一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法
【专利摘要】本发明公开一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法，步骤是：在待测结构上布置激励/传感圆形阵列，组建检测通道，采集所有激励/传感通道的Lamb波响应信号，计算每一个激励/传感通道的SDC值；对Lamb波响应信号分组，选出每组中SDC最大值，并根据所有SDC最大值中最小的两个值确定裂纹方向；校正裂纹方向上的SDC值，采用RAPID算法重构裂纹的损伤图像；绘制接收端的SDC分布图，SDC值大于设定阈值的传感路径经过损伤，再根据数学几何关系计算出裂纹的长度。此方法可克服Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响，利用一种改进的RAPID算法，通过校正裂纹方向上的SDC值，实现对裂纹损伤的图像重构，并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。
【专利说明】-种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于层析成像【技术领域】，特别设及一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监 测与评估层析成像方法。
【背景技术】
[0002] 随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的检测和诊断日益引起人 们的高度重视，尤其是针对裂纹损伤的检测，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须 对结构进行有效的快速检测。
[000引 Lamb波是在自由边界条件下，固体结构中传播的弹性导波，具有衰减慢、传播距离 远，且对结构中的微小损伤十分敏感，因此，近年来Lamb波结构健康技术的应用已经从航 空航天领域拓展到±木工程、船舶、铁路及自动化工业领域，对保证结构安全、减少人员和 财产损失等方面发挥着重要的作用。起源于医学的Lamb波层析成像技术是近些年来技术 领域内引入的一种新技术方法，相较于传统的Lamb波结构健康技术，如楠圆定位和=角测 量方法等，该技术可W直观地重构出损伤的位置、大小和程度等信息，对于裂纹损伤监测与 评估展现出了较好的研究前景。然而由于Lamb波传播的复杂性，遇到裂纹时存在端点效 应，在裂纹端点处会发生Lamb波模式的转换，该对裂纹的方向、长度的评估W及重构裂纹 损伤带来困难。
[0004] 基于W上考虑，本发明人对现有的基于Lamb波层析成像的结构裂纹损伤检测方 法进行了改进，本案由此产生。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，在于提供一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成 像方法，其可克服Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响，利用一种改进的RAPID算 法，通过校正裂纹方向上的SDC值，实现对裂纹损伤的图像重构，并由接收端SDC分布图评 估出裂纹的长度。
[0006] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] 一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法，包括如下步骤：
[000引 （1)在待测结构上，根据检测区域大�。贾靡蛔檠沟绱衅髯槌杉だ�/传感圆形 阵列；
[0009] (2)在激励/传感圆形阵列中，选择一个压电传感器作为激励元件，并设为Si，其 余所有压电传感器作为传感元件，并设为Sj.，组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励 /传感通道的Lamb波响应信号fy，其中i，j = 1，2,3，…，且i声j ;
[0010] 做将采集的所有Lamb波响应信号fu进行分组，i相同的作为一组，计算每一个 激励/传感通道的SDC值，选出每组中SDC值的最大值MaXi;
[0011] (4)比较所有的MaXi，找到最小的两个值分别所对应的激励端，该两个激励端的连 线即为裂纹所在的方向；
[0012] (5)校正裂纹方向上的SDC值为1，把每一个激励/传感通道的SDC值布置在一个 楠圆面上，并且将所有传感路径对应的概率分布图进行叠加，从而得到检测区域内任意点 (x，y)的损伤分布概率，重构出裂纹的损伤图像；
[0013] (6)绘制接收端的SDC分布图，SDC值大于设定阔值的传感路径经过损伤，再根据 数学几何关系计算出裂纹的长度。
[0014] 上述步骤（2)的详细步骤为：
[0015] (21)在结构当前状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波信号加载到作 为激励元件的压电传感器Si上，在结构中激发激励信号，其中，i = 1，2,3,…；
[0016] 倘）依次选取各压电传感器Sj作为传感元件，其中j = 1，2,3，…，且j声i，经 电荷放大器将Si激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到 Si激励下的所有激励/传感圆形阵列下的Lamb波响应信号f U;
[0017] (23)选择另外一个压电传感器作为激励元件，重复步骤（21)、（22)，得到所有激 励/传感圆形阵列下的Lamb波响应信号fu，直至将所有压电传感器均作为激励元件。
[0018] 上述步骤（21)中，所述的激励信号为窄带信号，中屯、频率选择依据为激发出单一 模式为主的Lamb波信号。
[0019] 上述步骤化）的详细步骤为：
[0020] 化1) W裂纹方向上两个压电传感器对应的劣弧中点的压电传感器作为激励器，W 裂纹方向上两个压电传感器对应的优弧上其余所有的压电传感器作为传感器，采集Lamb 波响应信号fu;
[0021] 化2)计算每条传感路径的SDC值，W接收端压电传感器位置的圆屯、角为X轴，每个 压电传感器对应的SDC值为y轴，画出接收端的SDC值分布图；
[0022] 化3)在接收端的SDC值分布图中，选取SDC值大于设定阔值的传感器路径，根据数 学几何关系计算出裂纹长度。
[002引上述步骤（6)中，设定阔值为0. 35?0. 45。
[0024] 采用上述方案后，本发明采用的基本原理是；Lamb波在结构中传播时会遍布结构 的每个点，且衰减较慢，传播距离较远，对微小损伤敏感，而结构的裂纹损伤往往会造成结 构的中断或不连续。根据Lamb波传播的基本原理，当传播介质出现中断或不连续时，大多 数的Lamb波信号会因受到阻碍而难W继续向前传播，即使裂纹宽度很窄，只要其长度大于 Lamb波波长，就会造成在传播前进方向上的Lamb波出现十分明显的衰减。基于此，利用信 号差异系数（SDC)来表征损伤信号和参考信号的统计特性差异，SDC值的大小反映了损伤 程度和损伤距离激励/传感圆形阵列的相对位置。本发明可W有效地实现对裂纹方向及长 度的评估，重构出的裂纹层析图像能很好地反应裂纹的信息，有利于保障工程结构的安全 性，实现对损伤的定量评估和扩展监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明中待测结构W及传感/激励圆形阵列的布局示意图；
[0026] 图2是本发明中窄带激励信号的波形时域图；
[0027] 图3是本发明中垂直于裂纹的激励/传感圆形阵列（激励器2-传感器6)采集到 的Lamb波响应信号波形图；
[002引图4是本发明中经过裂纹方向的激励/传感圆形阵列（激励器3-传感器11)采 集到的Lamb波响应信号波形图；
[0029] 图5是本发明中列出了每一组的SDC值的最大值MaXi，其中圈出的两个值为最小 的两个MaXi;
[0030] 图6(a)是本发明中利用改进后的RAPID算法，重构出的裂纹损伤图像；
[0031] 图6(b)是本发明中经过阔值化后的裂纹损伤重构图像，白色部分表示裂纹所在 的位置；
[0032] 图7是本发明中接收端所有路径的SDC分布图，W接收端传感器位置的圆屯、角为X 轴，每个传感器对应的SDC值为y轴，其中虚线W上的部分为接收端中SDC值大于阔值（本 实施例SDC值取0. 4)的传感器路径。
【具体实施方式】
[0033] W下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0034] 本发明提供一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法，其基 本原理是：由于频散效应，Lamb波各模式信号在传播过程中，不同频率成分W不同的传播 速度传播，造成信号波包的延拓和混叠，而损伤散射信号往往比较微弱，在与直达波信号、 边界反射信号的混叠过程中容易煙没在该些波形中。传统的Lamb波层析成像技术，通常 选取波速或能量衰减作为损伤检测定位和图像重构的特征参数。为了准确地重构出损伤 图像，不仅需要密集地布置传感器，而且耗费大量的计算时间。RAPID化econstruction algorithm for prob油ilistic inspection of damage)则是一种基于相关性分析的算法， 它只考察参考信号（无损伤信号）和损伤信号的差异进行损伤识别。然而由于在实际应用 中，裂纹损伤的宽度通常非常狭窄，所W在裂纹方向的传感路径上，参考信号收到裂纹的影 响微乎其微。因此，传统的RAPID算法无法对裂纹损伤进行重构。实际上，该也是因为该算 法忽略了裂缝方向上的成像。Lamb波层析成像的工程结构裂纹损伤监测与评估方法，利用 RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构，克服了 Lamb波复杂多模传播特 性对信号分析的影响，在此基础上本发明提出一种改进的RAPID算法，通过校正裂纹方向 上的SDC值，实现对裂纹损伤的图像重构，并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。
[0035] W下结合计算公式进一步说明本发明的技术方案。
[0036] 首先计算参考信号xu(t)和损伤信号yy(t)的信号差异系数SDC值，其中，i表示 激励端，j表示接收端。SDC值的定义如下：
[0037]
【权利要求】
1. 一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法，其特征在于包括如 下步骤： (1) 在待测结构上，根据检测区域大�。贾靡蛔檠沟绱衅髯槌杉だ�/传感圆形阵 列； (2) 在激励/传感圆形阵列中，选择一个压电传感器作为激励元件，并设为Sp其余所 有压电传感器作为传感元件，并设为Sj，组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励/传 感通道的Lamb波响应信号4』，其中i，j = 1，2,3，…，且i乒j ; (3) 将采集的所有Lamb波响应信号&进行分组，i相同的作为一组，计算每一个激励 /传感通道的SDC值，选出每组中SDC值的最大值Maxi; (4) 比较所有的MaXi，找到最小的两个值分别所对应的激励端，这两个激励端的连线即 为裂纹所在的方向； (5) 校正裂纹方向上的SDC值为1，把每一个激励/传感通道的SDC值布置在一个椭圆 面上，并且将所有传感路径对应的概率分布图进行叠加，从而得到检测区域内任意点（x，y) 的损伤分布概率，重构出裂纹的损伤图像； (6) 绘制接收端的SDC分布图，SDC值大于设定阈值的传感路径经过损伤，再根据数学 几何关系计算出裂纹的长度。
2. 如权利要求1所述的一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法， 其特征在于所述步骤（2)的详细步骤为： (21) 在结构当前状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波信号加载到作为激 励元件的压电传感器Sil，在结构中激发激励信号，其中，i = 1，2,3,…； (22) 依次选取各压电传感器Sj作为传感元件，其中j = 1，2,3，…，且j辛i，经电荷 放大器将3,激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到S ^敦 励下的所有激励/传感圆形阵列下的Lamb波响应信号fij; (23) 选择另外一个压电传感器作为激励元件，重复步骤（21)、（22)，得到所有激励/传 感圆形阵列下的Lamb波响应信号，直至将所有压电传感器均作为激励元件。
3. 如权利要求2所述的一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法， 其特征在于：所述步骤（21)中，所述的激励信号为窄带信号，中心频率选择依据为激发出 单一模式为主的Lamb波信号。
4. 如权利要求1所述的一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法， 其特征在于所述步骤（6)的详细步骤为： (61) 以裂纹方向上两个压电传感器对应的劣弧中点的压电传感器作为激励器，以裂纹 方向上两个压电传感器对应的优弧上其余所有的压电传感器作为传感器，采集Lamb波响 应信号fij; (62) 计算每条传感路径的SDC值，以接收端压电传感器位置的圆心角为x轴，每个压电 传感器对应的SDC值为y轴，画出接收端的SDC值分布图； (63) 在接收端的SDC值分布图中，选取SDC值大于设定阈值的传感器路径，根据数学几 何关系计算出裂纹长度。
5. 如权利要求4所述的一种改进Lamb波工程结构裂纹损伤监测与评估层析成像方法， 其特征在于：所述步骤￠)中，设定阈值为0. 35?0. 45。
【文档编号】G01N29/06GK104502457SQ201410808715
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月23日
【发明者】王强, 胥静 申请人:南京邮电大学
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