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)明屬于機械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(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，具有檢測效率高、衰減弱、對結(jié)構(gòu)中損傷敏感等特點， 被視為最有潛力的板殼類結(jié)構(gòu)損傷檢測方法。實施過程中一般采用傳感器陣列來獲取Lamb 波在結(jié)構(gòu)中的傳播信號，通過提取對故障敏感的特征參數(shù)，實現(xiàn)損傷的檢測與評估。概率重 構(gòu)層析成像技術(shù)是一種有效檢測結(jié)構(gòu)損傷的手段。該方法采用正常狀態(tài)下的參考信號與 實時信號間的信號差異作為表征損傷的特征參數(shù)，無需考慮結(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)域中的大型板殼類結(jié)構(gòu)損傷檢測。
[0003] 概率重構(gòu)層析成像方法采用信號差異系數(shù)（SDC,signaldifference coefficient)作為損傷的特征參數(shù)，忽略環(huán)境因素及測量條件的影響，則傳感器接收信號 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)中各個像 素點的損傷存在概率值得大小，不僅需要計算傳感器對的信號差異系數(shù)，還需要考慮像素 點的位置信息。在檢測范圍內(nèi)，像素點距離傳感器對直達路徑越近，其損傷存在概率越接近 信號差異系數(shù)。
[0004] 上述方法存在以下缺陷：⑴難以排除檢測區(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)檢測區(qū)域出現(xiàn)多個故障，尤其是故障距離傳感器較近時，故障會對 多對傳感器信號產(chǎn)生較大影響，容易在檢測結(jié)果中產(chǎn)生偽故障，影響故障檢測結(jié)果；（3)檢 測分辨率低，難以在工程實踐中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，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，消除了多故障對傳感器信號干擾。
[0006] 為了達到上述目的，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)劃檢測區(qū)域，建立坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格作為檢測像素點坐標(biāo) (x，y)，在待檢測部件上布置時鐘形傳感器陣列，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)計激勵信號：根據(jù)損傷出現(xiàn)類型，選擇對損傷敏感的模 態(tài)，依據(jù)所設(shè)計激勵信號的中心頻率，帶寬的信息，計算所選用Lamb波模態(tài)的最大速度和 最小速度；
[0010] 3)參考信號獲?。涸诮Y(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下，先以圓心傳感器作為激勵，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，其余傳感器作為接收端，記錄此時所有接收 端傳感器獲得的信號作為參考信號；
[0011] 4)損傷信號獲取：在檢測區(qū)域出現(xiàn)損傷后，與參考信號的獲取相同，先以圓心傳 感器作為激勵，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，其余傳感器作 為接收端，記錄此時所有接收端傳感器獲得的信號作為損傷信號；
[0012] 5)子區(qū)域劃分：整個檢測區(qū)域被過傳感器陣列中心的傳感器路徑均勻分成 N(多3)個扇區(qū)，按順時鐘方向?qū)Ω鱾€扇區(qū)進行編號，依次為1到N，為了不丟失檢測信息， 一次檢測的子區(qū)域至少包含相鄰的3個扇區(qū)，每次進行概率重構(gòu)計算的子區(qū)域按順時鐘依 次轉(zhuǎn)動一個扇區(qū)，因此，在一次檢測循環(huán)內(nèi)，每個扇區(qū)故障存在概率將被計算的次數(shù)與每個 子區(qū)域所包含的扇區(qū)數(shù)一致；
[0013] 6)數(shù)據(jù)長度選擇：計算檢測子區(qū)域中用于激勵與接收傳感器路徑間直線距離，i 為激勵傳感器編號，j為接收傳感器編號，計算每對傳感器信號用于概率重構(gòu)方法的數(shù)據(jù)起
【主權(quán)項】
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)劃檢測區(qū)域，建立坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格作為檢測像素點坐標(biāo)（x，y)，在 待檢測部件上布置時鐘形傳感器陣列，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)計激勵信號：根據(jù)損傷出現(xiàn)類型，選擇對損傷敏感的模態(tài)，依 據(jù)所設(shè)計激勵信號的中心頻率，帶寬的信息，計算所選用Lamb波模態(tài)的最大速度和最小速 度； 3) 參考信號獲?。涸诮Y(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下，先以圓心傳感器作為激勵，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，其余傳感器作為接收端，記錄此時所有接收端傳 感器獲得的信號作為參考信號； 4) 損傷信號獲?。涸跈z測區(qū)域出現(xiàn)損傷后，與參考信號的獲取相同，先以圓心傳感器 作為激勵，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，其余傳感器作為接 收端，記錄此時所有接收端傳感器獲得的信號作為損傷信號； 5) 子區(qū)域劃分：整個檢測區(qū)域被過傳感器陣列中心的傳感器路徑均勻分成N(多3)個 扇區(qū)，按順時鐘方向?qū)Ω鱾€扇區(qū)進行編號，依次為1到N，為了不丟失檢測信息，一次檢測的 子區(qū)域至少包含相鄰的3個扇區(qū)，每次進行概率重構(gòu)計算的子區(qū)域按順時鐘依次轉(zhuǎn)動一個 扇區(qū)，因此，在一次檢測循環(huán)內(nèi)，每個扇區(qū)故障存在概率將被計算的次數(shù)與每個子區(qū)域所包 含的扇區(qū)數(shù)一致； 6) 數(shù)據(jù)長度選擇：計算檢測子區(qū)域中用于激勵與接收傳感器路徑間直線距離，i為激 勵傳感器編號，j為接收傳感器編號，計算每對傳感器信號用于概率重構(gòu)方法的數(shù)據(jù)起始時 間點，
，選擇概率重構(gòu)方法中控制每對傳感器檢測范圍的尺度參數(shù)β值大小，計 算有效檢測范圍內(nèi)的Lamb波傳播最大距離Du= β Xdm考慮激勵信號的時長，計算用于 概率重構(gòu)層析成像方法的數(shù)據(jù)終止時間點：
，最后得到用于概率重構(gòu)層析成像 計算的數(shù)據(jù)長度Lij= (t ^t1) Xfs; 7) 局部循環(huán)掃描檢測區(qū)域：根據(jù)步驟6)得到的用于概率重構(gòu)方法計算的數(shù)據(jù)選擇策 略，順時鐘依次計算步驟4)所劃分子檢測區(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)域檢測結(jié)果融合到每個扇區(qū)，通過幾何均值計算，得到各個獨立 扇區(qū)的損傷出現(xiàn)概率值，幾何均值計算公式為：
(1) 其中，η為每個扇區(qū)被計算的次數(shù)，％為同一像素點位置第i次計算得到的概率值； 9) 圖像拼接：對扇區(qū)計算結(jié)果進行拼接，得到整個檢測區(qū)域的損傷存在概率分布，由 于扇區(qū)所在坐標(biāo)系與檢測區(qū)域整體坐標(biāo)系一致，選擇步驟8)中每個扇區(qū)得到像素點的每 個最大值作為各個位置損傷出現(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傳感器，圓周上均勻布置的N個傳感器作為激勵/接收傳 感器，時鐘傳感器陣列的直徑由檢測區(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)，激勵信號選擇toneburst信號，激勵信號 的中心頻率依據(jù)故障類型選擇。
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，激勵過程利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)換成振動信號，在 結(jié)構(gòu)中激發(fā)出Lamb波；接收過程利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號， 經(jīng)過采集后變成數(shù)字信號并存儲到計算機中。
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)處損傷存在概率計算公式為：
(3) 其中，Pu(x，y)為檢測位置（x，y)的空間分布函數(shù)，由公式（3)計算，Au為損傷信號與 參考信號間的信號差異系數(shù)，計算公式如公式（6)所示，
其中，β為尺度參數(shù)，表征檢測區(qū)域大小，Ri jx，y)計算公式如公式（5)，
信號差異系數(shù)Au計算公式如公式（6)所示，
其中Xk，Yk分別表不參考信號及損傷信號，μ表不均值，K表不數(shù)據(jù)長度。
【專利摘要】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)劃檢測區(qū)域，并在檢測部件上布置傳感器陣列，選取Lamb波模態(tài)并設(shè)計激勵信號，然后分別采集各個傳感器對的參考信號與損傷信號，對檢測區(qū)域進行劃分得到若干扇區(qū)，并以相鄰的幾個扇區(qū)作為檢測子區(qū)域，每次完成子區(qū)域檢測后，將子區(qū)域順時針旋轉(zhuǎn)一個扇區(qū)作為下次循環(huán)檢測子區(qū)域，再進行數(shù)據(jù)選取預(yù)處理，依據(jù)傳感器對間距離及所選Lamb模態(tài)速度計算有效數(shù)據(jù)長度，然后局部循環(huán)概率重構(gòu)層析成像計算，最后進行數(shù)據(jù)融合及圖像拼接，本發(fā)明抗干擾能力強、精度高，可以有效的消除多故障等干擾對方法的影響，提高多故障損傷的檢測分辨率。
【IPC分類】G01N29-04
【公開號】CN104764804
【申請?zhí)枴緾N201510114227
【發(fā)明人】林京, 曾亮, 高飛, 華佳東, 黃利平, 羅志
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月16日