專利名稱：基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo) 向波的損傷檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著航天航空領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，人們對于飛行器在線的無損檢測技術(shù)的要求 越來越高。板殼結(jié)構(gòu)在飛行器中有著廣泛的應(yīng)用，而且在整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性的作 用。板殼結(jié)構(gòu)的健康安全狀況對于整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來說至關(guān)重要。以鋁板結(jié)構(gòu)為例，在使用 過程中可能由于循環(huán)變載荷而導(dǎo)致疲勞裂紋缺陷，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋進(jìn)一步 擴(kuò)展最終導(dǎo)致災(zāi)難性事故。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)主要包括聲發(fā)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(lì)和采集裝 置，給在線的實(shí)時(shí)檢測帶來很多不便。在線的無損檢測技術(shù)要求在不破壞結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)時(shí)檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。近 二十年內(nèi)，利用嵌入式的換能器來激發(fā)與采集導(dǎo)向波信號的方法被廣泛應(yīng)用于在線的無損 檢測領(lǐng)域。然而，以往的基于導(dǎo)向波的無損檢測方法通常需要把結(jié)構(gòu)無缺陷時(shí)所采集的波 信號作為基準(zhǔn)，并把該基準(zhǔn)波信號和檢測當(dāng)前結(jié)構(gòu)所采集的檢測波信號進(jìn)行對比，來提取 由缺陷引起的波信號的特征信息，從而達(dá)到損傷識別和定位等目的。但是導(dǎo)向波具有不可 避免的頻散特性，以及環(huán)境因素變化所引起的波信號的變化會干擾由缺陷所導(dǎo)致的波信號 的變化，因此這種對基準(zhǔn)波信號的依賴性很大程度上限制了實(shí)時(shí)性和在線性檢測技術(shù)的應(yīng) 用，并大大降低了檢測的精度。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00910049014. 1，記載了一種“基于 導(dǎo)向波的厚梁結(jié)構(gòu)損傷檢測方法”，以及文獻(xiàn)《蘭姆波在薄鋼板無損檢測中的應(yīng)用研究》(王 杜，鄭祥明，等，無損檢測，2007，29 (4) 193-199)中所實(shí)現(xiàn)的基于導(dǎo)向波的準(zhǔn)確的無損檢測 都需要參考基準(zhǔn)波信號的信息。比如《蘭姆波在薄鋼板無損檢測中的應(yīng)用研究》首先利用 蘭姆波檢測無損傷的薄鋼板，獲取基準(zhǔn)波信號；并對基準(zhǔn)波信號進(jìn)行時(shí)頻分析，識別出板中 激發(fā)的蘭姆波的模式以及模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。然后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(dāng)前的檢測波信號；并識別出當(dāng)前板中激發(fā)的蘭 姆波的模式以及模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。參考無損傷檢測時(shí)的結(jié)果，最后識別出薄鋼板中的缺陷信 息。這種檢測方法的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于無損傷檢測時(shí)的結(jié)果，即基準(zhǔn)波信號，導(dǎo)致其 對環(huán)境因素的變化相當(dāng)敏感，不滿足于在線檢測的實(shí)時(shí)性要求。

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，提供一種基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測 方法，克服了依賴于基準(zhǔn)信號的缺點(diǎn)，不僅滿足了實(shí)時(shí)性和在線性的要求，而且大大提高了 檢測的精度。該技術(shù)的成功研發(fā)不僅可以實(shí)現(xiàn)飛行器中板殼結(jié)構(gòu)的在線無損檢測，同時(shí)可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如橋梁，建筑，船舶等結(jié)構(gòu)的在線安全性監(jiān)控和評估，具有非常重要的 實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟步驟1、布置傳感路徑將激勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器分別正對方式設(shè)置在待檢測 板殼結(jié)構(gòu)的表面上或鑲嵌于待檢測板殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并組成激勵(lì)-感應(yīng)波信號的傳感路 徑，其中從激勵(lì)換能器至感應(yīng)換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構(gòu)成導(dǎo)向波的時(shí) 間逆轉(zhuǎn)過程；所述的激勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器均采用鍥形塊狀或薄片狀壓電陶瓷材料制成。所述的正向傳播過程包括1. 1)激勵(lì)波信號板殼結(jié)構(gòu)的頻厚積步驟激勵(lì)頻率X板殼厚度、來選擇激勵(lì)波信 號的頻率ω，依據(jù)傳感路徑的長度步驟L、與導(dǎo)向波波長λ的比值步驟L/λ、來選擇激勵(lì)信 號的周期步驟η，以保證L/λ彡η，開啟數(shù)字信號發(fā)生裝置把漢寧窗調(diào)制且中心頻率為ω 的η-周正弦調(diào)幅脈沖，即激勵(lì)波信號以電壓形式加載到激勵(lì)換能器上，在待檢測板殼結(jié)構(gòu) 內(nèi)激勵(lì)出由激勵(lì)換能器傳向感應(yīng)換能器的導(dǎo)向波；1. 2)采集并在時(shí)間域逆轉(zhuǎn)感應(yīng)波信號的&模式開啟信號采集裝置記錄感應(yīng)換 能器所感應(yīng)到的電壓信號，即感應(yīng)波信號；并利用數(shù)字處理軟件把感應(yīng)波信號的&模式在 時(shí)間域進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，即原信號的時(shí)間始點(diǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)后所生成信號的時(shí)間終點(diǎn)，原信號的時(shí)間 終點(diǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)后所生成信號的時(shí)間始點(diǎn)。所述的正向傳播過程中所述的&模式是指導(dǎo)向波的基礎(chǔ)階對稱模式；所述的 信號采集裝置包括信號解調(diào)器和信號數(shù)字離散器。所述的逆向傳播過程包括2. 1)再激勵(lì)時(shí)間逆轉(zhuǎn)的波信號開啟數(shù)字信號發(fā)生裝置，把正向傳播過程所生成 的時(shí)間逆轉(zhuǎn)的感應(yīng)波信號的&模式再次以電壓形式加載到感應(yīng)換能器上，激發(fā)出由感應(yīng)換 能器傳向激勵(lì)換能器的導(dǎo)向波；2. 2)采集匯聚波信號并生成重建信號步驟2. 1)中所生成的導(dǎo)向波將匯聚到激 勵(lì)換能器所在的位置，即原始的激勵(lì)點(diǎn)，開啟信號采集裝置記錄原始的激勵(lì)換能器所感應(yīng) 到的電壓信號，即匯聚波信號；并利用數(shù)字處理軟件把匯聚波信號的&模式在時(shí)間域進(jìn)行 逆轉(zhuǎn)，生成重建信號。步驟2、校對基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)的損傷指數(shù)將重建信號與原始激勵(lì)波信號進(jìn)行幅值 正則化，并進(jìn)行反相關(guān)性分析，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)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(guān)性分析是指對第η條傳感路徑而言，損傷指數(shù)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(lì)波信號的波形，t為采樣時(shí)間點(diǎn)，to為采樣時(shí)間的起始點(diǎn)，取 值為0，tl為采樣時(shí)間的終止點(diǎn)，取值為原始激勵(lì)波信號的時(shí)間長度，η為傳感路徑的序號 1 ^ η ^ N, N為傳感路徑的總數(shù)。


圖1為實(shí)施例正向及逆向船舶示意圖。圖2為實(shí)施例中一個(gè)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(shí)施例中原始激勵(lì)波信號的波形與鋁板板溫度為20°C時(shí)傳感路徑P1-P4和 P2-P3的重建信號的波形對比。圖4為實(shí)施例中原始激勵(lì)波信號的波形與鋁板板溫度為52°C時(shí)傳感路徑P1-P4和 P2-P3的重建信號的波形對比。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1和圖2所示，取一個(gè)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(shí)進(jìn)行實(shí)測，以說明環(huán)境變化對本 發(fā)明的損傷檢測結(jié)果并無影響。本發(fā)明的實(shí)施按以下步驟進(jìn)行步驟1、布置傳感路徑波信號的激勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器采用壓電陶瓷應(yīng)變片，即薄片狀的壓電陶瓷換 能器，這種應(yīng)變片可以方便地固定在被檢測鋁板的表面，既可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)波信號的功能又 可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)波信號的功能。一條傳感路徑包括一個(gè)壓電激勵(lì)應(yīng)變片和一個(gè)壓電感應(yīng)應(yīng)變 片，在鋁板上布置四個(gè)壓電陶瓷應(yīng)變片步驟Pl，P2，P3和P4)，并選用一個(gè)坐標(biāo)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(lì)應(yīng)變片；P4為壓電感應(yīng)應(yīng)變片)距離雙切縫缺陷較遠(yuǎn)，而傳感路徑P2-P3步驟P2為壓 電激勵(lì)應(yīng)變片；P3為壓電感應(yīng)應(yīng)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的影響相比于P1-P4而言更加嚴(yán)重。表 權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、布置傳感路徑將激勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器分別正對方式設(shè)置在待檢測板殼 結(jié)構(gòu)的表面上或鑲嵌于待檢測板殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并組成激勵(lì)-感應(yīng)波信號的傳感路徑，其 中從激勵(lì)換能器至感應(yīng)換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構(gòu)成導(dǎo)向波的時(shí)間逆轉(zhuǎn) 過程；步驟2、校對基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)的損傷指數(shù)將重建信號與原始激勵(lì)波信號進(jìn)行幅值正則 化，并進(jìn)行反相關(guān)性分析，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征是，所述的激 勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器均采用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所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征是，所述的正 向傳播過程包括1.1)激勵(lì)波信號板殼結(jié)構(gòu)的頻厚積步驟激勵(lì)頻率X板殼厚度、來選擇激勵(lì)波信號的 頻率ω，依據(jù)傳感路徑的長度步驟L、與導(dǎo)向波波長λ的比值步驟L/λ、來選擇激勵(lì)信號 的周期步驟η，以保證L/λ彡η，開啟數(shù)字信號發(fā)生裝置把漢寧窗調(diào)制且中心頻率為ω的 η-周正弦調(diào)幅脈沖，即激勵(lì)波信號以電壓形式加載到激勵(lì)換能器上，在待檢測板殼結(jié)構(gòu)內(nèi) 激勵(lì)出由激勵(lì)換能器傳向感應(yīng)換能器的導(dǎo)向波；1.2)采集并在時(shí)間域逆轉(zhuǎn)感應(yīng)波信號的&模式開啟信號采集裝置記錄感應(yīng)換能器 所感應(yīng)到的電壓信號，即感應(yīng)波信號；并利用數(shù)字處理軟件把感應(yīng)波信號的&模式在時(shí)間 域進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，即原信號的時(shí)間始點(diǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)后所生成信號的時(shí)間終點(diǎn)，原信號的時(shí)間終點(diǎn) 變?yōu)槟孓D(zhuǎn)后所生成信號的時(shí)間始點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征是，所述的正 向傳播過程中所述的&模式是指導(dǎo)向波的基礎(chǔ)階對稱模式；所述的信號采集裝置包括 信號解調(diào)器和信號數(shù)字離散器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征是，所述的逆 向傳播過程包括2.1)再激勵(lì)時(shí)間逆轉(zhuǎn)的波信號開啟數(shù)字信號發(fā)生裝置，把正向傳播過程所生成的時(shí) 間逆轉(zhuǎn)的感應(yīng)波信號的&模式再次以電壓形式加載到感應(yīng)換能器上，激發(fā)出由感應(yīng)換能器 傳向激勵(lì)換能器的導(dǎo)向波；2. 2)采集匯聚波信號并生成重建信號步驟2. 1)中所生成的導(dǎo)向波將匯聚到激勵(lì)換 能器所在的位置，即原始的激勵(lì)點(diǎn)，開啟信號采集裝置記錄原始的激勵(lì)換能器所感應(yīng)到的 電壓信號，即匯聚波信號；并利用數(shù)字處理軟件把匯聚波信號的&模式在時(shí)間域進(jìn)行逆轉(zhuǎn)， 生成重建信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特征是，所述的幅 值正則化是指信號被其振幅的最大值除。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，其特 征是，所述的反相關(guān)性分析是指對第η條傳感路徑而言，損傷指數(shù)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(lì)波信號的波形，t為采樣時(shí)間點(diǎn)，t0為采樣時(shí)間的起始點(diǎn)，取 值為0，tl為采樣時(shí)間的終止點(diǎn)，取值為原始激勵(lì)波信號的時(shí)間長度，η為傳感路徑的序號 1 ^ η ^ N, N為傳感路徑的總數(shù)。
全文摘要
一種機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)領(lǐng)域的基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測方法，通過將激勵(lì)換能器和感應(yīng)換能器分別正對方式設(shè)置在待檢測板殼結(jié)構(gòu)的表面上或鑲嵌于待檢測板殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并組成激勵(lì)-感應(yīng)波信號的傳感路徑，其中從激勵(lì)換能器至感應(yīng)換能器的正向傳播過程及其逆向傳播過程構(gòu)成導(dǎo)向波的時(shí)間逆轉(zhuǎn)過程；然后將重建信號與原始激勵(lì)波信號進(jìn)行幅值正則化，并進(jìn)行反相關(guān)性分析，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)導(dǎo)向波的損傷檢測。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)飛行器中板殼結(jié)構(gòu)的在線無損檢測，同時(shí)可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如橋梁，建筑，船舶等結(jié)構(gòu)的在線安全性監(jiān)控和評估，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者孟光, 李富才, 王棟, 苗曉婷 申請人:上海交通大學(xué)