专利名称：结构损伤指数映射的系统与方法
技术领域：
本发明大体涉及结构健康监测，尤其是涉及结构缺陷的检测、定位和大小评估的方法和系统。
背景技术：
在许多行业，结构健康监测变得越来越重要。变得尤其重要的ー个行业就是航空航天工业。这是因为，除其他因素外，在航空航天工业中，系统和组件的结构完整性可能导致飞行中关机、起飞中止、延误或者取消，所 有这些都可引起显著的エ业和消费者成本。ー些目前已知的结构健康监测系统使用的是各种传感器阵列。这种阵列的使用，从数十到数百个传感器不等，具有一定的缺点。例如，每个传感器ー个接ー个的安装都需要大量人工和时间。当传感器被实现为相位阵列吋，由于该阵列对传感器放置的不准确非常敏感，所以务必要确保每个传感器都在准确的位置上。而且，传感器布线相对复杂，传感器布线的长度、体积和重量很大。除上述外，已经开发了用于提供损伤映射可视化表示的各种数值方法，用于结构缺陷检测、定位和大小确定。在这些现有的数值方法中包括各种计算机断层扫描(CT)方法。目前已知的CT方法能够提供相对精确的缺陷图像，但是也相对耗时以及计算量庞大。而且，许多CT方法依赖于对监测区域的高密度覆盖。因此，在需要实时结构健康监测吋，CT方法可能没用，因为稀疏的传感器阵列通常用于此种应用。存在用于使用稀疏传感器阵列的各种数值方法。这些方法通常基于由缺陷散射的波的探測，以及用于散射的空间映射的几何方法的使用。对于相对复杂的结构，由于诸如纵梁、加强筋、边框、孔、铆钉、螺栓等各种构件的存在，确定被缺陷反射的波是极有挑战性的，其中这些构件可能是背景反射的来源。有ー种提出的数值方法没有这个缺点，其被称为RAPID算法(缺陷概率检查重建算法)。RAPID算法基于传感器/致动器对之间的直达路径内的基准信号和实际信号之间利用相关分析的信号差分评估。然而，RAPID算法也有它固有的ー些缺点。例如，它对基准信号与实际信号之间的相位同步敏感。而且，如果某些參数没有设置在最佳值，基于RAPID算法产生的图像可能包含伪像(false artifact) 0由于传感器/致动器对之间的直达路径网络提供的非均匀覆盖，也可能导致产生这些伪像。因此，需要有一种没有上述缺点的系统和方法来实时检测、定位和评估结构缺陷大小。也就是说，不依赖于各传感器的精确定位和/或不依赖于相对复杂的、长的、体积庞大的和重的传感器布线，和/或对基准信号与实际信号之间的相位同步相对不敏感，和/或如果某些參数没有设置在最佳值不会产生包含伪像的图像的系统和方法。本发明解决了这些需求中的ー个或多个。
发明内容
在一个实施例中，一种用于检测和评估结构缺陷的方法包括存储与结构相关联的基准数据。基准数据表示所感测到的发射到没有缺陷的该结构中的超声波。超声波从耦合到该结构的多个致动器发射到该结构中。利用多个传感器感测从多个致动器发射到该结构中的超声波，该多个传感器耦合到该结构，并与该致动器空间隔开，从而产生并提供传感器数据。根据基准数据与传感器数据计算信号差分系数。将计算的信号差分系数进行空间映射以检测结构中的一个或多个结构缺陷。在另一个实施例中，结构缺陷检测和评估系统包括多个第一传感器/致动器、多个第二传感器/致动器和处理器。第一传感器/致动器中每一个都适于耦合到结构，并且每一个被配置成有选择性地发射超声波到结构中。第二传感器/致动器中每一个都适于耦合到该结构，并且当耦合到该结构时，与每个第一传感器/致动器空间隔开。每个第二传感器/致动器被配置成有选择性地感测超声波并产生传感器数据，所述超声波从一个或多个第一传感器/致动器发射。处理器耦合来接收传感器数据，并配置成一旦接收到传感器数据就根据基准数据与传感器数据计算信号差分系数，该基准数据表示所感测到的发射到没有缺陷存在的该结构中的超声波，以及对计算的信号 差分系数进行空间映射，以检测该结构中的一个或多个结构缺陷。在另外一个实施例中，结构缺陷检测和评估系统包括多个第一传感器/致动器，多个第二传感器/致动器，显示装置和处理器。每个第一传感器/致动器被安装在第一柔性印刷电路上并适于耦合到结构。每个第一传感器/致动器附加地配置成有选择性地发射超声波到该结构中。每个第二传感器/致动器被安装在第二柔性印刷电路上并适于耦合到该结构。当耦合到该结构时，每个第二传感器/致动器都与每个第一传感器/致动器空间隔开，并且每个都配置成选择性地感测从一个或多个第一传感器/致动器发射的超声波，并产生传感器数据。显示装置耦合来接收图像呈现显示命令，并被配置为一旦接收到图像呈现显示命令就选择性地呈现表示图像呈现显示命令的图像。处理器耦合来接收传感器数据，并被配置为一旦接收到传感器数据就根据传感器数据和基准数据计算信号差分系数，该基准数据表示所感测到的发射到没有缺陷存在的该结构中的超声波，对信号差分系数进行空间映射，以检测结构中的一个或多个结构缺陷，根据空间映射的信号差分系数生成损伤映射，并选择性地产生表示损伤映射的图像呈现显示命令。进一步，通过下面的详细描述和所附权利要求，结合附图和前面的背景技术，该结构损伤指数映射系统和方法的其它期望特征和特点将更明显。
本发明将结合下面的附图来描述，这里相同的附图标记表示相同的元素，其中图I描绘的是结构缺陷检测和评估系统的示例实施例的功能框图；图2描绘的是可用于实现图I的系统的剪切压电传感器/致动器的一个实施例；图3是耦合到结构的图2的示例传感器/致动器的简化的截面图。图4描绘的是图2的传感器/致动器安装在其上的基板的一部分的简化的截面图；图5描绘的是多个传感器/致动器以线性阵列分布在其上的柔性印刷电路的一个实施例；图6描绘的是多个传感器/致动器以5x5矩阵型阵列分布在其上的柔性印刷电路的一个实施例；
图7以流程图的形式描绘了由图I的系统执行来检测结构中是否存在ー个或多个结构缺陷的过程。图8描绘的是示例损伤映射的图像，其可由图I的系统产生，并呈现在形成图I的系统的部分的显示装置上；图9描绘的是图I的系统执行来用于自动热点监测的特定过程示意表示；图10和图11描绘的是人工神经网络拓扑的不同实施例；图12描绘的是图I的系统执行来用于自动多缺陷监测的特定过程示意表示；图13描绘的是图I的系统执行的特定 主分量分析(PCA)和图像分割过程的示意表示；以及图14描绘的是ー个用于图13中PCA过程的输入矩阵。
具体实施例方式以下详细描述实际上仅仅是示例性的，并不意欲限制本发明或本发明的应用及使用。此处所用的词语“示例”意思是“作为ー个例子、实例或例证”。因而这里所说的“示例”的任何实施例都不必认为比其它实施例更优选或更有利。这里所描述的所有实施例都是示例性实施例，用来使本领域的技术人员能够实施或使用本发明，而不限制权利要求所限定的本发明的范围。而且不受之前所述的技术领域、背景技术、发明内容或下述具体描述中明示或暗示的理论所约束。首先參考图1，示出了结构缺陷检测和评估系统的ー个实施例的功能框图。所示系统100包含多个第一传感器/致动器102 (102-1，102-2，102-3. . ，102-N)，多个第二传感器/致动器104(104-1，104-2，104-3. . ，104-N)，处理器106，以及显示装置108。第一传感器/致动器102和第二传感器/致动器104适于耦合到结构110。如图I进ー步示出的，当第一和第二传感器/致动器102、104确实耦合到结构110吋，多个第一传感器/致动器102中的每ー个与多个第二传感器/致动器104中的每ー个优选地空间隔开(spacedapart)。每个第一和第二传感器/致动器102、104都被配置成有选择性地发射超声波到结构110中。第一和第二传感器/致动器102、104附加地也被配置成有选择性地感测从第一或第二传感器/致动器102、104中的ー个或多个发射的超声波，并产生表不所述超声波的传感器数据。在所述的实施例中，第一和第二传感器/致动器102、104被配置成发射和感测超声兰姆(Lamb)波。然而，值得一提的是，这仅仅是ー个特定实施例的示例，也可使用其他类型的超声波。可采用各种方式配置和实现第一和第二传感器/致动器102、104以提供上述功能。现在将更为详细地描述ー个实施例，在该实施例中，第一和第二传感器/致动器102、104每个使用剪切压电传感器/致动器实现。然而值得ー提的是，也可使用各种其他类型的能够展示出相对于结构110表面正常位移的致动器。现在看图2所示的剪切压电传感器/致动器200的ー个示例实施例。所示的剪切压电传感器/致动器200是剪切板压电陶瓷传感器/致动器，更详细的，是剪切板锆钛酸铅(PZT)传感器/致动器。图2中示出的特定剪切板传感器/致动器200由丹麦Noliac A/S制造。对于这种特定类型的剪切板传感器/致动器200，操作方向由削角(chamfer) 202、204标示。更具体地讲，如果向电极206、208中的任何ー个提供正电压，那么这个电极206、208就会向削边(chamfered edge)发生相对位移。所描述的传感器/致动器200还产生对称(S模式)兰姆波，其优于非对称(A模式)兰姆波。并且已确定了 S模式兰姆波对预期类型的缺陷性能更优并且更为灵敏。此外，在至少一个实施例中所采用的信号测量的频段(例如100-700kHz)中，S模式兰姆波与相应的A模式兰姆波相比，发散更少，传播速度更快。第一和第二传感器/致动器102、104可单独耦合到结构110，也可通过共同基板集体与之稱合。对任一种实施例，第一和第二传感器/致动器102、104都与结构100电气绝缘。如图3所示，通过在每个传感器/致动器102、104和结构110之间设置-并且如需要或希望还可在每个传感器/致动器102、104的上面设置-合适的电绝缘体302 (比如非活性的陶瓷板或聚酰亚胺膜绝缘体)实现。就如上面所提到的，传感器/致动器102、104单独耦合到结构110需要大量人工和时间。此外 ，如图I所示的实施例，当传感器/致动器102、104以阵列方式实现时，必须确保每个传感器/致动器102、104的位置精确，而且传感器/致动器102、104的布线相对复杂，还有大的长度、体积和重量。因此在一特定实施例中，第一传感器/致动器102被安装在一个共同基板上，第二传感器/致动器104被安装在另一共同基板上。然后这些基板耦合到结构110，现在来说明其实现的这种方式。现在转向图4，其示出了基板402的一部分的简化截面图，该基板上安装了单个的传感器/致动器102、104。尽管基板类型会有所不同，但在该实施例中基板402使用的是柔性印刷电路(FPC)带实现。示出的FPC带402包括了柔性塑料404 (如聚酰亚胺、聚醚醚酮或透明导电聚酯)和导电箔406 (如铜、电路迹线)的层。FPC带402提供了结构110和每个传感器/致动器102、104之间良好的机械接触，到每个传感器/致动器102、104的相对简单的电气连接，并且对处理与安装是足够的鲁棒。尽管图中没有绘出，聚酰亚胺盖层或阻焊盖层也可提供来保护部分FPC带402免受环境侵蚀。每个传感器/致动器102、104可通过合适的涂层(如漆)来附加地被保护。此外，任何可能暴露在周围环境下的导电箔406都可镀有金，以提供附加的防腐蚀保护，并采用导电环氧树脂或焊料来改善导电性，其中任何一种都可被用于电气连接传感器/致动器102、104与FPC带402。FPC带402可通过筛选/屏蔽电缆和/或各种合适的连接器与外部设备(如图I中的处理器106)电气连接。每个FPC带402上所设置的传感器/致动器102、104的数量可能会有所不同。而且，每个FPC带402上的传感器/致动器102、104的布局也会有所不同。例如，在每个FPC带402上，多个传感器/致动器102、104可以排列成线性阵列或N*M的矩阵型阵列。图5示出的示例实施例中，FPC带402上多个传感器/致动器102、104以线性阵列排列，而在图6示出的另一示例实施例中，FPC带402上多个专感器/致动器102、104则是以5*5矩阵型阵列排列的。值得一提的是，在每个示出的实施例中，电路迹线的布置也有所不同，比如这取决于所使用的传感器/致动器的类型和/或大小，并且这些仅是示例。另外值得一提的是，每个传感器/致动器102、104之间的间距也是不一样的。此外，5*5矩阵型阵列也只是示例，还可使用很多其他维度矩阵实现。现在再回到图1，处理器106被耦合来接收来自第一和第二传感器/致动器102、104的传感器数据，并配置为一旦接收到传感器数据就检测在结构110中是否存在一个或多个结构缺陷。处理器106附加地配置来选择性地激励每个第一和第二传感器/致动器102、104，优选一次一个。例如，图I的实施例中，处理器106激励每个第一传感器/致动器102，毎次ー个，并接收每个第二传感器/致动器104响应超声波产生的传感器数据，所述超声波是每个第一传感器/致动器102单独发射到结构110中的。接着处理器106激励每个第二传感器/致动器104，毎次ー个，并接收每个第一传感器/致动器102响应超声波产生的传感器数据，所述超声波是每个第二传感器/致动器104单独发射到结构110中的。可采用各种方式配置和实现处理器106以执行上述的每个功能以及下面将描述的附加功能。在所述实施例中，处理器106配置来实现波形产生器112，放大器114，开关116，模拟数字(A/D)转换器118，以及各种处理和控制功能122。值得ー提的是，波形产生器112、放大器114、开关116、A/D转换器118以及各种处理和控制功能122中的一个或多个可通过使用単独的信号处理电路和/或装置来实现。作为替换，这些功能中ー个或多个也可作为单个处理装置(如通用处理器或微 处理器)的部分来实现。不管每个上述功能是如何实现的，波形产生器112配置来产生传感器/致动器激励信号113，该信号提供给放大器114以进行合适的放大和滤波。放大和滤波的激励信号115提供给开关116，该开关与与处理和控制功能122以及每个第一和第二传感器/致动器102、104耦合。在处理和控制功能122的控制下，开关116选择性地向第一或第二传感器/致动器102、104中的每ー个提供放大和滤波的激励信号115，每次ー个。开关附加地接收来自于第一和第二传感器/致动器102、104中的每ー个的模拟传感器信号117，井向A/D转换器118提供模拟传感器信号117。A/D转换器118将模拟传感器信号117转换成数字传感器数据119，该数据提供给处理和控制功能122。处理和控制功能122，除了控制开关116，还处理传感器数据119以检测结构110中是否存在ー个或多个结构缺陷，并至少有选择性地向显示装置118提供图像呈现显示(image rendering display)命令。为了检测结构110中是否存在ー个或多个结构缺陷,处理和控制功能122配置来执行过程。现在就说明在图7中流程图形式的这个过程700。这样做时，应指出的是，在下面的说明中，括号中的參考标记指的是图7中同样的參考数字。过程700包括基于基准数据并基于从每个传感器/致动器102、104提供的传感器数据计算信号差分系数(SDC)的步骤(702)。基准数据表示当超声波发射到没有缺陷存在的结构110中时产生的传感器数据。要指出的是基准数据可存储在存储器124中(见图I)。在所述的实施例中，存储器124是处理器106的处理和控制功能122部分的一部分，但是在其它实施例中，它可以是众多合适的外部存储器储存装置中的任何ー个。将所计算的SDC(在这里还可以称作损伤指数(Di))进行空间映射以检测结构110中的ー个或多个结构缺陷(704)。损伤映射根据空间映射的SDC产生(706)，并且至少选择性的产生表示损伤映射的图像呈现显示命令(708)。处理器106执行这些过程步骤中每ー步的具体方式可能有所不同，但是在特定实施例中，处理器106配置来执行的过程700在这里称为WEMAT，其代表采用三角測量(Triangulation)的信号差分系数的加权空间映射。即将更详细进行描述的该过程700，克服了现有已知过程的缺点，因为它采用了更鲁棒的SDC计算，其减轻了基准信号和实际信号同步的影响。过程700还采用不同的模型对SDC进行空间映射，其减小对各种參数的灵敏度并减轻了所监测区域的非均匀覆盖的影响。处理器106配置来执行的SDC计算(702)采用下式(I)
权利要求
1.一种用于检测和评估结构缺陷的方法，包括步骤 存储与结构相关联的基准数据，该基准数据表示感测到的发射到没有缺陷的该结构中的超声波； 从耦合到该结构的多个致动器发射超声波到该结构中； 利用耦合到该结构并与致动器空间隔开的多个传感器，感测从该多个致动器发射到该结构中的超声波，从而产生并且提供传感器数据； 根据该基准数据和该传感器数据计算信号差分系数；以及 空间映射所计算的信号差分系数以检测该结构中的一个或多个结构缺陷。
2.根据权利要求I所述的方法，进一步包括根据该空间映射的信号差分系数生成损伤映射。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括呈现表示该损伤映射的图像。
4.根据权利要求I所述的方法，其中该信号差分系数(SDC)利用下式计算
5.根据权利要求4所述的方法，其中利用基函数对该SDC进行空间映射，该基函数利用下式定义 Bwij (x, y) = Bij (χ,y) 其中
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括利用下式生成损伤映射 D(x,}) = f (I - SDCij )Bwij (x, y)， 其中D(x, y)是在空间坐标(χ, y)处的损伤指数。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括呈现表示该损伤映射的图像。
8.根据权利要求I所述的方法，其中 该多个致动器中的每一个被配置为选择性的用作传感器；该多个传感器中的每一个被配置为选择性的用作致动器，以及 该方法进一步包括 选择性的配置每个传感器用作致动器并从其发射超声波； 选择性的配置每个致动器用作传感器并用其感测超声波。
9.根据权利要求I所述的方法，进一步包括 将每个致动器安装在第一柔性印刷电路上； 将每个传感器安装在第二柔性印刷电路上；以及 将该第一和第二印刷电路耦合到该结构。
10.一种结构缺陷检测和评估系统，包括 适于耦合到结构的多个第一传感器/致动器，每个第一传感器/致动器配置为选择性的发送超声波到该结构中； 适于耦合到该结构的多个第二传感器/致动器，以及当耦合到该结构时，与每个该第一传感器/致动器空间隔开，每个第二传感器/致动器配置为选择性的感测从一个或多个该第一传感器/致动器发射的超声波并产生传感器数据；以及 耦合来接收该传感器数据的处理器，其配置为一旦接收到该传感器数据，就 根据该传感器数据和基准数据计算信号差分系数，该基准数据表示所感测到的发射到没有缺陷存在的该结构中的超声波，以及 空间映射所计算的信号差分系数以检测该结构中的一个或多个结构缺陷。
全文摘要
提供了一种检测和评估结构缺陷的系统和方法。存储的基准数据表示感测到的发射到无缺陷结构中的超声波。由多个耦合到该结构的致动器向该结构发射超声波。由该多个致动器向该结构发射的该超声波信号被多个传感器感测到，该传感器耦合到该结构并与该致动器空间隔开，从而产生和提供传感器数据。根据基准数据和传感器数据计算信号差分系数。将计算的信号差分系数空间映射以检测该结构内的一个或多个结构缺陷。
文档编号G01N29/44GK102854245SQ20121027870
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月26日 优先权日2011年6月27日
发明者R·赫德尔, J·芬达, K·阿达梅克 申请人:霍尼韦尔国际公司