專利名稱：基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機械結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于瞬時相位變 化度的損傷檢測方法。
背景技術(shù)：
近二十年內(nèi)，超聲導波(如蘭姆波)已被廣泛應用于無損健康檢測領(lǐng)域?；诔?導波的損傷識別方法通常是把試件無損傷時所采集的波信號作為基準波信號，并把當前所 采集的檢測波信號與基準波信號進行對比，從而提取出由損傷散射的波信號的特征信息， 如飛行時間(ToF)等，達到損傷識別和定位等目的。由于超聲導波不可避免的頻散特性以 及工作環(huán)境中的噪聲嚴重降低了檢測波信號的信噪比(SNR)，很難依據(jù)原始的檢測波信號 評估出損傷散射的波信號的ToF。因此信號處理技術(shù)對基于超聲導波的損傷識別起到至關(guān) 重要的作用，決定了 ToF的精確評估以及三角定位方法的有效性。至今已有多種信號處理 技術(shù)被廣泛應用于提高信號的SNR。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，《QuekS Τ, Tua P S，Wang Q. Detecting anomalies in beams and plate based on the Hilbert-Huang transform of real signals. Smart Materials and Structures, 2003,12(3) :447_460.》(基于對實際信號的 Hilbert-Huang 變換診斷梁和板結(jié)構(gòu)中的損傷異常)中利用Hilbert-Huang變換(HHT)和文獻《Ip K H,Tse P W, Tam H Y. Extraction of patch-induced Lamb waves using a wavelet transform. Smart Materials and Structures, 2004,13(4) :861_872.》(利用小波變換提取碎片引起 的蘭姆波)中利用小波變換(WT)。然而在實際的工作環(huán)境中，檢測波信號可能被不確定的 噪聲干擾。如果噪聲能量分布在目標波信號的頻率帶內(nèi)，此時通過HHT和WT仍然無法有效 地排除噪聲，導致無法正確地評估出損傷散射的波信號的ToF。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于瞬時相位變化度的損傷檢測 方法，具有較好的抵抗隨機噪聲干擾的能力，即使所采集的波信號的SNR較低該方法仍然 可以正確地評估損傷散射的基礎階對稱(Stl)模式的ToF，進而結(jié)合三角定位方法成功地識 別和定位損傷。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟步驟一、首先將換能器固定在待檢測對象的表面或鑲嵌于待檢測對象的結(jié)構(gòu)內(nèi) 部，每一對換能器以一發(fā)一收的方式設置，組成一條激勵-感應波信號的傳感路徑，若干條 傳感路徑構(gòu)建成傳感網(wǎng)絡，所覆蓋的待檢測對象的區(qū)域為檢測區(qū)域；所述的換能器為鍥形塊狀或薄片狀壓電陶瓷材料制成。步驟二、在待檢測對象無損傷的狀態(tài)下利用超聲導波對其進行檢測，采集無損傷 時的檢測波信號并記錄為基準波信號，然后利用超聲導波對其進行實時檢測并采集當前的 檢測波信號并記錄為檢測波信號，最后利用SSP方法對基準波信號和檢測波信號進行分譜處理分別得到基準波信號和檢測波信號的瞬時相位變化度后進行特征提取處理，得到損傷 散射的波信號的飛行時間；所述的分譜處理是指將采集到的波信號從時域轉(zhuǎn)換至頻域后進行帶通濾波后再 轉(zhuǎn)換至時域，得到瞬時相位變化度。所述的從時域轉(zhuǎn)換至頻域是指對采集的時域波信號進行快速傅里葉變換，得到 原始波信號r(t)的頻率_能量譜，其中能量譜的能量最大值，即能量峰值的一半所對應的 起始頻率和截止頻率分別被用于指定信號的主要頻率帶。所述的帶通濾波是指采用總數(shù)為M的高斯帶通濾波器組對頻率-能量譜進行濾 波，得到M個相互重疊的頻率帶&(ω)，i = 1 M，其中ω為頻率變量，該高斯帶通濾波 器的帶寬均為2Χ Af，其中心頻率依次為fp i = 1 M，相鄰兩個高斯帶通濾波器之間的 頻率間隔為Δ ·，其中Δ ·= 1/Τ，Μ = ΒΤ+1，Τ是信號的采樣時間，即信號總的時間長度；B 為主要頻率帶的帶寬。所述的轉(zhuǎn)換至時域是指將M個頻率帶Xi(Co)分別進行獨立的傅里葉逆變換，得
到M個時間域信號Xi⑴以及瞬時相位變化度IPVD⑴，其中4(0 = Χτ{ω)· Μ ω，t
2π ‘-00
為采樣時間點，O < t ( T，Xi(t)的各個采樣時間點的信號幅值與該時間域信號的瞬時相位 相同。所述的瞬時相位變化度為:IPVD(t)= Xmax(t)-Xmin⑴，其中=Xfflin(t) =min(Xl(t), X2 (t),. · · Xi (t). . . xM (t)), Xmax (t) = max (X1 (t), X2 (t),. . . Xi (t). . . χΜ (t)),當 Xi (t)的瞬時
相位在較小的范圍內(nèi)變化，則對應較小的IPVD(t)值；相反，則對應較大的IPVD(t)值。所述的特征提取處理是指當基準波信號的IPVD(t)，即IPVDbmcwk⑴大于檢驗 波信號的IPVD (t)，即IPVDdamagJt)時，則在對應的采樣時間點t時刻出現(xiàn)損傷散射的S。模 式，并由IPVDbmcWk(t)和IPVDdamage⑴的差值得到損傷散射的Stl模式的ToF，具體為計算
\rdamagM A(t)>A(TA_s) ο,其它 ；其中TA_S是激發(fā)的Stl模式從激勵點直接傳播到感應點所需要的ToF，當激發(fā)的Stl 模式到達時TA_s)IPVDbmcWk(t)與IPVDdamage(t)之間的差值Δ (TA_S)為閾值，在TA_S后，當 Δ (t)的值比Δ (TA_S)大，則在t時分譜處理算法的輸出y(t)等于原始檢驗波信號rdamage(t) 的幅值，否則y(t)的值為O ；其中的第一個值不為O的y(t)所對應的采樣時間點則為Stl模 式從激勵點傳播到損傷，再從損傷傳播到感應點所需要的ToF，即TA_D_S，所述的激勵點和感 應點分別是指激勵換能器和感應換能器的位置。步驟三、采用三角定位方法根據(jù)飛行時間計算得到損傷的坐標位置，并結(jié)合傳感 網(wǎng)絡中各條傳感路徑所評估的ToF繪制出多條坐標軌跡，該坐標軌跡的交匯區(qū)域為損傷可 能出現(xiàn)的區(qū)域，具體包括以下步驟3.1)計算以下方程式的解Td = TA_D_S_TA_S = (Ta_d+Ld_s_La_s) /vg,La—d = ^J(Xa-Xd)2+(yA-yDf ,Ld—s = ^l(xD-xsf+(yD-ysf，
Δ (t) = IPVDbenchmark(t)-IPVDdamage(t),O ( t ( Τ,ΧΟ = ·
權(quán)利要求
一種基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、首先將換能器固定在待檢測對象的表面或鑲嵌于待檢測對象的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，每一對換能器以一發(fā)一收的方式設置，組成一條激勵 感應波信號的傳感路徑，若干條傳感路徑構(gòu)建成傳感網(wǎng)絡，所覆蓋的待檢測對象的區(qū)域為檢測區(qū)域；步驟二、在待檢測對象無損傷的狀態(tài)下利用超聲導波對其進行檢測，采集無損傷時的檢測波信號并記錄為基準波信號，然后利用超聲導波對其進行實時檢測并采集當前的檢測波信號并記錄為檢測波信號，最后利用SSP方法對基準波信號和檢測波信號進行分譜處理分別得到基準波信號和檢測波信號的瞬時相位變化度后進行特征提取處理，得到損傷散射的波信號的飛行時間；步驟三、采用三角定位方法根據(jù)飛行時間計算得到損傷的坐標位置，并結(jié)合傳感網(wǎng)絡中各條傳感路徑所評估的ToF繪制出多條坐標軌跡，該坐標軌跡的交匯區(qū)域為損傷可能出現(xiàn)的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的換 能器為鍥形塊狀或薄片狀壓電陶瓷材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的分 譜處理是指將采集到的波信號從時域轉(zhuǎn)換至頻域后進行帶通濾波后再轉(zhuǎn)換至時域，得到 瞬時相位變化度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的從 時域轉(zhuǎn)換至頻域是指對采集的時域波信號進行快速傅里葉變換，得到原始波信號r(t)的 頻率_能量譜，其中能量譜的能量最大值，即能量峰值的一半所對應的起始頻率和截止頻 率分別被用于指定信號的主要頻率帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的 帶通濾波是指采用總數(shù)為M的高斯帶通濾波器組對頻率_能量譜進行濾波，得到M個相 互重疊的頻率帶Xi( )，i = 1 M，其中ω為頻率變量，該高斯帶通濾波器的帶寬均為 2Χ Af，其中心頻率依次為fpi = 1 Μ，相鄰兩個高斯帶通濾波器之間的頻率間隔為Af， 其中Δ f = 1/Τ,Μ = ΒΤ+1，Τ是信號的采樣時間，即信號總的時間長度；B為主要頻率帶的 帶寬。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的轉(zhuǎn) 換至時域是指將M個頻率帶Xi (ω)分別進行獨立的傅里葉逆變換，得到M個時間域信號Xi⑴以及瞬時相位變化度IPVD⑴，其中
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征 是，所述的瞬時相位變化度為IPVD (t) = Xfflax (t) -Xfflin⑴，其中xmin(t) = min (X1 (t)， X2 ⑴，.· · Xi (t). . . xM (t)), Xmax (t) = max (X1 (t), X2 (t),. . . Xi (t). . . xM (t)),當 Xi (t)的瞬時相位在較小的范圍內(nèi)變化，則對應較小的IPVD(t)值；相反，則對應較大的IPVD(t)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述 的特征提取處理是指當基準波信號的IPVD (t)，即IPVDbenehmart⑴大于檢驗波信號的 IPVD(t)，即IPVDdamagJt)時，則在對應的采樣時間點t時刻出現(xiàn)損傷散射的Stl模式，并由IPVDbenchmark (t)和IPVDdamage (t)的差值得到損傷散射的Stl模式的ToF，具體為計算
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，其特征是，所述的步 驟三具體包括以下步驟 (3. 1計算以下方程式的解
全文摘要
一種機械結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)領(lǐng)域的基于瞬時相位變化度的損傷檢測方法，首先將換能器固定在待檢測對象的表面或鑲嵌于待檢測對象的結(jié)構(gòu)內(nèi)部并構(gòu)建檢測區(qū)域；然后在待檢測對象無損傷的狀態(tài)下利用超聲導波對其進行檢測并計算得到損傷散射的波信號的飛行時間；最后采用三角定位方法根據(jù)飛行時間計算得到損傷的坐標位置，并結(jié)合傳感網(wǎng)絡中各條傳感路徑所評估的ToF繪制出多條坐標軌跡，該坐標軌跡的交匯區(qū)域為損傷可能出現(xiàn)的區(qū)域。本發(fā)明具有較好的抵抗隨機噪聲干擾的能力，即使所采集的波信號的SNR較低該方法仍然可以正確地評估損傷散射的基礎階對稱(S0)模式的ToF，進而結(jié)合三角定位方法成功地識別和定位損傷。
文檔編號G01N29/44GK101995435SQ20101053304
公開日2011年3月30日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者孟光, 李富才, 苗曉婷 申請人:上海交通大學