基于兰姆波的自主式损伤识别成像方法技术

一种机械结构检测技术领域的基于兰姆波的自主式损伤识别成像方法，通过构建传感网络并校对传感网络中各条传感路径的基于时间逆转的损伤指数ＤＩ，然后把对所有传感路径所校对的损伤指数中的最大值的４５％设定为阈值，并用此阈值来判断传感路径被损伤影响的程度；最后对所有传感路径的损伤指数进行加权分布处理，进而得到损伤出现在坐标点（ｘ，ｙ）处的概率值。本发明专利技术避免了提取由缺陷散射的波信号的飞行时间，克服了依赖于基准信号的缺点。本发明专利技术不仅满足了实时性和在线性的要求，而且可以准确地识别与定位多损伤，实现板壳结构的自主式的无损检测，在航天航空以及建筑等领域具有非常重要的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种机械结构检测
的方法，具体是一种基于兰姆波的自 主式损伤识别成像方法。
技术介绍
兰姆波(Lamb waves)是在板壳结构中传播的导向波，近二十年内，利用换能器来 激发与采集兰姆波信号的方法被广泛应用于大型板壳结构的无损检测领域。传统的基于 兰姆波的损伤识别方法通常需要在结构无缺陷时就提前对结构采集信号，并把所采集的信 号作为基准信号；然后对当前的结构采集信号，并把所采集的信号作为检测信号。对比基 准信号和检测信号，以提取由缺陷散射的波信号的飞行时间(ToF)，并利用三角定位算法 可以实现损伤识别和定位的目的，如文献《Michaels，J. Ε.，and Michaels, Τ. Ε. (2007). Guided wave signal processing and image fusion for in situ damage localization in plates. Wave Motion,44(6) :482-492.》(用于定位板内损伤的导向波信号的处理和图 像商虫合)禾口文■〈〈Jennifer，Ε· M. (2008). Detection, localization and characterization of damage in plates with an in situ array of spatially distributed ultrasonic sensors. Smart Materials and Structures, 17(3) :0350；35·》(利用空间阵列分布的超声 传感器实现对板内损伤的诊断，定位和特征描述)。然而兰姆波在板壳结构中传播时具有不 可避免的频散特性，并且当遇到缺陷时会产生反射、散射、透射等现象，使得所采集的波信 号非常复杂，导致这种基于ToF的损伤识别方法在实际应用中受到很大的限制。随后发展起来的损伤识别方法为了避免提取缺陷散射的波信号的ToF，通过对一 条传感路径所采集的基准信号与检测信号进行相关性分析来校对该条传感路径的损伤指 数(DI)。结合传感网络里所有传感路径所校对的DI，利用加权分布成像算法可以实现对传 感网络所包围的区域的无损检测。经过对现有技术的检索发现，《Zhao X，Qian Τ, Mei G，et al. Active health monitoring of an aircraft wing with an embedded piezoelectric sensor/actuator network :II. Wireless approaches. Smart Materials and Structures. 200716(4). 1218-1225》(利用嵌入式压电传感器网络实现对飞行器机翼的自 主式健康监测:II.无线方法)和文献《Hay T R,Royer R L，Gao H，et al. Acomparison of embedded sensor Lamb wave ultrasonic tomography approaches for material loss detection. Smart Materials and Structures. 2006 15 (4). 946-951》(用于诊断材料损失 的嵌入式传感兰姆波的超声成像方法的对比)。然而这种方法依然需要依赖基准信号。自 主式的无损检测技术要求在不破坏结构的前提下，自主地对结构内部的缺陷进行在线的实 时检测。当结构所处的环境因素发生改变，将导致结构中传播的波信号的本质特征发生改 变，而且这种改变将混淆由缺陷所引起的波信号的特征改变，大大降低了损伤识别和定位 的精度，无法满足实时性和在线性的要求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于兰姆波的自主式损伤识别成 像方法，避免了提取由缺陷散射的波信号的飞行时间，克服了依赖于基准信号的缺点。本发 明不仅满足了实时性和在线性的要求，而且可以准确地识别与定位多损伤，实现板壳结构 的自主式的无损检测，在航天航空以及建筑等领域具有非常重要的实用价值。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括以下步骤步骤1、构建传感网络将换能器固定在待检测板壳结构的表面，或镶嵌于结构内 部。每一对换能器以一发一收的方式设置，组成一条激励-感应波信号的传感路径，若干条 传感路径构建成传感网络，所覆盖的待检测板壳结构的区域为检测区域。所述的换能器采用锲形块状或薄片状的压电陶瓷材料制成。所述的传感路径是指一条长度为激励换能器到感应换能器之间的距离的直线。所述的传感网络是指根据待检测板壳结构中所需要的检测区域来布局换能器， 使得所构建的传感网络能够覆盖整个所需要的检测区域。步骤2、校对传感网络中各条传感路径的基于时间逆转的损伤指数DI， 具体步骤为对第η条传感路径而言，通过分析重建波形Cn(t)与原始激励信号 的波形VcJt)的反相关性来校对该条传感路径的损伤指数DIn，该损伤指数为/权利要求1. 一种，其特征在于，包括以下步骤 步骤1、构建传感网络将换能器固定在待检测板壳结构的表面，或镶嵌于结构内部。 每一对换能器以一发一收的方式设置，组成一条激励-感应波信号的传感路径，若干条传 感路径构建成传感网络，所覆盖的待检测板壳结构的区域为检测区域；步骤2、校对传感网络中各条传感路径的基于时间逆转的损伤指数DI，具体步骤为对 第η条传感路径而言，通过分析重建波形Cn(t)与原始激励信号的波形Vtln(t)的反相关性中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；步骤3、把对所有传感路径所校对的损伤指数中的最大值的45%设定为阈值，并用此 阈值来判断传感路径被损伤影响的程度当一条传感路径的损伤指数大于阈值，则推断该 条传感路径被损伤影响；否则判断该条传感路径未被损伤影响，并将该条传感路径的损伤 指数设定为0 ；步骤4、对所有传感路径的损伤指数进行加权分布处理，进而得到损伤出现在坐标点 (X，y)处的概率值。2.根据权利要求1所述的，其特征是，所述的 换能器采用锲形块状或薄片状的压电陶瓷材料制成。3.根据权利要求1所述的，其特征是，所述的 传感路径是指一条长度为激励换能器到感应换能器之间的距离的直线。4.根据权利要求1所述的，其特征是，所述的 传感网络是指根据待检测板壳结构中所需要的检测区域来布局换能器，使得所构建的传 感网络能够覆盖整个所需要的检测区域。5.根据权利要求1所述的，其特征是，所述的 步骤4具体包括以下·4. 1)对第η条传感路径，加权分布函数Wn与坐标点(x，y)到该条传= β，其中·0, Rn(x,y)>P(x, y)为检测区域内的坐标点，对边长为a的正方形检测区域而言，-a彡X，y彡a。 Rn (U) = Da" (X’Dm (X’力-1，Dn是第η条传感路径上激励点与感应点之间的距离；ηDan(χ, y) ^P Dsn(χ, y)分别是坐标点(χ, y)到激励点和感应点的距离，参数β决定第η条 传感路径影响区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于兰姆波的自主式损伤识别成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤１、构建传感网络：将换能器固定在待检测板壳结构的表面，或镶嵌于结构内部。每一对换能器以一发一收的方式设置，组成一条激励－感应波信号的传感路径，若干条传感路径构建成传感网络，所覆盖的待检测板壳结构的区域为检测区域；步骤２、校对传感网络中各条传感路径的基于时间逆转的损伤指数ＤＩ，具体步骤为：对第ｎ条传感路径而言，通过分析重建波形Ｃ↓［ｎ］（ｔ）与原始激励信号的波形Ｖ↓［０ｎ］（ｔ）的反相关性来校对该条传感路径的损伤指数ＤＩ↓［ｎ］，该损伤指数为：ＤＩ↓［ｎ］＝１－＊＊＊，其中：ｔ为采样时间点；ｔ０为采样时间的起始点，取值为０；ｔ１为采样时间的终止点，取值为原始激励信号的时间长度。ｎ为传感路径的序号１≤ｎ≤Ｎ，Ｎ为传感路径的总数；步骤３、把对所有传感路径所校对的损伤指数中的最大值的４５％设定为阈值，并用此阈值来判断传感路径被损伤影响的程度：当一条传感路径的损伤指数大于阈值，则推断该条传感路径被损伤影响；否则判断该条传感路径未被损伤影响，并将该条传感路径的损伤指数设定为０；步骤４、对所有传感路径的损伤指数进行加权分布处理，进而得到损伤出现在坐标点（ｘ，ｙ）处的概率值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苗晓婷，叶林，李富才，孟光，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]