CN103743818B - 基于波的能流图的损伤诊断方法和实施该方法的损伤诊断*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波的能流图的损伤诊断方法和实施该方法的损伤诊断***。该方法包括确定检测区域、使用激光脉冲照射一个网格点，在该点激发出兰姆波，三个或三个以上压电传感器接收响应信号、计算网格点的等价应变能、绘制波的能流图。该损伤诊断***用脉冲激光装置用于产生脉冲激光束照射被测物体的探伤区域，并激发超声波；压电传感器紧贴被测物体表面；放大器接收压电传感器的电信号进行放大，A/D转换器或示波器将电信号转化为数字信号，再输入主机，主机接收电信号进行数据处理并绘制能流图，显示器对主机处理获得的能流图进行显示，主机用接口总线连接并控制脉冲激光装置。本发明的优点是：不但能确定损伤的位置，还能快速精确地识别损伤形状和大小。

Description

基于波的能流图的损伤诊断方法和实施该方法的损伤诊断***

技术领域

本发明属于结构损伤诊断领域，具体涉及一种基于波的能流图的损伤诊断方法和实施该方法的损伤诊断***。

背景技术

目前我国的工业界中，各种老化结构的数量在飞速地增加，为使这些结构物更加安全地运行并避免能导致重大经济损失及人员伤亡事故的发生，同时为在降低运行成本的情况下保证结构物在接近或超设计寿命的情况下的安全工作，应用各种无损检测手段，对各种老化结构进行可靠性评价以及维护成为了我国生产及生活中所面临的重大课题。

目前广泛使用的各种无损检查手段包括:超声波、X射线和热成像等技术。但这些技术的检测周期较长，其检测的范围也很小。另外，这些技术的费用以及检测过程中的人为过失等原因使得这些技术不能可靠地保障结构的安全性和可靠性。为了克服上述方法的弱点，近年，许多研究者利用有些特殊种类的超声波,如兰姆波沿薄壁“结构面内方向”远距离传播的特点，提出了一些新的结构损伤诊断方法,比如开发超声波在结构物面内展开方向的时间域内传播的可视化技术,便可以非常容易的识别由结构缺陷以及损伤引起的散乱波,从而简单地确认损伤的存在。关于超声波可视化方面的研究,人们已经开发了诸如光弹法和Schlieren法等方法,但类似这样的方法只可以实现在透明介质中超声波传播的可视化,对一般金属和复合材料制造的固体结构不适用。因此这样的技术只能作为超声波研究的一种辅助手段,并不能直接应用于实际结构的损伤检测。一般而言，由于结构表面的超声波振幅在10-3mm量级，对不透明结构，在技术上完成超声波可视化存在不少困难，目前人们只能借助于价钱昂贵的激光干涉***(Laserinterferometersystem)来完成这一任务。

最近日本产业技术综合研究所开发了一种利用脉冲激光扫描激发超声波并利用固定传感器接受超声波的“超声波传播的可视化”技术，该技术的一个基本而新颖的思路是利用Betti互等性原理，将激发器→接受器的信号转变为接受器→激发器的信号，从而利用脉冲激光作为波激发器并扫描，避免了传统超声波技术中接受器移动扫描的弱点。同时，接受器就变为一个虚拟的波激发器，最后变为以接受器为波源向检测区域内传播的虚拟超声波的可视化技术。该技术需要的装置有：脉冲激光装置，AE传感器、放大器、示波器、主机和显示器。脉冲激光装置用于产生脉冲激光束照射被测物体的检测区域，并激发超声波；AE传感器紧贴被测物体表面检测面外位移并将其转化为连续的电信号；放大器接收压电传感器的电信号进行放大，通过示波器将连续的电信号转化为数字信号，再输入主机；主机接收电信号进行数据处理并绘制波的传播图像；显示器对主机处理获得的波的传播图像进行显示，主机用接口总线连接并控制脉冲激光装置。但目前该技术只能确定损伤的位置，不能对损伤形状和大小进行评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于波的能流图的损伤诊断方法，它能实现检测区域内超声波传播的可视化，不仅能确定损伤的位置，还能快速精确地识别损伤形状和大小。本发明还提供一种实施该方法的损伤诊断***。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

1、确定检测区域，将检测区域划分成一个正方形网格；确定网格间距，网格间距应不大于被检测结构中波的半波长；

2、使用激光脉冲照射一个网格点，则在该点激发出兰姆波；在检测区域周围分布三个或三个以上压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上；

3、计算网格点的等价应变能γ

网格点的波能量，即等价应变能γ的计算式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\α}}_i}^2& (i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n)\\ n=T/\mathrm{\ΔT}& \\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xi}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yi}})& \end{array}\right.$

式中，β是比例常数；ε_xi是介质面内X方向的应变；ε_yi是介质面内Y方向的应变；ε_xi+ε_yi是压电传感器在采样时间内的第i个采样波信号幅值（单位：伏特）；T是超声波通过检测区域的传播时间，也就是采样时间；ΔT是采样间隔；n是采样数；α_i是一个正比于该网格点某时刻面内应变的值。

4、绘制波的能流图

重复步骤2扫描每一个网格点，并重复步骤3计算出检测区域每个网格点的γ，绘制出检测区域γ的分布图，即检测区域的能流图。

所述步骤2中，压电传感器为PZT压电传感器。用PZT压电传感器替代价钱昂贵的声发射传感器(AE)，能降低检测费用。

所述步骤2中，在检测区域周围分布三个或三个以上压电传感器，能提高检测的准确性。因为：在研究中发现，当波的传播方向与裂纹方向的夹角很小时，由裂纹产生的反射波非常弱。而此问题在用两个传感器的情况下也得不到解决，因为当连接两个固定传感器的直线平行于裂纹方向时，反射波的强度仍然很弱。因此，在检测区域的周围安排三个或更多的传感器，至少将有一个传感器接收到强烈的反射波，从而提高该技术的可靠性。在后面的验证工作中，三个传感器以等边三角形的模式围绕在检测区域的周围，因为在这种情况下，即使任意两个传感器的连线平行于裂纹方向，裂纹的存在也可以被第三个传感器测出。

本发明的原理是：弹性波在介质中的传播可视为波能量的传播现象，表现形式为因波源的振动带动介质中的粒子运动，粒子的弹性势能和动能不断相互转化并伴随着能量向前传播。因此，将一段时间内通过某点的波的总能量定义为该点的“弹性波能量流”。已知检测区域中每点的“弹性波能量流”，则能绘制出能流图，进而通过能流图可以准确判断损伤的位置和形状。

本发明还提供一种实施上述方法的损伤诊断***，它包括有脉冲激光装置、压电传感器、放大器、示波器、主机和显示器，脉冲激光装置用于产生脉冲激光束照射被测物体的检测区域，并激发超声波；压电传感器、放大器、示波器与主机通过信号线连接，主机用接口总线连接并控制脉冲激光装置，压电传感器紧贴被测物体表面，以检测面内应变并将其转化为连续的电信号；放大器接收压电传感器的电信号进行放大，通过A/D转换器或示波器将连续的电信号转化为数字信号，再输入主机，压电传感器为三个或三个以上，主机接收电信号、计算等价应变能γ并绘制能流图，显示器对主机处理获得的能流图进行显示。

压电传感器为PZT压电传感。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：实现了检测区域内超声波传播的可视化，不但能确定损伤的位置，还能快速精确地识别损伤形状和大小。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本方法发明实施例1的通孔铝板试样图；

图2为本方法发明实施例1的PZT压电传感器分布图；

图3为本方法发明实施例1的通孔诊断图；

图4为背景技术的超声波传播可视化的通孔诊断效果图；

图5为本方法发明实施例2的裂缝铝板试样图；

图6为本方法发明实施例2的裂缝诊断图；

图7为本方法发明实施例3的碳纤维增强复合材料脱层试样图；

图8为本方法发明实施例3的PZT压电传感器分布图；

图9为本方法发明实施例3的脱层诊断图；

图10为本方法发明进一步改进后的脱层诊断图；

图11为背景技术的超声波传播可视化的脱层诊断效果图；

图12为实施本方法发明的损伤诊断***结构示意图。

图12中：1.被测物体；2.检测区域；3.脉冲激光装置；4.压电传感器；5.放大器；6.主机；7.显示器；8.示波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

该实施例的目标是检测含有椭圆通孔的铝板。如图1所示，椭圆通孔的长轴为15mm，短轴为12mm，铝板板厚为5mm.为了简化实验，这里椭圆通孔被看成损伤，虽然在实际情况中椭圆通孔肉眼可见，并不属于损伤范畴。用激光脉冲（8.5ns）照射该铝板产生兰姆波，其主要成分为S0模式和A0模式，并且波的能量主要集中在100kHz和200kHz之间。在此频域，A0模式的波长大约为10mm；S0模式和A0模式的波速大约是5000m/s和3000m/s。

采用本方法发明的进行检测：

步骤1、以椭圆通孔为中心取一块200×200mm²大小的区域为检测区域，将检测区域划分成一个正方形网格，网格间距取A0模式的波长的一半，即5mm。

步骤2、使用激光脉冲照射一个网格点，则在该点激发出兰姆波；三个PZT压电传感器分布如图2所示，图2中，大黑点表示椭圆通孔的损伤，小黑点表示PZT压电传感器，方形框表示检测区域，围绕200×200mm²检测网格区域，在距离网格中心点150mm的圆周上均布三个PZT压电传感器，使用环氧树脂黏合剂将PZT压电传感器牢固地粘贴在铝板上，将PZT压电传感器接收到的响应信号通过电荷放大器和示波器导入主机，为了确保兰姆波完全通过检测区域，响应信号的长度取100μs。

步骤3、计算网格点的等价应变能γ。等价应变能γ的计算式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\α}}_i}^2& (i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n)\\ n=T/\mathrm{\ΔT}& \\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xi}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yi}})& \end{array}\right.$

式中，β是比例常数，ε_xi是介质面内X方向的应变；ε_yi是介质面内Y方向的应变，ε_xi+ε_yi是压电传感器在采样时间内的第i个采样波信号幅值；T是超声波通过检测区域的传播时间，也就是采样时间；ΔT是采样间隔，n是采样数；α_i是一个正比于该网格点某时刻面内应变的值。

步骤4、绘制波的能流图。重复步骤2扫描每一个网格点，并重复步骤3计算出检测区域每个网格点的γ，绘制出检测区域的能流图。

通过步骤3计算得到了每个网格点的等价应变能γ，应用数值插值的方法得到检测区域每个点的等价应变能γ。这样就能获得检测区域波的能流图。本步骤是通过画图软件完成的。

为了减小噪音对结果的影响，对输入主机的传感器响应信号进行带通滤波，波通上限为100kHz，下线为200kHz。

本实施例的诊断结果如图3所示：图3(a)为PZT1压电传感器收集到的信号的结果；图3(b)为PZT2压电传感器收集到的信号的结果；图3(c)为PZT3压电传感器收集到的信号的结果；图3(d)为PZT1+PZT2+PZT3压电传感器收集到的信号的总结果；图3(d)中封闭的黑色虚线表示由本发明诊断得到的损伤结果，白色椭圆表示真实的损伤；从图3(d)中可以看出损伤区域的应变能密度明显小于其他健康区域；椭圆通孔损伤的位置、形状及大小能被精确地判断出来。

为了与现有技术相比较，对椭圆通孔的铝板，采用背景技术的超声波传播可视化的诊断结果如图4所示：图4(a)、图4(b)和图4(c)分别是三个PZT压电传感器收集到的信号经处理后结果，该图只能确定椭圆通孔的位置，不能确定其形状和大小。

实施例2

该实施例的目标是检测含未穿透裂缝的铝板。如图5所示：裂缝的长度为20mm，宽度为2mm，深度为2.5mm;铝板板厚为5mm。为了简化实验，这里未穿透裂缝被看成损伤。选择裂缝所在面为激光扫描平面。

检测步骤和设置参数与实施例1相同。

本实施例的诊断结果如图6所示：图6(a)为PZT1压电传感器收集到的信号的结果；图6(b)为PZT2压电传感器收集到的信号的结果；图6(c)为PZT3压电传感器收集到的信号的结果；图6(d)为PZT1+PZT2+PZT3压电传感器收集到的信号的总结果；图6(d)中多边形白色虚线表示由本发明诊断出的损伤结果，白色长方形表示真实的损伤；从图6(d)中可以看出损伤区域的应变能密度明显小于其他健康区域。裂缝的位置、形状及大小能够被精确地判断出来。

实施例3

该实施例的目标是检测含脱层的碳纤维增强复合材料层合板。实验中使用的复合材料层板结构为[(45°/0°/-45°/90°)₄]_s，板厚为4.8mm。如图7所示，复合材料层合板中部有脱层，该脱层是通过重锤冲击试验机(Dynatup9250HD)由一个4.6kg的重物低速冲击得到。用激光脉冲（8.5ns）照射该碳纤维增强复合材料层板产生兰姆波，其主要成分为S0模式和A0模式，并且波的能量主要集中在50kHz和300kHz之间。在此频域，A0模式的波长大约为10mm；S0模式和A0模式的波速比在铝板中传播要大一些。

步骤1、以脱层为中心取一块100×100mm²大小的区域为检测区域，将检测区域划分成一个正方形网格，网格间距取A0模式的波长的一半，即5mm。

步骤2、使用激光脉冲照射一个网格点，则在该点激发出兰姆波；三个PZT压电传感器分布如图8所示，图8中，虚线黑圈表示复合材料层合板的损伤，小黑点表示PZT压电传感器，方形框表示检测区域，围绕100×100mm²检测网格区域，在距离网格中心点100mm的圆周上均布三个PZT压电传感器，使用环氧树脂黏合剂将PZT压电传感器牢固地粘贴在碳纤维增强复合材料层板上；将PZT压电传感器接收到的响应信号通过电荷放大器和示波器导入主机；为了确保兰姆波完全通过检测区域，响应信号的长度取100μs。

步骤3、计算网格点的等价应变能γ。等价应变能γ的计算式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\α}}_i}^2& (i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n)\\ n=T/\mathrm{\ΔT}& \\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xi}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yi}})& \end{array}\right.$

式中，β是比例常数，ε_xi是介质面内X方向的应变；ε_yi是介质面内Y方向的应变，ε_xi+ε_yi是压电传感器在采样时间内的第i个采样波信号幅值；T是超声波通过检测区域的传播时间，也就是采样时间；ΔT是采样间隔，n是采样数；α_i是一个正比于该网格点某时刻面内应变的值。

步骤4、绘制波的能流图，重复步骤2扫描每一个网格点，并重复步骤3计算出检测区域每个网格点的γ，绘制出检测区域的能流图。

通过步骤3计算得到了每个网格点的等价应变能γ，应用数值插值的方法得到检测区域每个点的等价应变能γ。这样就能获得检测区域波的能流图。

为了减小噪音对结果的影响，处理之前对信号进行带通滤波，波通上限为50kHz，下线为300kHz。

本实施例的诊断结果如图9所示：图9(a)为PZT1压电传感器收集到的信号的结果；图9(b)为PZT2压电传感器收集到的信号的结果；图9(c)为PZT3压电传感器收集到的信号的结果；图9(d)为PZT1+PZT2+PZT3压电传感器收集到的信号的总结果；图9(d)中封闭的白色虚线表示由本发明诊断出的损伤结果，黑色圆圈表示受冲击侧脱层损伤的大小，浅色外圆表示未受冲击侧脱层损伤的大小。

从图9(a)-(d)中可以看出，与实施例1的椭圆通孔和实施例2的未穿透裂缝的铝板情况不同，损伤区域的应变能密度明显大于其他健康区域，这是因为脱层区域处的面内刚度变小和由于受冲击生成的微小裂纹引起了应力集中；图9(d)中边缘处有些地方的应变能密度异常大，这是由于表面层CFRP材料的各向异性所造成。

为了改善诊断结果，将网格点的等价应变能γ计算式改进为：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\α}}_i\right|& (i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n)\\ n=T/\mathrm{\ΔT}& \\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xi}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yi}})& \end{array}\right.$

即将介质面内的应变的平方改为其绝对值，得到的结果如图10所示。

从图10可以看出其边缘处的应变能密度异常大的区域消失了，说明改进后的算法有效；此算法可以减小CFRP材料的各向异性对结果造成的影响。

为了与现有技术相比较，对含脱层的碳纤维增强复合材料层板，采用现有超声波传播的诊断结果如图11所示：图11(a)、图11(b)和图11(c)分别是三个PZT压电传感器收集到的信号经处理后结果，该图不能确定脱层的存在。

如图12所示，一种实施上述方法的损伤诊断***，包括有脉冲激光装置3、压电传感器4、放大器5、示波器8、主机6和显示器7，脉冲激光装置3用于产生脉冲激光束照射被测物体1的探伤区域2，并激发超声波；压电传感器、放大器、示波器与主机通过信号线连接，主机6用接口总线连接并控制脉冲激光装置3，压电传感器4紧贴被测物体1表面检测面内应变并将其转化为连续的电信号；放大器5接收压电传感器4的电信号进行放大，通过A/D转换器或示波器8将连续的电信号转化为数字信号，再输入主机6；压电传感器4为三个或三个以上，主机6接收电信号、计算等价应变能γ并绘制能流图，显示器7对主机处理获得的能流图进行显示。

在图12中，压电传感器4为PZT压电传感；放大器5为电荷放大器。

Claims (4)

1.基于波的能流图的损伤诊断方法，包括以下步骤：

(1)确定检测区域，将检测区域划分成一个正方形网格；确定网格间距，网格间距应不大于被检测结构中波的半波长；

(2)使用激光脉冲照射一个网格点，则在该点激发出兰姆波；在检测区域周围分布三个或三个以上压电传感器接收响应信号，并将接收到的响应信号存储在主机上；

其特征是还包括：

(3)计算网格点的等价应变能γ，其计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{{\mathrm{\α}}_i}^2\\ n=T/\mathrm{\Δ}T\\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{xi}+{\mathrm{\ϵ}}_{yi})\end{array}\right.,(i=1,2,3,\mathrm{...},n)$

式中，β是比例常数，ε_xi是介质面内X方向的应变；ε_yi是介质面内Y方向的应变，ε_xi+ε_yi是压电传感器在采样时间内的第i个采样波信号幅值；T是超声波通过检测区域的传播时间；ΔT是采样间隔，n是采样数；α_i是一个正比于该网格点某时刻面内应变的值；

(4)绘制波的能流图。

2.根据权利要求1所述的基于波的能流图的损伤诊断方法，其特征是：在步骤(3)中，等价应变能γ的计算式改为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|{\mathrm{\α}}_i\right|\\ n=T/\mathrm{\Δ}T\\ {\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\β}({\mathrm{\ϵ}}_{xi}+{\mathrm{\ϵ}}_{yi})\end{array}\right.,(i=1,2,3,\mathrm{...},n)$

式中，β是比例常数，ε_xi是介质面内X方向的应变；ε_yi是介质面内Y方向的应变，ε_xi+ε_yi是压电传感器在采样时间内的第i个采样波信号幅值；T是超声波通过检测区域的传播时间；ΔT是采样间隔，n是采样数；α_i是一个正比于该网格点某时刻面内应变的值。

3.根据权利要求1或2所述的基于波的能流图的损伤诊断方法，其特征是：在步骤(4)中，重复步骤(2)扫描每一个网格点，并重复步骤(3)计算出检测区域每个网格点的γ，绘制出检测区域γ的分布图。

4.根据权利要求3所述的基于波的能流图的损伤诊断方法，其特征是：在步骤(2)中，所述压电传感器为PZT压电传感器。