CN104597083A - 基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法，该方法基于超声导波和机电阻抗相结合技术，首先采用导波法对结构损伤进行扫描定位，再通过机电阻抗法对损伤状况进行评估。本发明提出的损伤检测方法将基于导波和基于机电阻抗的两种损伤检测方法相结合，发挥二者的优点，并互为补充，弥补了二者各自的缺点：此方法首先基于导波对损伤进行快速扫描定位确定无损伤区域及待检测区域E，然后分别移动探头至无损伤区域及待检测区域E，再通过移动式探头的干耦合机电阻抗表征得到损伤状况的详细信息，大大提高了损伤检测能力。

Description

基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种结构损伤检测方法，具体涉及一种基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法。

背景技术

飞行器、土木建筑及重型机械等工程结构在服役过程中长期承受复杂的载荷条件甚至可能遭受意外的撞击，需要及时检测结构的损伤，定期评价结构的完整性，以防止结构失效带来巨大的损失。近年来，基于导波(板、壳结构中通常称为Lamb波)和基于机电阻抗的损伤检测方法在无损检测领域均有广泛的应用。以上两种方法对于结构表面或内部的损伤均较为敏感，并各有特点。对基于导波的损伤检测方法来说，导波在短时间内可以传播较长的距离，因此对大面积、长距离结构能快速有效地进行损伤定位。而对基于阻抗法的损伤检测方法的特点和优势主要在于该方法检测灵敏度高、信号采集及处理方便快捷，因此能够更高效地评估损伤详细状况。

然而以上两种方法各自存在一些问题：由于超声导波或称Lamb波有多模态和频散等特性，在复杂的结构中回波信号会比较复杂，信号分析和处理起来较为困难，因此对于损伤的定量化检测有一定难度；而对于阻抗法来说，扫描频率越高，对损伤越敏感，然而检测区域也相应变小，不利于损伤定位。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法，该方法基于超声导波和机电阻抗相结合技术，首先采用导波法对结构损伤进行扫描定位，再通过机电阻抗法对损伤状况进行评估，具体包括以下步骤：

S1：布置移动式传感器探头使其吸附在待测结构的表面；

S2：移动式传感器探头激励并接收超声导波设备的导波信号，对待测结构的损伤位置进行定位，获得初步诊断图像，确定无损区域及待检测区域E；

S3：将移动式传感器探头布置在待测结构的无损区域的任意M个不同位置，分别用m(m＝1～M)表示，采用阻抗分析仪测量每个位置移动式传感器探头的阻抗值，取所述M个位置阻抗的平均值作为干耦合阻抗的基准值；

S4：计算干耦合阻抗的统计差异从而确定阻抗的随机误差分布，通过随机误差分布使用t检验准则确定损伤阈值；

S5：在待检测区域E建立直角坐标系，设置Q个检测点，分别用q(q＝1～Q)表示；

S6：在q(q＝1开始)位置处布置移动式传感器探头，使其再次吸附在待测结构的表面并进行阻抗测量；

S7：重复步骤S6，依次完成剩余检测点的阻抗测量，得到各检测点的干耦合阻抗值Re(Z)_q；

S8：采集S7中检测到的干耦合阻抗值Re(Z)_q对其进行信号处理，将超过S4中损伤阈值的数据用于损伤诊断图像的构建，获取待检测区域E的损伤诊断图像，评估损伤程度获得待测结构的损伤信息。

所述移动式传感器探头内部集成有一个或多个压电晶片传感器。通过干耦合方式实现传感器与待测结构的能量传递，可用于干耦合机电阻抗表征，无需采集损伤前的基准信号，适用于结构损伤的局部诊断。

所述可吸附在待测结构表面的传感器探头，将基于导波的全局检测方法和基于机电阻抗的局部诊断方法相结合，形成可移动和扩展的传感器网络。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用移动式传感器探头测量干耦合机电阻抗，对于感兴趣的区域更易达到和实施检测策略，弥补了传统粘接传感器的阻抗法检测范围小的缺点。

2、本发明采用移动式传感器探头测量干耦合机电阻抗，发展无基准信号的机电阻抗法进行损伤检测，克服了传统的机电阻抗损伤检测方法易受到环境变化影响的缺点。

3、本发明提出的损伤检测方法中应用移动式装置，采用该装置的移动式传感器探头既能够实现导波的激励和接收，同时可用于干耦合机电阻抗的表征，无需增加传感器探头数量，用较少的传感器探头就可以实现大面积结构的灵活检测与诊断。

4、本发明提出的损伤检测方法将基于导波和基于机电阻抗的两种损伤检测方法相结合，发挥二者的优点，并互为补充，弥补了二者各自的缺点：导波信号复杂，对于损伤的定量化检测有一定难度；而阻抗法的扫描频率越高，对损伤越敏感，然而检测区域也相应变小，不利于损伤定位。此方法首先基于导波对损伤进行快速扫描定位确定无损伤区域及待检测区域E，然后分别移动探头至无损伤区域及待检测区域E，再通过移动式探头的干耦合机电阻抗表征得到损伤状况的详细信息，大大提高了损伤检测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中结合超声导波与机电阻抗的移动式损伤检测方法的流程图

图2为本发明实施例中基于超声导波法的检测点分布与损伤设置示意图；

图3为实施例中基于超声导波法的损伤诊断结果图像；

图4为实施例中的待检测区域E的示意图；

图5为待检测区域E中应用机电阻抗的移动式检测方法示意图；

图6为实施例中基于机电阻抗法的损伤诊断结果图像。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法，该方法基于超声导波和机电阻抗相结合技术，首先采用导波法对结构损伤进行扫描定位，再通过机电阻抗法对损伤状况进行评估，具体包括以下步骤：

S1：布置移动式传感器探头使其吸附在待测结构的表面；

S2：移动式传感器探头激励并接收超声导波设备的导波信号，对待测结构的损伤位置进行定位，获得初步诊断图像，确定无损区域及待检测区域E；

S3：将移动式传感器探头布置在待测结构的无损区域的任意M个不同位置，分别用m(m＝1～M)表示，采用阻抗分析仪测量每个位置移动式传感器探头的阻抗值，取所述M个位置阻抗的平均值作为干耦合阻抗的基准值；

S4：计算干耦合阻抗的统计差异从而确定阻抗的随机误差分布，通过随机误差分布使用t检验准则确定损伤阈值；

S5：在待检测区域E建立直角坐标系，设置Q个检测点，分别用q(q＝1～Q)表示；

S6：在q(q＝1开始)位置处布置移动式传感器探头，使其再次吸附在待测结构的表面并进行阻抗测量；

S7：重复步骤S6，依次完成剩余检测点的阻抗测量，得到各检测点的干耦合阻抗值Re(Z)_q；

S8：采集S7中检测到的干耦合阻抗值Re(Z)_q对其进行信号处理，将超过S4中损伤阈值的数据用于损伤诊断图像的构建，获取待检测区域E的损伤诊断图像，评估损伤程度获得待测结构的损伤信息。

本发明采用的移动式传感器探头结构采用申请号为201010244359.5的专利申请中公开的一种用于结构健康监测的压电晶片的安装方法及其装置中的结构，属于现有技术。所述可吸附在结构表面的传感器探头，将基于导波的全局检测方法和基于机电阻抗的局部诊断方法相结合，形成可移动和扩展的传感器网络。

实施例：

步骤1：取一块如图2所示铝板试件(尺寸：1000mm×1000mm×3mm)，在其上分别设置一个孔伤与一个刻痕，两者坐标如图2所示。其中，孔伤的直径为20mm，而刻痕的长30mm，宽1.5mm。选定铝板上N个(本实例为24个)不同位置(L1,L2,…,L24)作为检测点，其分布情况如图2所示；

步骤2：根据本发明人申请的中国发明专利(申请号为201410020701.1)一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法中的实施例步骤，得到试件的导波法检测结果图像，如图3所示；

步骤3：根据导波的损伤诊断结果图像，调整阈值选定待检测区域E作为细检区域，其他区域视作无损伤区域，本实例中选择刻痕所属区域做待检测区域E，如图4和图5所示；

步骤4：在无损伤区域任取M个不同点(本实例为20个)，使移动式探头装置吸附在这M个点上，分别测量移动式探头的干耦合机电阻抗Re(Z⁰)^m(m＝1～M)，计算以上各点所测阻抗的平均值作为基准Re(Z⁰)，其中本实例中选取50khz-500khz作为检测频率；

步骤5：根据均方根偏差(RMSD)公式(X_i和分别为目标值和原始值，该公式可得到目标值与原始值的统计差异)计算以上M个无损点与基准Re(Z⁰)的统计差异RMSD值，即随机误差X_m，公式如下：

$X_m=\mathrm{RMSD}\left(\mathrm{Re}{\left(Z\right)}^m\right)=\sqrt{{(\mathrm{Re}{\left(Z^0\right)}^m-\mathrm{Re}\left(Z^0\right))}^2/{\left(\mathrm{Re}\left(Z^0\right)\right)}^2}$

步骤6：计算得到随机误差分布的均值μ和标准差σ，随后使用t检验准则确定阈值，即对于数据X，若X-μ>K(m,a)×σ，则判断数据X为损伤引起的异常数据。本实例中取显著性水平a＝0.05，所得阈值为1.140；

步骤7：将探头逐渐靠近一个已知的裂纹损伤并测量阻抗，由RMSD计算公式得一系列阻抗RMSD值，拟合得到阻抗RMSD值相对于距离d的函数f(d)。本实例中拟合得到的函数f(d)如下：

$f\left(d\right)=a_1\×e^{-{\left(\frac{d-b_1}{c_1}\right)}^2}+a_2\×e^{-{\left(\frac{d-b_2}{c_2}\right)}^2}$

其中，a₁＝2.359；b₁＝0.1747；c₁＝1.442；a₂＝3.559×10¹⁵；b₂＝-2152；c₂＝362.2。

再由步骤6确定的阈值TR代入函数f(d)中，求得干耦合阻抗法的检测半径d₀＝r。本实例中r＝11mm。

步骤7：根据检测半径r在检测区域E内设定Q个不同位置的检测点使得整个细检区域能够被完全覆盖，如图所示。检测区域E内坐标为(x,y)的网格点到某个检测点q的距离为D_q(q＝1～Q)，计算公式如下：

$D_q=\sqrt{{(x-x_q)}^2+{(y-y_q)}^2}$

步骤8：引入圆形加权函数W_q(D_q)，计算公式如下：

$W_q\left(D_q\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{D_q}{r},& D_q\≤r\\ 0,& D_q>r\end{array}\right.$

W_q(D_q)可被定义为随D_q的减小而增大，表明越靠近某检测点的网格点受该点检测区域上的损伤指数影响程度越大。从上述定义可知，每个检测区域都是一个圆形的影响区域，当网格点位于圆形影响区域外时，加权系数为0，表示该网格点位于某检测点过远，在该点检测范围之外，则在数据融合过程无需考虑该检测点提供的信息。

步骤9：将移动式探头移动至待检测区域E内某一点q处并吸附在结构表面。此时测量移动式探头的干耦合机电阻抗，得到Re(Z)_q，由RMSD公式计算求得与基准Re(Z⁰)的统计差异作为q点处的损伤指数X_q；

步骤10：损伤出现在坐标为(x,y)的网格点处的概率值由下式计算：

$P(x,y)=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{X}_q{W}_q\left(D_q\right)$

其中，X_q为选定检测点的损伤指数；W_q(D_q)即为q点处的非负的圆形等值线线性递减的加权分布函数。这种圆形特征的物理含义是当损伤位于检测半径r内时会造成阻抗信号的变化，并且距离检测点q处越近，变化越显著，而信号损伤因子会随着损伤远离检测点而减小，即损伤变化会减小。

步骤11：图6所示为检测区域E的诊断图像，成像结果显示阻抗法能够更细致地表征损伤信息，如损伤的大小及形状等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法，其特征在于：该方法基于超声导波和机电阻抗相结合技术，首先采用导波法对结构损伤进行扫描定位，再通过机电阻抗法对损伤状况进行评估，具体包括以下步骤：

S1：布置移动式传感器探头使其吸附在待测结构的表面；

S2：移动式传感器探头激励并接收超声导波设备的导波信号，对待测结构的损伤位置进行定位，获得初步诊断图像，确定无损区域及待检测区域E；

S3：将移动式传感器探头布置在待测结构的无损区域的任意M个不同位置，分别用m(m＝1～M)表示，采用阻抗分析仪测量每个位置移动式传感器探头的阻抗值，取所述M个位置阻抗的平均值作为干耦合阻抗的基准值；

S4：计算干耦合阻抗的统计差异从而确定阻抗的随机误差分布，通过随机误差分布使用t检验准则确定损伤阈值；

S5：在待检测区域E建立直角坐标系，设置Q个检测点，分别用q(q＝1～Q)表示；

S6：在q(q＝1开始)位置处布置移动式传感器探头，使其再次吸附在待测结构的表面并进行阻抗测量；

S7：重复步骤S6，依次完成剩余检测点的阻抗测量，得到各检测点的干耦合阻抗值Re(Z)_q；

S8：采集S7中检测到的干耦合阻抗值Re(Z)_q对其进行信号处理，将超过S4中损伤阈值的数据用于损伤诊断图像的构建，获取待检测区域E的损伤诊断图像，评估损伤程度获得待测结构的损伤信息。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波和机电阻抗的移动式损伤检测方法，其特征还在于：所述移动式传感器探头内部集成有一个或多个压电晶片传感器。