一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法与流程

本公开属于机械结构无损检测领域，具体涉及一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法。

背景技术：

双层金属复合板由两种不同的金属材料通过粘接、爆炸焊接、挤压等方法制备而成，金属材料层间紧密结合。与均质板材相比，双层金属板材充分结合了两种金属材料的性能优势，克服了单一金属材料的性能局限性，被广泛应用于国防、航空航天及各类民用领域，是金属材料应用的发展趋势。

然而，双层金属复合板在加工制造过程中，由于工艺或材料缺陷等问题，容易在材料结合面形成裂纹、分层、夹杂等缺陷。在服役过程中，金属复合板也会存在层间腐蚀、缺陷扩展等问题。这些损伤可能造成金属复合板性能下降，甚至失效。由于这些缺陷存在于结合面，肉眼无法观察，传统损伤检测手段也很难有效识别。因此，通过研究多层金属复合板结合面损伤成像方法，对多层金属结构早期损伤识别和及时维护具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本公开的目的在于提供一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法，通过利用界面波对金属复合板分层损伤进行成像，能够提高界面处各类损伤的检测效率，且无需对时域或频域检测信号进行分析，能够在较短时间内完成对金属复合板的整体损伤成像工作。

本公开的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法，包括如下步骤：

s100：将双层金属复合板的中间重合部分作为成像检测区域并在该区域四周均匀布置n个测点；

s200：对所述n个测点进行编号，根据编号顺序依次选取测点作为激励测点激励产生第一表面波进入所述成像检测区域并转化为界面波，其余测点作为接收测点根据编号顺序依次接收由所述界面波离开所述成像检测区域后转化形成的第二表面波；

s300：将所述第二表面波转换为电信号并记录保存为检测信号；

s400：重复执行步骤s200和步骤s300，直至所述n个测点均已激励产生第一表面波和接收第二表面波并产生n组检测信号；

s500：根据测点的编号顺序对所述n组检测信号进行编号；

s600：基于所述n组已编号的检测信号，利用椭圆定位法绘制所述成像检测区域内的损伤图像。

优选的，步骤s600包括：

s601：将成像检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应损伤图像中的一个像素点；

s602：根据每组检测信号的编号顺序确定每组检测信号所对应的激励测点和接收测点的位置，并根据所述激励测点和接收测点的位置确定每组检测信号在成像检测区域中的传播范围；

s603：根据每组检测信号在成像检测区域中的传播范围计算位于所述传播范围内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的rgb颜色；

s604：根据所述像素点对应的rgb颜色绘制损伤成像图。

优选的，步骤s603中，所述传播范围内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：

其中，i(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ri为第i个检测信号的时域幅值信息；ti(x，y)为i个检测信号所对应的表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间；qi(x，y)为第i个检测信号的传播范围，在数据上体现为每一个像素点的权值，且0≤qi(x，y)≤1，界面波在该像素点强度越小，qi(x，y)越趋近0，强度越大，qi(x，y)越趋近1。

优选的，所述表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间ti(x，y)通过下式计算：

其中，分别为第i个检测信号对应的激励测点的横坐标和纵坐标；分别为第i个检测信号对应的接收测点的横坐标和纵坐标；v为双层金属复合板界面的界面波波速。

优选的，通过传感器将所述第二表面波转换为电信号。

本公开还提供一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像系统，包括：

测点布置模块，用于将双层金属复合板的中间重合部分作为成像检测区域并在该区域四周均匀布置n个测点；

表面波激励和接收模块，用于对所述测点布置装置布置的所述n个测点进行编号，根据编号顺序依次选取测点作为激励测点激励产生第一表面波进入所述成像检测区域并转化为界面波，其余测点作为接收测点根据编号顺序依次接收由所述界面波离开所述成像检测区域后转化形成的第二表面波；

转换记录模块，用于将所述表面波激励和接收模块中的第二表面波转换为电信号并记录保存为检测信号；

确认模块，用于确认所述表面波激励和接收模块和所述转换记录模块重复作用后，所述n个测点均已激励产生第一表面波和接收第二表面波并产生n组检测信号；

检测信号编号模块，用于根据测点的编号顺序对所述n组检测信号进行标号；

损伤成像模块，用于基于所述n组已编号的检测信号，利用椭圆定位法绘制所述成像检测区域内的损伤图像。

优选的，所述损伤成像模块包括：

划分单元，用于成像检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应损伤图像中的一个像素点；

传播范围确定单元，用于根据每组检测信号的编号顺序确定每组检测信号所对应的激励测点和接收测点的位置，并根据所述激励测点和接收测点的位置确定每组检测信号在成像检测区域中的传播范围；

像素值计算单元，用于根据每组检测信号在成像检测区域中的传播范围计算位于所述传播范围内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所述像素点对应的rgb颜色；

绘制单元，用于根据所述像素点对应的rgb颜色绘制损伤成像图。

优选的，所述像素值计算单元中，所述传播范围内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：

其中，i(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ri为第i个检测信号的时域幅值信息；ti(x，y)为i个检测信号所对应的表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间；qi(x，y)为第i个检测信号的传播范围，在数据上体现为每一个像素点的权值，且0≤qi(x，y)≤1，界面波在该像素点强度越小，qi(x，y)越趋近0，强度越大，qi(x，y)越趋近1。

优选的，所述表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间ti(x，y)通过下式计算：

其中，分别为第i个检测信号对应的激励测点的横坐标和纵坐标；分别为第i个检测信号对应的接收测点的横坐标和纵坐标；v为双层金属复合板界面的界面波波速。

本公开还提供一种用于激励产生界面波的装置，包括：

若干表面波探头，所述表面波探头的信号输入端通过第一高频同轴开关依次与功率放大器、信号发生器及微型计算机的信号输出端相连，所述微型计算机控制信号发生器发送脉冲信号经功率放大器放大后传输到表面波探头激励产生第一表面波并转化为界面波，

所述表面波探头的信号输出端通过第二高频同轴开关与信号接收器及微型计算机的信号输入端相连，表面波探头接收由界面波转化的第二表面波并经信号接收器转化为检测信号后输入微型计算机；

高频同轴开关控制器，所述高频同轴开关控制器的第一输入端与微型计算机相连，第二输入端与信号发生器相连，输出端分别与所述第一高频同轴开关和所述第二高频同轴开关相连。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、基于界面波传播过程中不发生频散的特性能够提高金属复合板分层损伤检测的有效性；

2、直接根据界面波的幅值信息判断是否存在损伤及损伤位置；

3、直接对金属复合板分层损伤进行成像，无需技术人员对时域或频域检测信号进行分析，节约人工成本。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法流程图；

图2是本公开一个实施例提供的表面波探头分布俯视图；

图3是本公开一个实施例提供的表面波探头分布前视图；

图4是本公开一个实施例提供的利用椭圆定位绘制损伤图像的方法流程图；

图5是本公开一个实施例提供的利用椭圆定位法绘制某一检测信号对应范围内的损伤图像的示意图；

图6是本公开一个实施例提供的检测信号的时域幅值信息示意图；

图7(a)-图7(b)是本公开一个实施例提供的成像结果图及其对应的实际损伤图；

图8是本公开一个实施例提供的用于激励界面波的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开的技术方案进行详细说明。

参见图1，一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像方法，包括如下步骤：

s100：将双层金属复合板的中间重合部分作为成像检测区域并在该区域周边均匀布置n个测点；

s200：对所述n个测点进行编号，根据编号顺序依次选取测点作为激励测点激励产生第一表面波进入所述成像检测区域并转化为界面波，其余测点作为接收测点根据编号顺序依次接收由所述界面波离开所述成像检测区域后转化形成的第二表面波；

s300：将所述第二表面波转换为电信号并记录保存为检测信号；

s400：重复执行步骤s200和步骤s300，直至所述n个测点均已激励产生第一表面波和接收第二表面波并产生n组检测信号；

s500：根据测点的编号顺序对所述n组检测信号进行编号；

s600：基于所述n组已编号的检测信号，利用椭圆定位法绘制所述成像检测区域内的损伤图像。

上述实施例中，激励测点激励产生的表面波传播至金属复合板重合界面时转换形成界面波，界面波在金属复合板重合界面传播时不发生频散，能量集中于界面，对界面处的各类损伤具有极高的敏感性，因此，利用界面波能够提高分层损伤检测的有效性；另一方面，由于界面波在金属复合板中的模式数量很少，信号处理方便，其幅值信息可以直接作为判断损伤是否存在及损伤位置的依据，无需工程技术人员对时域或频域检测信号进行分析，极大节约了人工成本。

下面结合图2、图3对图1所示的损伤成像方法进行示例性说明。具体的，如图2、图3所示：下层铝合金板1的尺寸为300*300*8mm，上层不锈钢板2的尺寸为200*200*8mm，在不锈钢板上人为铣削出的分层损伤形貌，为深度0.5mm的凹坑3。两金属板之间使用ab胶粘结，沿两金属板重合部分周围布置16个测点，每个测点设有表面波探头4，表面波探头4通过超声波耦合剂与下层铝合金板1上表面结合。将表面波探头4顺序编为1至16号，先通过1号表面波探头激励产生表面波，2至16号表面波探头依次接收该表面波，产生15个检测信号；接着通过2号表面波探头激励产生表面波，1号、3至16号测表面波探头依次接收该表面波，产生新的15个检测信号，检测信号的组数为n＝16，检测信号总个数为n＝16*15＝240个。需要说明的是，所述表面波探头只能向表面一定扇形范围(主瓣)内激励或接收表面波信号，扇形范围由实验获取，或由表面波探头制造商提供。

另一个实施例中，参见图4，所述步骤s600包括：

s601：将成像检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应损伤图像中的一个像素点；

s602：根据每组检测信号的编号顺序确定每组检测信号所对应的激励测点和接收测点的位置，并根据所述激励测点和接收测点的位置确定每组检测信号在成像检测区域中的传播范围；

s603：根据每组检测信号在成像检测区域中的传播范围计算位于所述传播范围内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的rgb颜色；

s604：根据所述像素点对应的rgb颜色绘制损伤成像图。

该实施例中，对像素点幅值进行归一化处理和插值处理后，可得到像素值与rgb颜色的对应关系，下面通过表1对上述对应关系进行示例性说明：

表1

表1中，首先对像素点幅值进行归一化处理，即用所有像素点的像素值除以所有像素点的像素值中的最大值，使得所有像素点的像素值处于[0，1]的区间，若某像素点的像素值处于某两个像素点的像素值之间，则当做插值处理。

进一步的，下面结合图5对通过采用椭圆定位法绘制成像检测区域内分层损伤图像进行示例性说明，具体的，如图5所示：表面波探头4(1)激励产生第一表面波进入两金属板界面转化为界面波，界面波遇到分层损伤3发生反射和散射后离开金属板界面并转化为第二表面波，其中，一部分第二表面波被表面波探头4(2)捕捉到，且被捕捉到的第二表面波的波峰距离表面波探头4(1)和表面波探头4(2)的总时间一定，在图5中表现为虚线所示的椭圆。

需要说明的是，表面波探头只能向界面一定扇形范围(主瓣)内激励或接收表面波信号，即为探头激励、接收范围(图5中所示梯形阴影区域)。表面波探头4(1)和表面波探头4(2)的激励、接收范围重合部分(图5中梯形阴影区域重合部分)即为表面波的传播范围，由图5所示，能够判断该分层损伤边界为阴影重合部分范围内的椭圆弧(即图5中梯形阴影区域粗虚线椭圆弧)。

另一个实施例中，步骤s503中，所述传播范围内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：

其中，i(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ri为第i个检测信号的时域幅值信息；ti(x，y)为i个检测信号所对应的表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间；qi(x，y)为第i个检测信号的传播范围，在数据上体现为每一个像素点的权值，且0≤qi(x，y)≤1，界面波在该像素点强度越小，qi(x，y)越趋近0，强度越大，qi(x，y)越趋近1。

该实施例中，当界面波遇到损伤或材料边界时，会发生反射、散射，这一变化在接收测点接收到的检测信号的时域幅值信息上表现为一个波峰，如图6所示，波峰即为界面波在分层损伤处发生反射和散射所致。同时，由于界面波的传播速度几乎不变，因此，检测信号的时间信息可以线性转换为距离信息x＝v·t，式中：x为检测信号的距离信息，v为双层金属复合板界面的界面波波速，t为检测信号的时间信息。

需要说明的是，上式中的qi(x，y)在图5中的具体表现为：在图5中阴影重合部分的中心，qi(x，y)值为1，越远离该中心，则qi(x，y)值越小，在阴影重合部分的边缘，qi(x，y)值变为0。

进一步需要说明的是，上述将检测信号的时间信息线性转换为距离信息是利用检测信号时域幅值信息绘制损伤图像的基础。

另一个实施例中，所述表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间ti(x，y)通过下式计算：

其中，分别为第i个检测信号对应的激励测点的横坐标和纵坐标；分别为第i个检测信号对应的接收测点的横坐标和纵坐标；v为双层金属复合板界面的界面波波速。

图7(a)、图7(b)是根据本公开所述技术方案得到的损伤成像图与实际损伤图，其中，图7(a)为损伤成像图，图7(b)为实际损伤图。图7(a)中，每个像素点的像素值越大，则像素点的颜色越亮，越趋近黄色；像素值越小，像素点颜色越暗，越趋近蓝色。通过图7(a)与图7(b)对比可知，利用本公开所述技术方案进行检测的结果与实际损伤形貌及损伤位置基本吻合。

另一个实施例中，步骤s200中，通过传感器将所述第二表面波转换为电信号。

该实施例中，由于表面波是一种机械信号，因此需要经过传感器转化为电信号后才能进行计算分析。

另一个实施例中，本公开还提供一种基于界面波的双层金属复合板的分层损伤成像系统，包括：

测点布置模块，用于将双层金属复合板的中间重合部分作为成像检测区域并在该区域四周均匀布置n个测点；

表面波激励和接收模块，用于对所述测点布置装置布置的所述n个测点进行编号，根据编号顺序依次选取测点作为激励测点激励产生第一表面波进入所述成像检测区域并转化为界面波，其余测点作为接收测点根据编号顺序依次接收由所述界面波离开所述成像检测区域后转化形成的第二表面波；

转换记录模块，用于将所述表面波激励和接收模块中的第二表面波转换为电信号并记录保存为检测信号；

确认模块，用于确认所述表面波激励和接收模块和所述转换记录模块重复作用后，所述n个测点均已激励产生第一表面波和接收第二表面波并产生n组检测信号；

检测信号编号模块，用于根据测点的编号顺序对所述n组检测信号进行标号；

损伤成像模块，用于基于所述n组已编号的检测信号，利用椭圆定位法绘制所述成像检测区域内的损伤图像。

另一个实施例中，所述损伤成像模块包括：

划分单元，用于成像检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应损伤图像中的一个像素点；

传播范围确定单元，用于根据每组检测信号的编号顺序确定每组检测信号所对应的激励测点和接收测点的位置，并根据所述激励测点和接收测点的位置确定每组检测信号在成像检测区域中的传播范围；

像素值计算单元，用于根据每组检测信号在成像检测区域中的传播范围计算位于所述传播范围内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所述像素点对应的rgb颜色；

绘制单元，用于根据所述像素点对应的rgb颜色绘制损伤成像图。

另一个实施例中，所述像素值计算单元中，所述传播范围内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：

其中，i(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ri为第i个检测信号的时域幅值信息；ti(x，y)为i个检测信号所对应的表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间；qi(x，y)为第i个检测信号的传播范围，在数据上体现为每一个像素点的权值，且0≤qi(x，y)≤1，界面波在该像素点强度越小，qi(x，y)越趋近0，强度越大，qi(x，y)越趋近1。

另一个实施例中，所述表面波由激励测点发出，经过坐标为x、y的像素点到达接收测点的时间ti(x，y)通过下式计算：

其中，分别为第i个检测信号对应的激励测点的横坐标和纵坐标；分别为第i个检测信号对应的接收测点的横坐标和纵坐标；v为双层金属复合板界面的界面波波速。

另一个实施例中，如图8所示，本公开还提供一种用于激励产生界面波的装置，包括：若干表面波探头4，所述表面波探头4的信号输入端通过第一高频同轴开关5-1依次与功率放大器6、信号发生器7及微型计算机8的信号输出端相连，微型计算机8控制信号发生器7发送脉冲信号经功率放大器6放大后传输到表面波探头4激励产生第一表面波；所述表面波探头4的信号输出端通过第二高频同轴开关5-2与信号接收器9及微型计算机8的信号输入端相连，表面波探头4接收由界面波转化的第二表面波经信号接收器9转化为检测信号后输入微型计算机8；高频同轴开关控制器10，所述高频同轴开关控制器10的第一输入端与微型计算机8相连，第二输入端与信号发生器7相连，输出端分别与所述第一高频同轴开关5-1和所述第二高频同轴开关5-2相连。

本实施例中，微型计算机8控制信号发生器7产生脉冲信号，由于该脉冲信号功率过低，因此需要功率放大器6对该脉冲信号进行放大，放大后的脉冲信号经第一高频同轴开关5-1作用于已经按顺序编号的表面波探头4激励产生第一表面波，第一表面波进入金属复合板的重合部分后转化为界面波，该界面波离开金属复合板的重合部分后又转化为第二表面波，所述第二表面波经表面波探头接收后经第二高频同轴开关5-2传输至信号接收器9，信号接收器9将第二表面波转换为电信号并记录保存为检测信号后传输至微型计算机8，微型计算机8自动根据表面波探头4的编号顺序对所述检测信号进行编号，并基于该检测信号绘制金属复合板重合部分的损伤图像。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。