基于波数分析的激光Lamb波缺陷检测试验研究

Lamb波的频散和多模态特性,使得利用Lamb波信号的时域或频域特征实现缺陷的定量检测具有一定的困难。基于全光学型激光超声检测系统,采用波数分析方法对铝板中缺陷开展定量检测研究。脉冲激光在固定位置激励,连续激光一维线扫描接收,获得时间-空间波场信号,Lamb波信号的传播特征以及Lamb波与缺陷之间的作用规律被直观的展现。采用二维傅里叶变换将波场信号从时间-空间域转换到频率-波数域,信号中包含的各模态可很好的识别出来。为保留空间信息,借鉴短时傅里叶变换的思想,采用短空间二维傅里叶变换得到沿扫描路径上波数的分布,从中可直观看出缺陷的位置和尺寸。进一步根据波数和频厚积之间的关系,可计算得到缺陷处铝板的厚度。试验结果表明:该方法有效实现了缺陷位置、大小以及深度的评估。     

基于Lamb波传播路径分析的复合材料板中缺陷成像*

板型波导结构中的缺陷对Lamb波的传播会产生干扰,接收信号受干扰程度与缺陷和激励、接收传感器路径间的相对距离有关。提出一种基于Lamb波传播路径分析的多频率数据融合缺陷检测方法,对复合材料板中缺陷区域进行成像。采用压电传感器进行Chirp信号激励,由Chirp激励响应计算出具有不同中心频率的Tone burst信号,为成像算法提供多频率缺陷信息。对各信号中首次抵达波的包络峰值进行分析,确定缺陷所在位置同激励接收路径间的关系。选择同缺陷所在路径具有相近Lamb波传播速度的路径作为关注路径,结合椭圆成像算法和该路径中的缺陷散射信号信息计算出缺陷所在的椭圆轨迹。引入椭圆轨迹计算误差容限,对计算得到的不同频率下的椭圆轨迹进行筛选,将筛选后的椭圆轨迹进行融合实现缺陷区域成像。通过对复合材料板中缺陷区域的试验检测,验证了所提算法的可行性。     

基于空气耦合兰姆波的铝板缺陷检测

针对铝板中的缺陷,采用空耦超声法对铝板进行检测。以特定入射角、接收角在薄板中激励兰姆波,对接收信号进行二维傅里叶变换以识别信号模态。对薄板中存在的缺陷,利用缺陷反射信号进行B扫成像,结果显示,低阶兰姆波模态均可有效识别出铝板中的缺陷,但A0模态比S0模态更适合应用于空耦的检测。     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

二维傅立叶变换在Lamb波模式识别研究中的应用

用二维傅立叶变换对实验测定的Lamb波信号进行分析。该方法是在波的传播路径方向上,对一系列等间距位置接收到的时间信号进行二维傅立叶变换。给出了各向同性和各向异性媒质中传播的Lamb波频散曲线的数值和实验结果。研究表明,二维傅立叶变换能有效地识别Lamb波模式。     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。     

基于Lamb波结构健康监测的压缩感知方法研究

结构健康监测面临的一个巨大挑战就是如何从传感器收集的海量数据中提取重要信息并有效地进行损伤状况估计。通过对传感信号进行分析,提出针对分布式传感网络结构的改进匹配追踪算法,降低测量信号维数,减少重构时间。在粘贴压电传感器的铝板上获取Lamb波信号并进行该算法的验证,实验结果表明在保证重构信号精确度(重构误差±0.25)的前提下减少了计算量且损伤定位准确。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

基于加权时域弯折的 Lamb 波自适应温度补偿方法

针对航空结构Lamb波损伤监测中急需解决的环境温度影响问题,本文提出了加权时域弯折(WTDW)的温度补偿方法,该方法无需先验参数或模型便可自适应补偿Lamb波信号中的温度影响,而且克服了传统动态时间弯折(DTW)容易抑制被补偿信号损伤信息的温度过补偿问题,从而更便于在Lamb波损伤监测中的实际应用。首先在DTW基本理论分析的基础上,研究了WTDW自适应温度补偿原理,然后结合线性频散信号构建频散补偿的损伤成像算法,提出了环境温度变化下基于WTDW的Lamb波高可靠性和高分辨损伤成像。最后的铝板(800 mm×650 mm×2 mm)实验结果表明,WTDW能自适应补偿环境温度从室温(23℃)分别变为-20℃～50℃的影响,且基于WTDW的Lamb波高可靠性成像的损伤定位误差≤2.8 mm。     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。     

A simple forward direct problem solver for eddy current non-destructive inspection of aluminum plates using uniform field probes

In this paper we show that a simple algorithm used to model the eddy current inspection of an aluminum plate can be used to preview the acquired voltage signals. Thus, the algorithm is suitable to work as a forward problem solver to determine the expected measurement signal obtained with a uniform excitation field probe including a giant magnetoresistor sensor. The algorithm is based on a conformal transformation and is able to preview the shape of the electrical current lines when a metallic plate with a superficial straight crack is subject to a sinusoidal excitation field with constant amplitude and orientation in a bounded zone around the sensor element. Simple and fast algorithms as the one presented in this paper are of paramount importance for testing inversion algorithms used to characterize defects in metallic plates.     

光纤光栅传感器阵列在撞击定位监测中的应用

本文提出基于半导体环形激光器的光纤传感阵列系统,用于在铝板上撞击定位监测。采用光纤法布里-珀罗(F-P)标准具对光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号进行解调。施加在FBG传感器的应变被编码为FBG反射光的波长位移,然后由自由光谱范围为50 GHz的光纤F-P标准具转换为强度调制。通过波分复用技术,光纤F-P标准具可同时解调多个FBG信号,光纤传感阵列系统安装在厚度为1 mm的铝板上,50 g的小钢球在20 cm的高度自由下落撞击铝板产生声发射信号。利用时频小波分析,从测量的FBG传感器瞬态响应中获得的Lamb波的群速度频散曲线,并根据三角定位算法,确定撞击点的坐标。经过撞击试验,通过本系统和定位算法的平均定位精度误差在30.89 mm,达到了较好的精度。     

基于密集阵列的参数化Lamb波检测技术研究

Lamb波具有衰减慢、模态多、对结构几何特性和材料属性变化敏感等特点,在大型板壳结构的远距离、大范围快速检测技术研究领域得到了众多的关注。传统Lamb波成像算法将多组散射信号时间相关参数映射到结构每一个离散空间网格上实现缺陷信息的可视化。该类算法的执行效率低,且无法直接提供缺陷位置参数信息。将缺陷成像问题转换为散射信号源点求解问题进行分析,提出一种基于十字形密集阵列的参数化Lamb波检测技术。首先基于时飞原理建立散射信号源点求解函数模型;并提出一种融合烟火算法和统计分析技术的信号源点求解函数模型分析算法,实现缺陷空间位置的参数化分析。最后通过有限元模型和试验验证了所提出的检测技术对不同角度裂纹缺陷检测的有效性,并分析了模型参数设置对检测效果的影响。     

A new iterative near-field coherent subspace method for rub-impact fault localization using AE technique

Acoustic emission (AE) localization is an important method to detect defects in bearing of rotatory machine for faults maintenance. However, only the faults near the sensor array can be detected due to severe attenuation in the recorded AE signals. Therefore, we propose a highly reliable new Iterative near-field Coherent subspace method (IN-CSM) for multiple rub-impact faults localization. The proposed approach contains four improved processes: Modal plate wave theory (MPWT) analysis for the multi-modes decomposition and group velocity revision; Discrete wavelet transform (DWT) for the useful narrow band extraction; Near field Multiple signal classification (N-MUSIC) method for the preliminary position estimations; the IN-CSM algorithm for the multiple coherent sources separation and the precise localizations. The simulations based on N-MUSIC and IN-CSM methods were compared by rubbing teston the test rig of rotation machinery. The results indicate that the proposed method can effectively locate multiple coherent rubbing faults at once. Thus, it is an effective analysis tool for rub-impact fault detection.     

基于激光激励技术的结构损伤成像

采用了一种新型的损伤检测技术,利用激光脉冲在板类结构中产生热弹效应,激发出板中的导波（Lamb波）。通过分析Lamb波的传播状态与损伤之间的关系,并利用Morlet复数小波变换和频散补偿能量聚焦的方法,从两个不同的角度分析信号并提取信号特征,实现了对平板结构的快速、大面积检测。实验结果表明,该系统具有较高的测量精度,能较好地检测结构缺陷。     

风力机叶片多裂纹扩展声发射信号的特征识别

针对风力机叶片蒙皮多裂纹难以状态识别的问题,根据裂纹扩展释放能量的过程,推导主裂纹扩展AE信号的表达式,从而明晰了主裂纹扩展的AE信号特性及其与应力变化之间的关联。由于多裂纹扩展AE信号为卷积混合模型,提出一种对具有非平稳、非线性特性的卷积混合AE信号特征提取的方法,以输出信号的广义能量作为目标函数得到盲解卷的滤波器迭代式,采用Godard算法通过输出信号与估计值的误差调整滤波器系数,并根据相似系数选择适当的非线性函数以减少采集设备对AE信号的影响。最后在裂纹扩展试验中,预制不同尺寸的多缺陷,对叶片试件同时施加激振载荷和循环载荷,每间隔一定的循环次数采集不同状态的AE信号,同时采用具有非全局性的瞬时频率和特征尺度来识别多裂纹在不同扩展状态下的特征,从而明晰了信号特征与多裂纹生存状态的关联,形成了识别多裂纹复合材料损伤的评价机制。     

Evaluation of the health of riveted joints with active and passive structural health monitoring techniques

Many active and passive structural health monitoring (SHM) techniques have been developed for detection of the defects of plates. Generally, riveted joints hold the plates together and their failure may create accidents. In this study, well known active and passive methods were modified for the evaluation of the health of the riveted joints between the plates. The active method generated Lamb waves and monitored their propagation by using lead zirconate titanate (PZT) disks. The signal was analyzed by using the wavelet transformations. The passive method used the Fiber Bragg Grating (FBG) sensors and evaluated the spectral characteristics of the signals by using Fast Fourier Transformation (FFT). The results indicated that the existing methods designed for the evaluation of the health of individual plates may be used for inspection of riveted joints with software modifications.