专利名称：基于时间逆转导向波的损伤检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械结构检测技术领域的方法，具体是一种基于时间逆转导 向波的损伤检测方法。
背景技术：
随着航天航空领域技术的发展进步，人们对于飞行器在线的无损检测技术的要求 越来越高。板壳结构在飞行器中有着广泛的应用，而且在整个结构系统中起到关键性的作 用。板壳结构的健康安全状况对于整个结构系统来说至关重要。以铝板结构为例，在使用 过程中可能由于循环变载荷而导致疲劳裂纹缺陷，并且随着循环次数的增加，裂纹进一步 扩展最终导致灾难性事故。传统的无损检测技术主要包括声发射法、电涡流检测法、X射线法、超声波检测 法、红外和全息照相法等。然而这些方法往往需要昂贵的、体积庞大的信号激励和采集装 置，给在线的实时检测带来很多不便。在线的无损检测技术要求在不破坏结构的前提下，实时检测结构内部的缺陷。近 二十年内，利用嵌入式的换能器来激发与采集导向波信号的方法被广泛应用于在线的无损 检测领域。然而，以往的基于导向波的无损检测方法通常需要把结构无缺陷时所采集的波 信号作为基准，并把该基准波信号和检测当前结构所采集的检测波信号进行对比，来提取 由缺陷引起的波信号的特征信息，从而达到损伤识别和定位等目的。但是导向波具有不可 避免的频散特性，以及环境因素变化所引起的波信号的变化会干扰由缺陷所导致的波信号 的变化，因此这种对基准波信号的依赖性很大程度上限制了实时性和在线性检测技术的应 用，并大大降低了检测的精度。经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200910049014. 1，记载了一种“基于 导向波的厚梁结构损伤检测方法”，以及文献《兰姆波在薄钢板无损检测中的应用研究》(王 杜，郑祥明，等，无损检测，2007，29 (4) 193-199)中所实现的基于导向波的准确的无损检测 都需要参考基准波信号的信息。比如《兰姆波在薄钢板无损检测中的应用研究》首先利用 兰姆波检测无损伤的薄钢板，获取基准波信号；并对基准波信号进行时频分析，识别出板中 激发的兰姆波的模式以及模式转换现象。然后再利用兰姆波检测具有直径不等的孔洞类缺 陷和深度不等的分层缺陷的薄钢板，获取当前的检测波信号；并识别出当前板中激发的兰 姆波的模式以及模式转换现象。参考无损伤检测时的结果，最后识别出薄钢板中的缺陷信 息。这种检测方法的准确性很大程度上依赖于无损伤检测时的结果，即基准波信号，导致其 对环境因素的变化相当敏感，不满足于在线检测的实时性要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于时间逆转导向波的损伤检测 方法，克服了依赖于基准信号的缺点，不仅满足了实时性和在线性的要求，而且大大提高了 检测的精度。该技术的成功研发不仅可以实现飞行器中板壳结构的在线无损检测，同时可以应用于其他领域，如桥梁，建筑，船舶等结构的在线安全性监控和评估，具有非常重要的 实用价值和广阔的应用前景。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤1、布置传感路径将激励换能器和感应换能器分别正对方式设置在待检测 板壳结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路 径，其中从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时 间逆转过程；所述的激励换能器和感应换能器均采用锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。所述的正向传播过程包括1. 1)激励波信号板壳结构的频厚积步骤激励频率X板壳厚度、来选择激励波信 号的频率ω，依据传感路径的长度步骤L、与导向波波长λ的比值步骤L/λ、来选择激励信 号的周期步骤η，以保证L/λ彡η，开启数字信号发生装置把汉宁窗调制且中心频率为ω 的η-周正弦调幅脉冲，即激励波信号以电压形式加载到激励换能器上，在待检测板壳结构 内激励出由激励换能器传向感应换能器的导向波；1. 2)采集并在时间域逆转感应波信号的&模式开启信号采集装置记录感应换 能器所感应到的电压信号，即感应波信号；并利用数字处理软件把感应波信号的&模式在 时间域进行逆转，即原信号的时间始点变为逆转后所生成信号的时间终点，原信号的时间 终点变为逆转后所生成信号的时间始点。所述的正向传播过程中所述的&模式是指导向波的基础阶对称模式；所述的 信号采集装置包括信号解调器和信号数字离散器。所述的逆向传播过程包括2. 1)再激励时间逆转的波信号开启数字信号发生装置，把正向传播过程所生成 的时间逆转的感应波信号的&模式再次以电压形式加载到感应换能器上，激发出由感应换 能器传向激励换能器的导向波；2. 2)采集汇聚波信号并生成重建信号步骤2. 1)中所生成的导向波将汇聚到激 励换能器所在的位置，即原始的激励点，开启信号采集装置记录原始的激励换能器所感应 到的电压信号，即汇聚波信号；并利用数字处理软件把汇聚波信号的&模式在时间域进行 逆转，生成重建信号。步骤2、校对基于时间逆转的损伤指数将重建信号与原始激励波信号进行幅值 正则化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。所述的幅值正则化是指信号被其振幅的最大值除。所述的反相关性分析是指对第η条传感路径而言，损伤指数DIn*
DI =I-
\tMt)Cn(t)dX
( 0j ，其中Cn(t)为第η条传感路径的重建波形，V0n(t)为
{Cv。到iX(叫
第η条传感路径的原始激励波信号的波形，t为采样时间点，to为采样时间的起始点，取 值为0，tl为采样时间的终止点，取值为原始激励波信号的时间长度，η为传感路径的序号 1 ^ η ^ N, N为传感路径的总数。
图1为实施例正向及逆向船舶示意图。图2为实施例中一个带有双切缝缺陷的铝板以及传感路径P1-P4和P2-P3的示意 图。图3为实施例中原始激励波信号的波形与铝板板温度为20°C时传感路径P1-P4和 P2-P3的重建信号的波形对比。图4为实施例中原始激励波信号的波形与铝板板温度为52°C时传感路径P1-P4和 P2-P3的重建信号的波形对比。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1和图2所示，取一个带有双切缝缺陷的铝板试件步骤 600mmX600mmX2. 0mm，分别在铝板温度为20°C和52°C时进行实测，以说明环境变化对本 发明的损伤检测结果并无影响。本发明的实施按以下步骤进行步骤1、布置传感路径波信号的激励换能器和感应换能器采用压电陶瓷应变片，即薄片状的压电陶瓷换 能器，这种应变片可以方便地固定在被检测铝板的表面，既可以实现激励波信号的功能又 可以实现感应波信号的功能。一条传感路径包括一个压电激励应变片和一个压电感应应变 片，在铝板上布置四个压电陶瓷应变片步骤Pl，P2，P3和P4)，并选用一个坐标系以方便定 位步骤图幻。双切缝缺陷的位置和尺寸在表格1中列出。传感路径P1-P4步骤Pl为压电 激励应变片；P4为压电感应应变片)距离双切缝缺陷较远，而传感路径P2-P3步骤P2为压 电激励应变片；P3为压电感应应变片)距离双切缝缺陷较近，使得双切缝缺陷对传感路径 P2-P3的影响相比于P1-P4而言更加严重。表 权利要求
1.一种基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、布置传感路径将激励换能器和感应换能器分别正对方式设置在待检测板壳 结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路径，其 中从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时间逆转 过程；步骤2、校对基于时间逆转的损伤指数将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则 化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。
2.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的激 励换能器和感应换能器均采用锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的正 向传播过程包括1.1)激励波信号板壳结构的频厚积步骤激励频率X板壳厚度、来选择激励波信号的 频率ω，依据传感路径的长度步骤L、与导向波波长λ的比值步骤L/λ、来选择激励信号 的周期步骤η，以保证L/λ彡η，开启数字信号发生装置把汉宁窗调制且中心频率为ω的 η-周正弦调幅脉冲，即激励波信号以电压形式加载到激励换能器上，在待检测板壳结构内 激励出由激励换能器传向感应换能器的导向波；1.2)采集并在时间域逆转感应波信号的&模式开启信号采集装置记录感应换能器 所感应到的电压信号，即感应波信号；并利用数字处理软件把感应波信号的&模式在时间 域进行逆转，即原信号的时间始点变为逆转后所生成信号的时间终点，原信号的时间终点 变为逆转后所生成信号的时间始点。
4.根据权利要求3所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的正 向传播过程中所述的&模式是指导向波的基础阶对称模式；所述的信号采集装置包括 信号解调器和信号数字离散器。
5.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的逆 向传播过程包括2.1)再激励时间逆转的波信号开启数字信号发生装置，把正向传播过程所生成的时 间逆转的感应波信号的&模式再次以电压形式加载到感应换能器上，激发出由感应换能器 传向激励换能器的导向波；2. 2)采集汇聚波信号并生成重建信号步骤2. 1)中所生成的导向波将汇聚到激励换 能器所在的位置，即原始的激励点，开启信号采集装置记录原始的激励换能器所感应到的 电压信号，即汇聚波信号；并利用数字处理软件把汇聚波信号的&模式在时间域进行逆转， 生成重建信号。
6.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特征是，所述的幅 值正则化是指信号被其振幅的最大值除。
7.根据权利要求1所述的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，其特 征是，所述的反相关性分析是指对第η条传感路径而言，损伤指数DIn为DI =I- \ (t)Cn(t)dt\，其中cn(t)为第η条传感路径的重建波形，V0n(t)为第η条传感路径的原始激励波信号的波形，t为采样时间点，t0为采样时间的起始点，取 值为0，tl为采样时间的终止点，取值为原始激励波信号的时间长度，η为传感路径的序号 1 ^ η ^ N, N为传感路径的总数。
全文摘要
一种机械结构检测技术领域的基于时间逆转导向波的损伤检测方法，通过将激励换能器和感应换能器分别正对方式设置在待检测板壳结构的表面上或镶嵌于待检测板壳结构的内部，并组成激励-感应波信号的传感路径，其中从激励换能器至感应换能器的正向传播过程及其逆向传播过程构成导向波的时间逆转过程；然后将重建信号与原始激励波信号进行幅值正则化，并进行反相关性分析，实现基于时间逆转导向波的损伤检测。本发明实现飞行器中板壳结构的在线无损检测，同时可以应用于其他领域，如桥梁，建筑，船舶等结构的在线安全性监控和评估，具有非常重要的实用价值和广阔的应用前景。
文档编号G01N29/50GK102072936SQ201010533249
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者孟光, 李富才, 王栋, 苗晓婷 申请人:上海交通大学
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