多声道气体超声流量测量动态数据提取与分析

气体超声波流量计研制中，准确定位每个声道正程和逆程收到的回波信号特征点，是精确测量得到该方向传播时间以及通过计算各声道时间差精确得到气体流量值的关键。提出了提取与分析气体超声流量计动态调试数据的方法，获取了回波信号各峰的归一化幅值数据；比较其归一化系数差值，得出最大差值所在的相邻峰为特征峰，两特征峰之间的上升过零点为到达时间阈值点，根据确定的阈值点得到精确的传播时间值。通过Python完成对原始数据的提取和分离并整理到Excel文件中，通过Excel将归一化幅值数据转换为散点图并加以分析，从而快速准确地获取阈值点，进而定位回波信号特征点。通过该方法设定阈值参数的DN50型双声道气体超声流量计，实验证明，所研究的DN50型双声道气体超声流量计能满足气体超声流量计检定规程中对1.0级仪表精度的要求。     

航天器舱壁结构碎片撞击声发射定位技术研究

撞击信号在航天器加筋舱壁结构中的传播规律非常复杂,对太空碎片撞击的快速定位产生阻碍。针对以上问题,提出了一种基于声发射的软阈值滤波双曲线算法。该算法通过软阈值方案解决了加筋结构中衰减声波到达时间判断的难题,通过滤波对波速最快的S_0模态进行保留,减少了声波的模态转换对定位造成的影响。通过有限元模拟分析了加强筋对兰姆波的影响规律,得到了不同频带下S_0模态兰姆波的能量通过比值,给出滤波频带确定依据。通过对20个撞击点的定位实验验证了算法的可行性,对实验样板来说,当频带为100～200 kHz时定位结果最佳,平均绝对误差为5.59 mm。     

无基准Lamb波时间反转损伤概率成像监测方法

根据损伤散射信息进行结构损伤特征参数提取与损伤监测,是Lamb波结构健康监测研究中的最为有效的方法之一,而目前常用的有基准差信号提取损伤散射信号技术在应用中存在实用性差的问题.采用Lamb波时间反转聚焦原理,结合损伤概率思想,提出了无基准损伤概率成像监测方法.利用信号时间反转处理对波源的自适应聚焦机理,消除Lamb波的频散效应;并根据单模式Lamb波响应信号的各波包在时反聚焦信号中的相对时刻,提取损伤散射信号的传播时间,以此计算出结构中各点出现的损伤概率,从而实现对损伤的成像、定位和监测.在金属铝板结构上的实验表明,该方法可在无需基准信号的情况下,较为清晰地分离出损伤散射信号和信息,得到结构各点的损伤概率图像,有助于结构健康监测的实用化.     

声纳斜入射水深实时监测中最短路径时延估计

以射线声学理论为基础,提出了一种以声纳斜入射方式实现港口航道水深实时监测的新方法.针对该方法中水声信道的多径传播结构,通过求解直达路径声信号和海底反射最短路径声信号的相对时延来估算港口航道的即时水深.将用于阵列信号方位估计的MODEX算法和带惩罚函数的非线性最小二乘算法结合起来,给出了一种解决单频水声信号高分辨率多径时延估计的混合算法,其中MODEX算法用于计算多径信号时延和幅度估计的初始值,然后将此初始值赋予带惩罚函数的频域非线性最小二乘算法确定时延和幅度估计的真实值.海上实测数据分析显示该混合算法具有很强的处理重叠多径信号以及抗噪声干扰的能力,时延估计精度达到μs量级.海上实验结果进一步说明声纳斜入射水深监测方法的可行性,该方法简单实用、实时性好,尤其对狭窄航道水深的实时监测具有广泛的应用前景.     

基于支持向量机的点云曲面刀具路径规划

针对单值散乱点云曲面刀具路径规划问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机的计算方法。在计算过程中,将点云数据向平面投影,得到二维点集。应用网格划分和边界网格内测量点高斯映射技术,提取平面区域内的边界特征点。用边界特征点定义点云曲面的实际加工区域,在此区域内规划平行等间距刀具路径。应用最小二乘支持向量机拟合点云数据,求得被加工曲面的连续表达模型,经此模型将二维刀具路径数据向三维空间映射,求出刀触点数据。将刀触点经法向偏置计算,求得刀位点。实例验证证明,该方法能较好地解决信息不完备散乱点云曲面刀具路径生成问题。      

不同幅值激励的复合材料板时间反转损伤识别方法

复合材料结构受到冲击时会产生基体开裂、层脱等损伤,通常情况下损伤界面保持闭合接触。小幅值激励下应力波产生的应变极小,损伤界面仍处于闭合的线性状态,时间反转重构信号不能表明损伤的存在与否。针对该问题,采用不同幅值激励的时间反转方法进行损伤检测与识别,利用时间反转重构信号与激励信号的相关系数构造了损伤指数,开展了基于压电作动/传感阵列的复合材料板损伤识别与定位的实验研究。实验结果表明:小幅值激励下作动-传感的完整路径和损伤路径上的时间反转重构信号与原始激励信号相似程度均很高,不能表征结构中的损伤;而增大激励幅值至某一阈值后,损伤路径上的损伤指数明显增大,而完整路径上的损伤指数变化不明显;利用该方法准确地识别与定位了板中损伤。     

带摆角头五轴数控机床几何误差建模及补偿方法研究

研究带摆角头五轴数控机床几何误差建模方法及误差补偿技术.基于多体系统运动学理论,阐述带摆角头五轴数控机床的拓扑结构及其低序体阵列,建了五轴差模型.根据该误差模型研究了带摆角头五轴数控机床的几何误差软件补偿计算方法,分别建立理想条件与实际条件下刀具路线、数控指令及刀具轨迹三者间的相互映射关系,给出数控指令修正值的具体算法及迭代计算求解终止判别条件,通过该方法可获得修正后的数控指令,从而解决软件误差补偿的关键问题该补偿方法直接、简明,具有很好的通用性.     

基于S变换和互信息的梁类结构裂纹定位方法

实际使用中的梁类结构容易萌生裂纹,影响其使用寿命及安全可靠运行,准确判定其裂纹损伤位置对于实现梁类结构的快速准确维护处理具有重要意义,为此提出基于振动信号S变换和互信息值实现梁类结构裂纹的识别与定位。首先,基于测试获得梁类结构上分布点的振动信号;其次,利用S变换将振动信号变换到时频域,计算梁结构在裂纹损伤前后各对应位置点时频域振动信号的互信息值;最后,通过检索互信息值向量中分量的最小值位置实现裂纹区域的准确定位。为了避免引入附加质量的影响,利用机器视觉测振系统采集悬臂梁和小型复合材料叶片上的分布点振动信号,设置不同裂纹位置对梁类结构裂纹定位方法进行了验证,证明了方法的有效性。     

改进的自适应特征值分解声源定位算法研究

麦克风阵列室内声源定位,常用声达时间差定位技术.本文针对估计时延的自适应特征值分解算法收敛速度慢,时延估计精度较差,麦克风较多等问题,提出一种改进的自适应特征值分解时延估计算法,采用单源多元混响模型,将混响效应描述为室内冲激响应滤波器对信号的滤波过程,估计不同阵元的冲激响应抑制混响,根据冲激响应峰值计算时延.通过引入最小均方牛顿算法,加快了AED算法的收敛速度.给出了对声源进行三维定位的三麦克风阵列结构,实际测试结果表明,改进算法与三麦克风阵列的定位方法对声源的定位更加准确.     

信号场强压缩感知的传感器定位方法研究

提出了多包接收时的信号场强叠加模型,建立了观测场强与传感器位置的映射关系。由于传感器数量相对于网格数量是稀疏的,将传感器定位转化为压缩感知问题求解,以减少观测的信号数量,并提出了NL1-norm算法计算出传感器的位置。通过数值仿真,分析了传感器信号功率、观测信号数量以及传感器个数对定位误差的影响。相同条件下,验证了NL1-norm算法的定位精度相比最小化L1-norm算法和贪婪匹配追踪(GMP)算法提高了2倍。低信噪比情况下比较得出,基于CS的节点定位方法误差和观测代价都明显小于RSSI和MDS-MAP方法。     

一种基于宽带激励的虚拟时间反转方法

针对主动Lamb波监测中常见的低信噪比问题和传统时间反转方法降低监测信号空间分辨率的不足,提出一种采用宽带激励求取损伤散射路径传递函数的虚拟时间反转方法并应用于复杂结构的多损伤成像中.理论研究并经实验验证表明该方法不但能够有效实现Lamb波多损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强,抑制了边界反射信号和噪声,提高了信噪比,而且与传统时间反转方法相比,提高了损伤聚焦波包的空间分辨率,增强了对于多个损伤的监测能力.最后的成像结果显示虚拟时间反转方法能够改善复杂板结构中两个近邻损伤的成像质量.     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

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。     

Lamb wave propagation modeling for structure health monitoring

This study aims to model the propagation of Lamb waves used in structure health monitoring. A number of different numerical computational techniques have been developed for wave propagation studies. The local interaction simulation approach, used for modeling sharp interfaces and discontinuities in complex media (LISA/SIM theory), has been effectively applied to numerical simulations of elastic wave interaction. This modeling is based on the local interaction simulation approach theory and is finally accomplished through the finite elements software Ansys11. In this paper, the Lamb waves propagating characteristics and the LISA/SIM theory are introduced. The finite difference equations describing wave propagation used in the LISA/SIM theory are obtained. Then, an anisotropic metallic plate model is modeled and a simulating Lamb waves signal is loaded on. Finally, the Lamb waves propagation modeling is implemented.     

Damage localisation in composite and metallic structures using a structural neural system and simulated acoustic emissions

Detecting and locating damage in structural components and joints that have high feature densities and complex geometry is a difficult problem in the field of structural health monitoring (SHM). Active propagation of diagnostic waves is one approach that is used to detect damage. But small cracks and damage are difficult to detect because they have a small effect on the propagating waves as compared to the effects the complex geometry itself which causes dispersion and reflection of waves. Another limitation of active wave propagation is that pre-damage data is required for every sensor–actuator combination, and a large number of sensors might be needed to detect small cracks on large structures. Overall, the problem of detecting damage in complex geometries is not well investigated in the field of SHM. Nevertheless, the problem is important because damage often initiates at joints and locations where section properties change.Recently there have been advances in the development of a passive structural neural system (SNS) for damage detection. The SNS uses electronic logic circuits to mimic the signal processing in the biological neural system. The advantage of the SNS is that highly distributed continuous sensors provide high sensitivity to damage, and the biomimetic signal processing and passive sensing tremendously simplify the instrumentation and wiring of the monitoring system. Also, the SNS operates continuously during operation of the structure to detect ambient Lamb waves or bulk waves that are produced by cracking, delamination, bearing damage, rotor imbalance, flow instabilities, impacts, or other material failure modes.In this paper, asymmetric Lamb wave propagation representing acoustic emissions (AE) is modelled based on a superposition of plate bending vibration modes. The simulation demonstrates that the SNS with four channels of data acquisition can localize damage within a grid of sensors irrespective of the number of sensors in the network. To experimentally validate the analysis results, a two-neuron prototype of the SNS was built and tested using a simulated AE source (a pencil lead break) on a riveted aluminium joint and on a composite plate. In both experiments, the SNS was able to localize simulated damages. These results indicate the feasibility of expanding the SNS to a large number of neurons.     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

Calculation of the Acoustic Channel in Acoustic Emission Testing of Bottoms of Vertical Steel Tanks

On the basis of theoretical and experimental studies of the fundamental laws of Lamb wave propagation in plates, the acoustic channel is calculated for possible paths of propagation of acoustic-emission waves in the bottom of vertical steel tanks and losses in the acoustic channel are quantitatively estimated.     

基于HC-SR04模块的时差法声速测量

提出了一种基于超声波测距模块HC-SR04的时差法测量声速的软硬件实现方法,并介绍了相应的硬件模块信号处理流程和测量程序运行流程。本方法可通过精确测量已知距离的声传播时间计算声速。利用所设计的实验装置,实际测量了空气中不同温度下多组声传播速度,测量结果与理论值的最大相对误差仅为0.6%,从而证明了本方法的可行性和合理性。与传统的共振干涉法、相位比较法等声速测量方法相比,本文方法具有实时性高、成本低、结构简单和精度高等优点。     

基于递归量化观测的复合材料损伤贝叶斯估计方法

针对复合材料损伤定位定量识别中损伤指数构建困难与损伤预测的不确定性问题,提出一种基于递归量化特征观测的 损伤状态贝叶斯概率估计方法。 该方法无需基准无损信号参考与损伤波包识别,采用 Lamb 波信号的递归量化分析(RQA)特 征,从结构非线性动力学角度对复材板内部损伤进行观测,根据特征与损伤位置大小的相关性与单调性进行了敏感特征筛选。 根据各传感路径信号的 RQA 特征与损伤形态参量间的线性/ 非线性关联特性,采用多变量二次交互模型建立了损伤状态的特 征描述空间。 综合考虑各传感路径中 RQA 特征对损伤观测的不确定因素,建立了复材板损伤状态的观测模型,采用贝叶斯更 新算法对复材板损伤位置尺寸进行估计。 复材板的脱层损伤仿真分析结果表明,本文提出方法无需分析结构损伤与 Lamb 波 的复杂交互机制,就能同步实现复材板内部损伤的量化评估与定位分析,估计出的损伤位置大小在仿真模型的损伤参数设定值 的 75% 置信区间内,损伤估计成像区域与仿真损伤区域相符合。 复合材料板的疲劳损伤试验分析结果表明,采用本文方法经过 24 次迭代更新后,得到的损伤面积与大小完全覆盖了 X 射线扫描检测的真实损伤。 该方法充分考虑了复材板损伤评估中的不 确定因素,更加贴合复合材料结构损伤检测与评估的工程实际应用,具有较好的应用前景。