超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，涉及超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層 析成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Lamb波是超聲導(dǎo)波的一種，具有檢測(cè)效率高、衰減弱、對(duì)結(jié)構(gòu)中損傷敏感等特點(diǎn)， 被視為最有潛力的板殼類(lèi)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法。實(shí)施過(guò)程中一般采用傳感器陣列來(lái)獲取Lamb 波在結(jié)構(gòu)中的傳播信號(hào)，通過(guò)提取對(duì)故障敏感的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)損傷的檢測(cè)與評(píng)估。概率重 構(gòu)層析成像技術(shù)是一種有效檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的手段。該方法采用正常狀態(tài)下的參考信號(hào)與 實(shí)時(shí)信號(hào)間的信號(hào)差異作為表征損傷的特征參數(shù)，無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何特性及材料特 性，可適用于航空、航天、能源、艦船等領(lǐng)域中的大型板殼類(lèi)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。
[0003] 概率重構(gòu)層析成像方法采用信號(hào)差異系數(shù)（SDC,signaldifference coefficient)作為損傷的特征參數(shù)，忽略環(huán)境因素及測(cè)量條件的影響，則傳感器接收信號(hào) 的變化完全由故障的引入引起的。概率重構(gòu)層析成像方法的基本原理是求得結(jié)構(gòu)中各個(gè)像 素點(diǎn)的損傷存在概率值得大小，不僅需要計(jì)算傳感器對(duì)的信號(hào)差異系數(shù)，還需要考慮像素 點(diǎn)的位置信息。在檢測(cè)范圍內(nèi)，像素點(diǎn)距離傳感器對(duì)直達(dá)路徑越近，其損傷存在概率越接近 信號(hào)差異系數(shù)。
[0004] 上述方法存在以下缺陷：⑴難以排除檢測(cè)區(qū)域外部干擾及電磁干擾的影響，易 造成誤判與漏判；(2)當(dāng)檢測(cè)區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)故障，尤其是故障距離傳感器較近時(shí)，故障會(huì)對(duì) 多對(duì)傳感器信號(hào)產(chǎn)生較大影響，容易在檢測(cè)結(jié)果中產(chǎn)生偽故障，影響故障檢測(cè)結(jié)果；（3)檢 測(cè)分辨率低，難以在工程實(shí)踐中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供超聲Lamb波局部循環(huán)掃 描概率重構(gòu)層析成像方法，消除了多故障對(duì)傳感器信號(hào)干擾。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] 超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，包括以下步驟：
[0008] 1)傳感器安裝：規(guī)劃?rùn)z測(cè)區(qū)域，建立坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格作為檢測(cè)像素點(diǎn)坐標(biāo) (x，y)，在待檢測(cè)部件上布置時(shí)鐘形傳感器陣列，并記錄傳感器位置坐標(biāo)（xk，yk);
[0009] 2)選擇Lamb波模態(tài)，并設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)：根據(jù)損傷出現(xiàn)類(lèi)型，選擇對(duì)損傷敏感的模 態(tài)，依據(jù)所設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)的中心頻率，帶寬的信息，計(jì)算所選用Lamb波模態(tài)的最大速度和 最小速度；
[0010] 3)參考信號(hào)獲?。涸诮Y(jié)構(gòu)無(wú)損狀態(tài)下，先以圓心傳感器作為激勵(lì)，圓周傳感器作 為接收端；再以圓周上的傳感器依次作為激勵(lì)，其余傳感器作為接收端，記錄此時(shí)所有接收 端傳感器獲得的信號(hào)作為參考信號(hào)；
[0011] 4)損傷信號(hào)獲?。涸跈z測(cè)區(qū)域出現(xiàn)損傷后，與參考信號(hào)的獲取相同，先以圓心傳 感器作為激勵(lì)，圓周傳感器作為接收端；再以圓周上的傳感器依次作為激勵(lì)，其余傳感器作 為接收端，記錄此時(shí)所有接收端傳感器獲得的信號(hào)作為損傷信號(hào)；
[0012] 5)子區(qū)域劃分：整個(gè)檢測(cè)區(qū)域被過(guò)傳感器陣列中心的傳感器路徑均勻分成 N(多3)個(gè)扇區(qū)，按順時(shí)鐘方向?qū)Ω鱾€(gè)扇區(qū)進(jìn)行編號(hào)，依次為1到N，為了不丟失檢測(cè)信息， 一次檢測(cè)的子區(qū)域至少包含相鄰的3個(gè)扇區(qū)，每次進(jìn)行概率重構(gòu)計(jì)算的子區(qū)域按順時(shí)鐘依 次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)扇區(qū)，因此，在一次檢測(cè)循環(huán)內(nèi)，每個(gè)扇區(qū)故障存在概率將被計(jì)算的次數(shù)與每個(gè) 子區(qū)域所包含的扇區(qū)數(shù)一致；
[0013] 6)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇：計(jì)算檢測(cè)子區(qū)域中用于激勵(lì)與接收傳感器路徑間直線(xiàn)距離，i 為激勵(lì)傳感器編號(hào)，j為接收傳感器編號(hào)，計(jì)算每對(duì)傳感器信號(hào)用于概率重構(gòu)方法的數(shù)據(jù)起
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 傳感器安裝：規(guī)劃?rùn)z測(cè)區(qū)域，建立坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格作為檢測(cè)像素點(diǎn)坐標(biāo)（x，y)，在 待檢測(cè)部件上布置時(shí)鐘形傳感器陣列，并記錄傳感器位置坐標(biāo)（x k，yk); 2) 選擇Lamb波模態(tài)，并設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)：根據(jù)損傷出現(xiàn)類(lèi)型，選擇對(duì)損傷敏感的模態(tài)，依 據(jù)所設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)的中心頻率，帶寬的信息，計(jì)算所選用Lamb波模態(tài)的最大速度和最小速 度； 3) 參考信號(hào)獲?。涸诮Y(jié)構(gòu)無(wú)損狀態(tài)下，先以圓心傳感器作為激勵(lì)，圓周傳感器作為接 收端；再以圓周上的傳感器依次作為激勵(lì)，其余傳感器作為接收端，記錄此時(shí)所有接收端傳 感器獲得的信號(hào)作為參考信號(hào)； 4) 損傷信號(hào)獲?。涸跈z測(cè)區(qū)域出現(xiàn)損傷后，與參考信號(hào)的獲取相同，先以圓心傳感器 作為激勵(lì)，圓周傳感器作為接收端；再以圓周上的傳感器依次作為激勵(lì)，其余傳感器作為接 收端，記錄此時(shí)所有接收端傳感器獲得的信號(hào)作為損傷信號(hào)； 5) 子區(qū)域劃分：整個(gè)檢測(cè)區(qū)域被過(guò)傳感器陣列中心的傳感器路徑均勻分成N(多3)個(gè) 扇區(qū)，按順時(shí)鐘方向?qū)Ω鱾€(gè)扇區(qū)進(jìn)行編號(hào)，依次為1到N，為了不丟失檢測(cè)信息，一次檢測(cè)的 子區(qū)域至少包含相鄰的3個(gè)扇區(qū)，每次進(jìn)行概率重構(gòu)計(jì)算的子區(qū)域按順時(shí)鐘依次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè) 扇區(qū)，因此，在一次檢測(cè)循環(huán)內(nèi)，每個(gè)扇區(qū)故障存在概率將被計(jì)算的次數(shù)與每個(gè)子區(qū)域所包 含的扇區(qū)數(shù)一致； 6) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇：計(jì)算檢測(cè)子區(qū)域中用于激勵(lì)與接收傳感器路徑間直線(xiàn)距離，i為激 勵(lì)傳感器編號(hào)，j為接收傳感器編號(hào)，計(jì)算每對(duì)傳感器信號(hào)用于概率重構(gòu)方法的數(shù)據(jù)起始時(shí) 間點(diǎn)，
，選擇概率重構(gòu)方法中控制每對(duì)傳感器檢測(cè)范圍的尺度參數(shù)β值大小，計(jì) 算有效檢測(cè)范圍內(nèi)的Lamb波傳播最大距離Du= β Xdm考慮激勵(lì)信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算用于 概率重構(gòu)層析成像方法的數(shù)據(jù)終止時(shí)間點(diǎn)：
，最后得到用于概率重構(gòu)層析成像 計(jì)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Lij= (t ^t1) Xfs; 7) 局部循環(huán)掃描檢測(cè)區(qū)域：根據(jù)步驟6)得到的用于概率重構(gòu)方法計(jì)算的數(shù)據(jù)選擇策 略，順時(shí)鐘依次計(jì)算步驟4)所劃分子檢測(cè)區(qū)域的損傷存在概率，得到所有子區(qū)域的損傷存 在概率分布； 8) 數(shù)據(jù)融合：將子區(qū)域檢測(cè)結(jié)果融合到每個(gè)扇區(qū)，通過(guò)幾何均值計(jì)算，得到各個(gè)獨(dú)立 扇區(qū)的損傷出現(xiàn)概率值，幾何均值計(jì)算公式為：
(1) 其中，η為每個(gè)扇區(qū)被計(jì)算的次數(shù)，％為同一像素點(diǎn)位置第i次計(jì)算得到的概率值； 9) 圖像拼接：對(duì)扇區(qū)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行拼接，得到整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的損傷存在概率分布，由 于扇區(qū)所在坐標(biāo)系與檢測(cè)區(qū)域整體坐標(biāo)系一致，選擇步驟8)中每個(gè)扇區(qū)得到像素點(diǎn)的每 個(gè)最大值作為各個(gè)位置損傷出現(xiàn)的概率值，概率值越大位置，故障出現(xiàn)的可能性越大； 10) 損傷結(jié)果重構(gòu)顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在 于：所述的傳感器選擇壓電陶瓷傳感器（PZT)，既能夠作為激勵(lì)傳感器，也能夠作為接收傳 感器，圓心位置傳感器僅作為激勵(lì)傳感器，圓周上均勻布置的N個(gè)傳感器作為激勵(lì)/接收傳 感器，時(shí)鐘傳感器陣列的直徑由檢測(cè)區(qū)域大小決定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在 于：所述的步驟2)中選擇SO模態(tài)作為分析模態(tài)，激勵(lì)信號(hào)選擇toneburst信號(hào)，激勵(lì)信號(hào) 的中心頻率依據(jù)故障類(lèi)型選擇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在 于：所述的步驟3)中，激勵(lì)過(guò)程利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)信號(hào)，在 結(jié)構(gòu)中激發(fā)出Lamb波；接收過(guò)程利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 經(jīng)過(guò)采集后變成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在 于：所述的步驟6)中，傳感器間的距離
(2； 其中I(Xpyi)為激勵(lì)傳感器坐標(biāo)，（Xj，yj)為接收傳感器坐標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，其特征在 于：所述的步驟7)中，位置（x，y)處損傷存在概率計(jì)算公式為：
(3) 其中，Pu(x，y)為檢測(cè)位置（x，y)的空間分布函數(shù)，由公式（3)計(jì)算，Au為損傷信號(hào)與 參考信號(hào)間的信號(hào)差異系數(shù)，計(jì)算公式如公式（6)所示，
其中，β為尺度參數(shù)，表征檢測(cè)區(qū)域大小，Ri jx，y)計(jì)算公式如公式（5)，
信號(hào)差異系數(shù)Au計(jì)算公式如公式（6)所示，
其中Xk，Yk分別表不參考信號(hào)及損傷信號(hào)，μ表不均值，K表不數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
【專(zhuān)利摘要】超聲Lamb波局部循環(huán)掃描概率重構(gòu)層析成像方法，先規(guī)劃?rùn)z測(cè)區(qū)域，并在檢測(cè)部件上布置傳感器陣列，選取Lamb波模態(tài)并設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)，然后分別采集各個(gè)傳感器對(duì)的參考信號(hào)與損傷信號(hào)，對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分得到若干扇區(qū)，并以相鄰的幾個(gè)扇區(qū)作為檢測(cè)子區(qū)域，每次完成子區(qū)域檢測(cè)后，將子區(qū)域順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)扇區(qū)作為下次循環(huán)檢測(cè)子區(qū)域，再進(jìn)行數(shù)據(jù)選取預(yù)處理，依據(jù)傳感器對(duì)間距離及所選Lamb模態(tài)速度計(jì)算有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后局部循環(huán)概率重構(gòu)層析成像計(jì)算，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及圖像拼接，本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)、精度高，可以有效的消除多故障等干擾對(duì)方法的影響，提高多故障損傷的檢測(cè)分辨率。
【IPC分類(lèi)】G01N29-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104764804
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510114227
【發(fā)明人】林京, 曾亮, 高飛, 華佳東, 黃利平, 羅志
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日