一種基于聲?超聲的大型構件損傷概率成像定位方法與流程
本發明專利涉及無損檢測及結構健康監測領域，特別是一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法。
背景技術：
大型構件如航空航天結構件、壓力容器、風電葉片等在服役運行過程中，常因工作載荷、沖擊、振動、及環境變化等產生疲勞裂紋、腐蝕、沖擊損傷等近表面損傷。為避免出現重大故障乃至安全事故，對這些構件進行損傷定位和監測是非常必要的。損傷定位有助于獲取大型構件的損傷分布情況，進而評估構件安全狀態或通過局部檢測手段進一步探知損傷特性，對于保障大型構件的運行安全具有重要意義。
目前通過常規超聲檢測手段進行逐點掃查可獲得較準確的損傷位置，但檢測費時，不適用于大型構件。超聲相控陣檢測法在檢測效率上有較大提高，但仍需要進行掃查檢測，獲取的大量數據所需處理時間長，且損傷定位效率仍不高。聲發射定位是一種高效的損傷定位方法，適用于大型構件，但聲發射檢測需要對構件加載使其內部裂紋擴展產生聲發射信號，易對被測構件造成破壞。聲-超聲由于波傳播過程中無頻散，模式單一，且對工件近表面損傷敏感的特點，比較適用于大型構件的檢測。
在大型構件損傷定位的算法方面，申請公開號cn102998369a，申請公開日2013年3月27日的專利文獻公布了一種二維損傷定量化檢測方法，采用渡越時間的定位方法對損傷進行定位，但由于需要用到無損傷情況下構建的檢測數據，實際操作受到一定限制，且該法對測量噪聲、渡越時間的測量誤差及不確定因素的抗干擾能力不強，難以獲得良好定位效果；申請公開號cn104343043a，申請公開日2016年2月24日的專利公布了一種基于abaqus的金屬薄板微裂紋時間反轉定位方法，采用基于時間反轉的損傷定位方法，用時反特征信號對仿真構件重新激勵，在時間和空間上的聚焦進行損傷定位，但需要理想的時反函數才能還原構件中的能量空間分布，且仿真構件模型與實際構件材料結構上的偏差，往往不能很好地聚焦定位。
技術實現要素：
本發明針對現有大型構件損傷定位方法需要獲得構件無損傷時的檢測信號，檢測效率不高的問題，提出一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法，實現大型構件損傷的高效檢測和快速定位。
為了實現上述技術目的，本發明的技術方案是，一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法，包括以下步驟：
步驟一、構建監測網絡，在構件圓形被測區域邊緣均勻布置n個壓電晶片換能器，標記為1,2,...,n，以圓形幾何中心為原點建立平面直角坐標系xoy，并分別獲取發射換能器中心與損傷邊界、損傷邊界與接收換能器中心、發射換能器中心與接收換能器中心之間的距離
步驟二、超聲信號激勵，采用兩種激勵方式激勵壓電換能器ai(xi,yi)(i＝1,2,...,n)產生超聲信號，在構件表面產生聲-超聲信號，其中一種激勵方式采用任意信號發生器產生漢寧窗調制的高、低幅值正弦信號，并經射頻功率放大器后激勵超聲換能器，另一種激勵方式采用超聲脈沖發生接收儀產生脈沖信號激勵超聲換能器；
步驟三、回波信號采集，采集上述步驟二中高、低幅正弦信號激勵的由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)直接接收到的聲-超聲信號，記為si-j，同時采集上述步驟二中脈沖信號激勵的經損傷邊界反射后由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)接收的聲-超聲信號，記為ei-j；
步驟四、損傷概率值計算，分別同時對上述步驟三的直接接收信號si-j進行基于信號能量的相異系數損傷概率成像算法，得到損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅰ，對上述步驟三的信號ei-j進行基于渡越時間的橢圓環相交損傷概率成像算法，得到損傷存在概率源值p”i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅱ；步驟五、損傷概率值的融合，將上述步驟四所得的損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和p”i-j(x,y)按公式
步驟六、構件損傷概率成像，將所述步驟五所得的p(x,y)值作為直角坐標系坐標點(x,y)的像素值；
步驟七、構件損傷概率定位，在所述步驟六的成像結果中，像素值越大的區域表示該處損傷存在的可能性越大，即為損傷的位置。
所述的一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法，所述的步驟四中，對直接接收信號si-j進行基于信號能量的相異系數損傷概率成像算法，具體按以下步驟進行處理：
步驟1、對低幅激勵后接收的直接接收信號si-j進行傅里葉變換，獲取中心頻率上聲-超聲波的時間-能量波形分布曲線，記為低幅信號g0；
步驟2、對相同上述檢測條件高幅激勵后接收的直接接收信號si-j重復上述步驟1，記為高幅信號g'；
步驟3、定義幅比系數λ為高幅激勵信號振幅a'與低幅激勵信號的振幅a0之比，即
步驟4、定義縮放系數δ＝1.06，距離比系數
步驟5、對其他ai-rj換能器對重復進行上述步驟1-4的處理；
步驟6、定義增強因子β為1.03，將步驟5得到的損傷存在概率值i'i-j(x,y)根據對應坐標點(x,y)按公式
所述的一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法，所述步驟四中，對反射回波模式的信號ei-j進行基于渡越時間的橢圓環相交損傷概率成像算法，具體按以下步驟進行處理：
步驟1、對于換能器對ai-rj的信號ei-j，設激勵時刻為ti，接收時刻為tj，從激勵時刻起，經損傷邊界反射到接收時刻止，表面波信號經歷的渡越時間為t”i-j，路程為
步驟2、由上述步驟1確定的不同渡越時間t”i-j值，其所占整個渡越時間區間(ti-j,t'i-j)的權重為
步驟4、將上述步驟3所得的所有ai-rj檢測路線確定的定位橢圓環檢測區包含的檢測點(x,y)的損傷存在概率值i”i-j(x,y)，對應到被測工件表面坐標系上，按公式
所述的一種基于聲-超聲的大型構件損傷概率成像定位方法，所述步驟四中對直接接收模式的信號si-j進行基于信號能量的相異系數損傷概率成像算法，該算法不需要獲取無損傷存在時構件的聲-超聲檢測數據，只需獲得當前有損傷構件的聲-超聲檢測數據。
本發明的技術效果在于，針對大型構件大面積的損傷檢測，采用聲-超聲檢測網絡，使用高、低幅值激勵損傷概率成像法和橢圓環相交損傷概率成像法的組合概率成像方法，實現了大型構件損傷的無基準檢測及快速定位。
附圖說明
圖1為本發明聲-超聲損傷概率成像定位法流程圖
圖2為本發明壓電換能器布置及直接接收模式路線示意圖
圖3為本發明壓電換能器2和壓電換能器7的直接接收信號s2-7和反射回波信號e2-7示意圖
圖4為本發明壓電換能器2和壓電換能器7直接接收模式損傷檢測示意圖
圖5為本發明壓電換能器2和壓電換能器7反射回波模式損傷檢測示意圖
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
本發明具體實施方式以大型鋁板損傷的聲-超聲檢測定位為例，鋁板尺寸為1200mm×1000mm，待測成像區設為直徑為200mm的圓形區域,對待測成像區進行聲-超聲損傷概率成像的步驟包括：
步驟一、構建監測網絡，如圖2所示在鋁板被測的圓形區域邊緣均勻布置16個壓電換能器，標記為1,2,...,16，以圓形幾何中心為原點建立平面直角坐標系xoy，每個壓電換能器同時發射和接收回波信號，當作為發射壓電換能器時標記為ai(xi,yi)(i＝1,2,...,16)，作為接收壓電換能器時標記為rj(xj,yj)(j＝1,2,...,16,j≠i)，分別獲取發射換能器中心與損傷邊界、損傷邊界與接收換能器中心、發射換能器中心與接收換能器中心之間的直角坐標系距離
步驟二、超聲信號激勵，采用兩種激勵方式激勵壓電換能器ai(xi,yi)(i＝1,2,...,n)產生超聲信號，在構件表面產生聲-超聲信號，其中一種激勵方式采用tektronixafg2021任意信號發生器，分別以900mv和100mv的輸出電壓，產生漢寧窗的高、低幅值正弦信號，并經rfpower2100l射頻功率放大器放大后激勵超聲換能器，另一種激勵方式采用olympus5072pr超聲脈沖發生接收儀產生脈沖信號激勵超聲換能器；
步驟三、回波信號采集，使用凌華pci-9820高速采集卡采集上述步驟二中高、低幅激勵的由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)直接接收到的聲-超聲信號，記為si-j，同時通過凌華pci-9820高速采集卡采集上述步驟二中脈沖信號激勵的經損傷邊界反射后由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)接收的聲-超聲信號，記為反射回波信號ei-j，如圖3為直接接收信號si-j和反射回波信號ei-j的示意圖；
步驟四、損傷概率值計算，分別同時對上述步驟三的直接接收信號si-j進行基于信號能量的相異系數損傷概率成像算法，對反射回撥信號ei-j進行基于渡越時間的橢圓環相交損傷概率成像算法：
(1)對直接接收信號si-j進行基于信號能量的相異系數損傷概率成像算法，具體按以下步驟進行處理：
步驟1、如圖4以壓電換能器2和壓電換能器7為例，對低幅激勵后接收的直接接收信號s2-7進行傅里葉變換，獲取中心頻率上聲-超聲波的時間-能量波形分布曲線，記為低幅信號g0；
步驟2、對相同上述檢測條件高幅激勵后接收的直接接收信號s2-7重復上述步驟1，記為高幅信號g'；
步驟3、定義幅比系數λ為高幅激勵信號振幅a'與低幅激勵信號的振幅a0之比，即
步驟4、定義縮放系數δ＝1.06，距離比系數
步驟5、對其他ai-rj換能器對重復進行上述步驟1-4的處理；
步驟6、定義增強因子β為1.03，將步驟5得到的損傷存在概率值i'i-j(x,y)根據對應坐標點(x,y)按公式
(2)對上述步驟四中的反射回波信號ei-j進行基于渡越時間的橢圓環相交損傷概率成像算法，具體按以下步驟進行處理：
步驟1、如圖5以壓電換能器2和壓電換能器7為例，對于換能器對a2-r7的反射回波信號e2-7，設激勵時刻為t2，接收時刻為t7，從激勵時刻起，經損傷邊界反射到接收時刻止，表面波信號經歷的渡越時間為t”2-7，路程為
步驟2、由上述步驟1確定的不同渡越時間t”2-7值所占整個渡越時間區間(t2-7,t'2-7)的權重為
步驟3、對其他換能器對ai-rj重復進行上述步驟1-2的處理；
步驟4、將上述步驟3所得的
步驟五、損傷概率值的融合，將上述步驟四所得的損傷存在概率源值p’i-j(x,y)和p”i-j(x,y)按公式
步驟六、構件損傷概率成像，將所述步驟五所得的p(x,y)值作為直角坐標系坐標點(x,y)的像素值；
步驟七、構件損傷概率定位，在所述步驟六的成像結果中，像素值越大的區域表示該處損傷存在的可能性越大，即為損傷的位置。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！