評估，具有非常重要的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號G01N29/50GK102072936SQ201010533249
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者孟光, 李富才, 王棟, 苗曉婷 申請人:上海交通大學