一种复合板结构的健康检测系统及其工作方法与流程

本发明涉及一种复合板质量检测技术，特别是一种复合板结构的健康检测方法。

背景技术：

复合板结构健康检测，是指利用某种检测手段探测出复合板中存在的各种缺陷，如气泡、杂质、裂缝、腐蚀以及螺钉松动等。目前，结构健康检测领域已经发展出了多种可用于复合板无损检测的方法，如超声检测、射线检测、热成像检测、涡流检测等。

复合材料，其组织结构具有明显的各向异性，材料性能的离散性较大，产生缺陷的机理复杂多样，从而导致在检测较深部位缺陷时会遇到很大的障碍。在复合板结构的健康检测中，一种新型检测方法是使用超声导波中lamb波进行检测，超声导波在复合板中传播时，传播距离远而且衰减小。lamb波在复合板中传播时，如果基体组织发生显著的变化，比如分层、孔洞等缺陷，lamb波会发生反射和散射等现象，此时接收到的响应信号的幅值、频率以及模态会发生变化。此时，基体组织中的缺陷信息就会包含在响应信号之中，通过分析响应信号，提取其中所包含的缺陷信息，就可以对缺陷的位置等信息进行判别，从而实现对复合板的无损检测与评价。

此外，阻抗技术也是一种有效的复合板结构的健康检测方法，具有局部灵敏度高、传感器便于安装等优点，尤其适合于非规则结构的复合板在线检测领域。阻抗技术是指将被测复合板与传感器耦合为一体，将被测复合板的机械阻抗变化转换为传感器的电气阻抗变化，通过测量传感器的电气阻抗来推断被测复合板是否存在缺陷。其测量方法是：通过激励传感器在被测复合板中激励出扫频信号，如果被测复合板存在缺陷，其机械阻抗就会发生变化，此时接收到的响应信号幅值等信息就会发生变化，再通过接收传感器采集带有缺陷特征的响应信号，利用各种信号处理方法提取出缺陷信息。

在目前的复合板结构的健康检测领域，无论是超声导波检测技术，还是阻抗检测技术，普遍使用基于压电效应的超声换能器。压电超声换能器等传统换能器，其声源并不在被测复合板内部，而是由耦合剂传入被测复合板，这就不可避免地造成了声波能量的损失。使用超声导波技术进行结构健康检测，虽然导波传播距离远、检测范围广、损伤定位准确，但是局部灵敏度低，对损伤类型、程度的识别并不理想；而使用阻抗技术，局部灵敏度虽然很高，但是检测范围有限、损伤定位困难。因此，在单独使用这两种方法进行复合板结构的健康检测时，都不能取得理想效果。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种不仅检测范围广、而且灵敏度高的复合板结构的健康检测系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种复合板结构的健康检测系统，包括任意波形函数发生器、功率放大器、超声换能器、信号调理电路、数据采集卡和计算机；所述的超声换能器为基于磁致伸缩效应的超声换能器，共有四个，分别为emat1、emat2、emat3和emat4；所述的超声换能器耦合在复合板上；所述的任意波形函数发生器经功率放大器与超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4连接；所述的计算机经数据采集卡与信号调理电路连接；所述的信号调理电路分别与超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4连接。

进一步地，所述的超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4在复合板上的安装位置为正方形的四个顶点。

一种复合板结构的健康检测系统的工作方法，包括以下步骤：

a、对标准复合板进行检测

a1、将超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4耦合在标准复合板上，所述的标准复合板是没有任何损伤的复合板；

a2、由任意波形函数发生器产生一组激励信号，信号为汉宁窗调制的5～20个周期的正弦信号，其中心频率为100～300khz；信号经功率放大器放大以后传递给超声换能器emat1，超声换能器emat1迫使复合板的质点振动，然后由其余的三个超声换能器采集响应信号，响应信号经信号调理电路调理以后送至数据采集卡，然后上传到计算机进行信号分析和处理；

a3、由任意波形函数发生器产生另外一组激励信号，信号为正弦调频信号，频率介于90～210khz；信号经功率放大器放大以后传递给超声换能器emat1，然后采集超声换能器emat1单独作用时复合板的谐响应信号；依次分别激励剩下的三个超声换能器emat2、emat3和emat4，采集各自的谐响应信号；响应信号经信号调理电路调理以后送至数据采集卡，然后上传到计算机进行信号分析和处理；

a4、设超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4在复合板上的检测节点分别为a、b、c和d，首先采集a→b、a→c、a→d这3条导波传播路径上的超声导波数据和4个检测节点a、b、c、d处机磁阻抗数据，并将这些数据作为基准保存；

b、对被测复合板进行检测

b1、将超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4从标准复合板上取下再耦合在被测复合板上；

b2、按步骤a2执行；

b3、按步骤a3执行；

b4、按步骤a4执行；

c、对检测数据进行分析计算

c1、利用超声lamb波检测复合板结构中损伤的位置

以超声导波法测量时，通过经典的四点圆弧定位法对损伤的位置进行检测；复合板中lamb波在一对激励超声换能器与接收超声换能器之间有多条传播路径，但检测中只需关注两条路径上的导波数据，一条为直达波传播的路径，即路径a→b，另一条为经过损伤源散射到达接收超声换能器的路径，即路径a→d1→b，其中d1为损伤源；由于没有经过损伤源反射的直达波包不携带损伤源信息，那么接收超声换能器接收到的损伤后信号减去损伤前信号，则得到只含损伤信息的信号，即差信号；

由分析得差信号时间延迟为：

式中，r1为激励超声换能器到损伤的距离；r2为损伤源到接收超声换能器的距离；cgh为未经过损伤源时的波群速度；cgd为经过损伤源后的波群速度。

以超声换能器emat1为激励源，以超声换能器emat2、emat3和emat4为接收超声换能器，接收到的差信号时间延迟t12、t13、t14分别为：

其中，cgh由激励超声换能器和接收超声换能器之间的距离d和信号在此路径上的传播时间得到。超声换能器emat1、emat2、emat3和emat4在复合板上的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，损伤源坐标未知，设为(x，y)；由于超声换能器坐标己知，上述三个方程含x、y、cgd三个未知量，联立式(2)-(4)，求出损伤源位置坐标(x，y)。

c2、利用机磁阻抗谱融合超声导波信号识别损伤类型和程度

以超声导波法测量时，便已经获得损伤的有无以及位置信息，但对于损伤的类型、程度以及螺钉松动缺陷却无法知晓，此时，则结合阻抗检测来识别；不同类型的缺陷，复合板的机械阻抗值不同；螺钉在锁紧和未锁紧两种状态下，复合板的机械阻抗也是不同的，因此通过阻抗值不同的变化范围，即实现损伤类型、程度的识别；

将超声换能器与复合板耦合一体以后，耦合体总阻抗的理论计算公式如下：

其中，ztotal为超声换能器和复合板耦合后的总阻抗，r为超声换能器电阻，ω为角频率，l为超声换能器电感，n为线圈匝数，为圆柱形磁致伸缩片底部圆面面积，为圆柱形磁致伸缩片圆柱面面积，zm为超声换能器机械阻抗，zl为复合板机械阻抗，为恒定磁场下的弹性模量，d为压磁系数。

复合板的机械阻抗zl是不能直接测量出的，只有通过式(5)与超声换能器耦合一体以后，将复合板的机械阻抗转换为耦合体的电气阻抗，才能通过检测系统进行测量。

为了更好地表征结构变化，引入相关系数cc对超声导波信号和机磁阻抗谱进行分析计算。相关系数cc是研究变量之间线性相关程度的量，用来表征导波信号和阻抗谱变化的程度，即结构变化的程度，表示为：

式中:xi、为有损伤数据及其平均值；yi、为无损伤数据及其平均值。为了更直观的表示相关系数cc与结构损伤之间的关系，损伤指数由下式表达：

数据融合具体操作步骤如下：

c21、用x1(t)表示有损状态下测得的超声导波数据，且测得带有缺陷信息的超声导波包起止时间分别为t1和t2，在t1到t2时间内平均取n个点，并记录n个点处x1(t)值，取平均求得以y1(t)表示无损状态下测得到的超声导波数据，以同样的方式计算用x2(f)表示有损状态下测得的机磁阻抗数据，f1和f2分别表示起止频率，在f1到f2频段内平均取n个点，并记录n个点处x2(f)值，取平均求得以y2(f)表示无损状态下测得到的机磁阻抗数据，以同样的方式计算

将得到的两类数据代入式(7)求出各自损伤指数后，还需将2种方法得到的损伤指数进行数据融合，得出综合损伤指数。

c22、将2种方法得到的损伤指数进行融合，需要一个比例因子，这个比例因子既要反映2个指数在综合损伤指数中所占比重，又要使2个指数位于同一个数量级。综合损伤指数计算中，将比例因子与机磁阻抗法得到的损伤指数相乘，使2个指标等比例缩放。比例因子k的表达式为：

式中：digw(i)为超声导波各路径上的损伤指数；ngw为超声导波传播路径的个数；diemi(j)为机磁阻抗各节点处的损伤指数；nemi为机磁阻抗检测节点的个数。

c23、设digw(1)、digw(2)、…为超声导波各传播路径上的损伤指数，diemi(1)、diemi(2)、diemi(3)、…为机磁阻抗各检测节点处的损伤指数，di1-1、di1-2、di2-1、di2-2、…为综合损伤指数。则综合损伤指数的计算公式为：

di1-1＝digw(1)+kdiemi(1)

di1-2＝digw(1)+kdiemi(2)(9)

di2-1＝digw(2)+kdiemi(1)

c24、将得到的综合损伤指数结合频率和节点，绘出三维柱形图，通过比较不同频率、不同节点处综合损伤指数的大小，即实现损伤的类型、程度识别。综合损伤指数的变化范围为0到1，损伤类型、程度不同，得出的损伤指数变化区域也不相同，以此数据的差异定性地识别缺陷。

与现有技术比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出了使用基于磁致伸缩效应的电磁超声换能器，并且将超声导波和机磁阻抗技术融合一起进行结构健康检测的新方法。电磁超声换能器(electromagneticacoustictransducer，简称emat)作为一种可以在导电、导磁材料中激发和接收lamb波的非接触性超声换能器，其声场源产生在待测试件内部。此外，与传统超声换能器相比，emat可以方便地激发多种类型的超声导波，如表面波、lamb波、sh波等，还具有体积小、用途多、适应复杂环境能力强、结构参数易于调整以及制作成本低廉等优点。

2、本发明将超声导波和机磁阻抗这两种检测方法相结合，应用于同一被测试件，对结构损伤进行了识别，正是利用了超声导波检测范围大和机磁阻抗检测局部灵敏度高的特点，实现了结构的全局和局部检测。将超声导波和机磁阻抗这两种技术结合起来进行结构健康检测，结合两种方法的优点，可以有效地实现对复杂结构不同类型损伤的检测。

3、本发明提出的复合板结构健康检测新方法，即超声导波集成机磁阻抗复合检测方法，首先使用超声导波法测量得到损伤的位置，然后使用机磁阻抗法测量得到损伤的类别、程度。再将复合板在有损和无损两种状态下的超声导波信号和机磁阻抗信号进行相关运算，并将得到的相关系数进行融合，得出一个新的损伤判别指标，以该损伤判别指标来定性识别缺陷。该复合检测方法可以有效测得损伤的位置、类型以及程度，弥补了两种方法单独测量时不能获得损伤全部信息的不足。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是本发明方法的流程图。

图3是本发明数据融合生成的三维柱形图。

图中：1、任意波形函数发生器，2、功率放大器，3、复合板，4、超声换能器，5、信号调理电路，6、数据采集卡，7、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，在本发明的检测方法中，需要一台任意波形函数发生器1、一台功率放大器2、四个基于磁致伸缩效应的超声换能器4、一个信号调理电路5、一个数据采集卡6和一台计算机7。此外，还有两个用于检测的复合板3，材料和尺寸完全相同，其中一块板作为参考标准，没有任何损伤，也没有螺钉松动等缺陷，而另一块板带有一个缺陷d1和一个松动螺钉d2。

复合板3尺寸为600mm×600mm×2mm。超声导波法的激励信号选择汉宁窗调制的5～20个周期正弦信号，其中心频率为100～300khz。机磁阻抗法的激励信号为正弦调频信号，频率扫描范围介于90～210khz。

如图2所示，其为本发明方法的流程图。先将超声换能器emat1、emat2、emat3、emat4耦合到无任何损伤的标准复合板上，按照图1所示连接好检测系统。由任意波形函数发生器1产生一组用于超声导波测量的激励信号，经功率放大器2放大以后传递给超声换能器emat1，超声换能器emat1迫使复合板3振动，然后由剩下的3个emat采集响应信号，响应信号经信号调理电路5调理以后送至数据采集卡6，然后上传到计算机7进行信号分析和处理。再由任意波形函数发生器1产生一组用于阻抗测量的激励信号，经功率放大器2放大以后传递给超声换能器emat1，超声换能器emat1迫使复合板3振动，通过超声换能器emat1采集复合板3的谐响应信号；依次分别激励剩下的三个超声换能器，采集它们单独作用时复合板3的谐响应信号；响应信号经信号调理电路5调理以后送至数据采集卡6，然后上传到计算机7进行信号分析和处理。

首先采集3条导波传播路径(a→b、a→c、a→d)上的超声导波数据和4个检测节点a、b、c、d处的机磁阻抗数据，并将这些数据作为基准保存。然后，取另一块相同材料、尺寸但带有缺陷的复合板，重复上述操作过程，采集设置缺陷后复合板的超声导波数据和机磁阻抗数据。

对采集到的超声导波数据进行初步处理，得出损伤源位置d1。

对采集到的超声导波数据和机磁阻抗数据进行相关运算，得出各自的相关系数，并由相关系数算出各自的损伤指数。对得到的损伤指数进行融合运算，得出综合损伤指数，将综合损伤指数结合频率和节点生成三维柱形图，如图3所示。

图3中，横轴表示节点，共有四个，分别为a、b、c和d；纵轴表示频率，频率变化范围为90～210khz，共分成四个频率段，分别为90～120khz、120～150khz、150～180khz和180～210khz。在频率段150～180khz，节点b和c处综合损伤指数明显偏高，说明损伤源d1距离节点b和c较其他节点近。

假设裂缝缺陷的综合损伤指数变化区间为z1～z2，孔缺陷的综合损伤指数变化区间为z3～z4，计算得出的综合损伤指数为z；若z1<z<z2，则可以判断损伤源为裂缝；若z3<z<z4，则可以判断损伤源为孔。其他类型缺陷，以此类推。

以裂缝缺陷为例，假设轻微损伤的综合指数为z1～z1′，中等损伤的综合指数为z1′～z2′，重度损伤的综合指数为z2′～z2，以z所处区间即可定性识别出损伤的程度。其他类型缺陷，以此类推。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。