一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法：包括以下步骤：在待测结构一待测点处设置Lamb波激励装置；通过函数发生器与功率放大器激发窄带信号，将该窄带信号的带宽范围控制在低于设定的A1模态截止频率的频段，将激发的窄带信号加载到移动式探头上，在待测结构上产生频率值小于A1模态截止频率的单一A0模态Lamb波，移动式探头接收Lamb波信号，获取含损伤结构信息的Lamb波回波信号f；按照上述的方式依次完成待测结构上剩余待测点的信号采集，采集到单一A0模态结构响应信号fm；将采集到的响应信号fm进行信号处理获取损伤图像，对该待测结构的损伤进行位置定位，对结构的损伤的情况进行评估。
【专利说明】—种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构无损检测方法，具体涉及单一 A0模态导波与传统无损检测技术相结合的快速检测方法，尤其涉及一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法。
【背景技术】
[0002]应用于工程的金属或复合材料结构要承受复杂、长时间的疲劳载荷、意外冲击载荷等作用，容易产生不易被观察的损伤，因而发展相关的结构无损检测技术一直备受重视。现有的结构损伤检测技术，包括剪切散斑干涉，红外热成像，涡流，超声波，声发射等技术，在结构无损检测中能发挥一定的作用，但大部分技术仅能单点检测，需要在结构上进行遍历搜索，特别是对大面积结构检测时往往费时费力。
[0003]针对大面积板状结构，基于导波(板、壳结构中通常称为Lamb波)的检测技术成为近年的研究热点，其良好的传播特性大大提高了检测效率。目前，绝大多数的Lamb损伤监测方法均采用粘接式或嵌入式传感器激励接收Lamb波，以健康信号作为基准信号，用当前状态的响应信号与基准信号相减，得到的散射信号对结构损伤状况进行评估。然而真实环境下，采集健康信号时，结构中可能已经存在损伤，而且当前响应信号与健康信号的采集间隔时间中，结构的内外部条件，如环境温湿度、外部振动，传感器老化以及结构边界条件等，难免会发生变化，通常会导致提取的散射信号不能反应结构的损伤情况，造成错诊漏诊。
[0004]现有技术中对结构的损伤检测方法大多存在以下问题:Lamb波存在对称模态与非对称模态，现有技术多采用窄带频率控制模态，但依然很难完全抑制，造成损伤检测的困难；Lamb波与损伤作用复杂，通过信号很难对损伤的形状、类型等细节进行准确评价；感器位置固定，需要大量传感器以覆盖整个待测结构，而且粘接界面与传感器寿命低于结构寿命，损坏后不能及时替换。
【发明内容】
[0005]根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法:该方法采用基于Lamb波的损伤检测方法对大面积结构的损伤进行定位，再通过无损单点检测技术对损伤状况进行评估，包括以下步骤:
[0006]S1:在待测结构上建立直角坐标系，选定多个待测点；
[0007]S2:在一待测点处设置具有移动式探头的Lamb波激励装置；
[0008]S3:采用函数发生器与功率放大器激发窄带信号，将该窄带信号的带宽范围控制在低于设定的A1模态截止频率的频段，将激发的窄带信号加载到移动式探头上，在待测结构上产生频率值小于A1模态截止频率的单一 A0模态Lamb波，移动式探头接收Lamb波信号，获取含损伤结构信息的Lamb波回波信号；
[0009]S4:按照S2、S3的方式依次完成待测结构上剩余待测点的信号采集，采集到单一A0模态结构响应信号fm ；
[0010]S5:将采集到的响应信号fm进行信号处理获取损伤图像，对该待测结构的损伤进行位置定位，对结构的损伤的情况进行评估。
[0011]所述Lamb波激励装置包括移动式探头，所述移动式探头的端部连接有多个压电晶片，所述压电晶片上连接有剪切效应抑制层，所述移动式探头通过剪切效应抑制层与待测结构相连接。
[0012]所述剪切效应抑制层抑制移动式探头对待测结构的剪切效应，抑制对称模态Lamb波，激励单一的Atl模态Lamb波。
[0013]所述剪切效应抑制层是由润滑脂、润滑剂或润滑油构成的润滑界面。
[0014]由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法，采用基于Lamb波的损伤检测方法对大面积结构上的损伤进行定位,再通过无损单点检测技术(如超声、红外等)对损伤的详细状况(形状，类型，严重程度等)进行评估。具有以下有益效果:
[0015]1、本发明公开的损伤检测方法通过导波的大面积结构检测能力提高了传统单点无损检测的检测效率，通过传统单点检测技术提高了损伤的检测精度，弥补了导波损伤检测中不能得到详细损伤信息的缺点。
[0016]2、本发明公开的损伤检测方法中应用Lamb波激励装置，采用该装置的移动式探头对待测结构进行整体检测，提高了检测的灵活性和机动性，并降低了对检测设备的要求。
[0017]3、本发明公开的损伤检测方法提出了单一 A0模态Lamb波激励、接收方法，避免了Lamb波多模态的干扰，大大提高了导波损伤监测的能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本发明中Lamb波激励装置结构示意图；
[0020]图2为本发明中移动式探头激励Lamb波的示意图；
[0021]图3为本发明中采集到的单一 Atl模态Lamb波信号处理示意图；
[0022]图4为本发明实施例中的检测点分布与损伤设置示意图；
[0023]图5为本发明实施例中损伤检测诊断结果。
[0024]图中:1.移动式探头；2.压电晶片；3.剪切效应抑制层；4.待测结构表面；5.损伤处；图3(a)为采集到的Atl模态Lamb波响应信号(归一化)的示意图，图3 (b)为提取的A0模态Iamb波损伤散射信号的示意图，图3 (c)为提取的Atl模态Iamb波损伤散射信号能量包络示意图；6.为采集到的激励信号；7.为提取的Atl模态损伤散射信号；8.为边界反射信号，9.为激励信号截止时间，10.为最近边界回波到达时间。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
[0026]本发明公开了一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法,采用基于Lamb波的损伤检测/监测方法对大面积结构上的损伤进行定位，再通过传统无损单点检测技术(如超声、红外等)对损伤的详细状况(形状，类型，严重程度等)进行评估
[0027]包括以下步骤:
[0028]S1:首先在待测结构上建立直角坐标系，然后在该结构上选取多个待测点；可以选定N个检测点,分别用m(m = 1~N)表示；
[0029]S2:在一待测点处设置具有移动式探头的Lamb波激励装置；可以在m (m = I开始)开始检测；
[0030]S3:在该待测点处通过函数发生器和功率放大器激发窄带信号，将激发的窄带信号的带宽范围控制在低于设定的Al模态截止频率的频段，将激发的窄带信号加载到移动式探头上，这时在待测结构上产生频率值小于A1模态截止频率的单一 Atl模态Lamb波，移动式探头接收Lamb波信号，获取含损伤结构信息的Lamb波回波信号H。在检测前将窄带信号的带宽范围控制在低于设定的A1模态截止频率的频段,A1模态截止频率是根据待测结构尺寸通过理论计算得到的一个频率值。因此在检测的过程中，在待测结构上只产生频率值小于A1的单一 Atl模态Lamb波。
[0031]S4:按照S2、S3的方式依次完成待测结构上剩余待测点的信号采集，采集到单一A0模态结构响应信号fm ；
[0032]S5:将采集到的响应信号fm进行信号处理获取损伤图像，对该待测结构的损伤进行位置定位，对结构的损伤的详细情况(形状，类型，严重程度等)进行评估。
[0033]进一步的，如图1所示:本发明公开的损伤检测方法应用的Lamb波激励装置包括移动式探头I，移动式探头I的端部连接有多个压电晶片2，压电晶片2上连接有剪切效应抑制层3，所述移动式探头I通过剪切效应抑制层3与待测结构相连接。
[0034]进一步的，所述剪切效应抑制层3抑制移动式探头I对待测结构的剪切效应，抑制对称模态Lamb波，激励单一的Atl模态Lamb波。
[0035]进一步的，所述剪切效应抑制层3是由润滑脂、润滑剂或润滑油构成的润滑界面。该剪切效应抑制层3的作用是:抑制移动式探头I对待测结构的剪切效应，从而抑制对称模态Lamb波，从而激励单一的Atl模态Lamb波。
[0036]实施例:
[0037]步骤1:取一块如图4所示铝板试件(尺寸:1000mmX 1000mmX 3mm)，在其上分别设置一个孔伤与一个刻痕，两者坐标如图4所不。其中，孔伤的直径为20mm,而刻痕的长30mm,宽1.5mm。选定铝板上N个(本实例为24个)不同位置(LI，L2，…，L24)作为检测点，其分布情况如图4所示，测定每个检测点到最近边界的距离，记做Lbl，，Lb2,…，Lb24。
[0038]步骤2:在某一检测点位置处设置如图1所示的Lamb波激励装置，移动式探头I与铝板结构表面4通过剪切效应抑制层3连接，本实例中采用润滑脂作为剪切效应抑制层。
[0039]步骤3:将激励的窄带信号加载到移动式探头I的激励端，激励的窄带信号的带宽区域控制在低于A1模态截止频率的频段，由于剪切效应抑制层抑制了对称模态Lamb波，由此实现单一 A0模态Lamb波激励，也就是说A0模态的频率值都是小于A1模态的频率值。同时移动式探头I的接收端采集结构响应信号。本实例中采用中心频率50kHz，Hanning窗调制的周期数为5的正弦信号作为激励信号，该激励信号的频带低于该铝板上A1模态的起始截止频率，剪切效应抑制层3抑制了移动式探头1对结构的剪切效应，从而得了单一 A0模态Lamb波响应信号。
[0040]步骤4:移动式探头I到下一个检测点，如图2所示，重复步骤2与步骤3，新的检测位置激励的单一 AO模态Iamb波遇到损伤5或边界也将产生散射，并被移动式探头I采集到。
[0041]步骤5:依次完成剩余检测点的采集，得到一簇(本实施例包括24组)单一 A0模态Lamb波响应信号fm (m = I~N);
[0042]步骤6:采集到的单一 Atl模态Lamb波响应信号先通过归一化，消除不同检测点的
差异;
[0043]步骤7:提取单一 Atl模态Lamb波响应信号中的损伤散射信号记做Dm，如图3所示。本实施例中通过激励信号截止时间9与最近边界回波到达时间10提取损伤散射信号，如图3(a)所示，其中6为采集到的激励信号，7为提取的A0模态损伤散射信号，8为边界反射信号。而激励信号截止时间h与最近边界回波到达时间t2通过下式计算:
【权利要求】
1.一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法,其特征在于:该方法采用基于Lamb波的损伤检测方法对大面积结构的损伤进行定位，再通过无损单点检测技术对损伤状况进行评估，具体包括以下步骤: 51:在待测结构上建立直角坐标系，选定多个待测点； 52:在一待测点处设置具有移动式探头的Lamb波激励装置； S3:采用函数发生器与功率放大器激发窄带信号，将该窄带信号的带宽范围控制在低于设定的A1模态截止频率的频段，将激发的窄带信号加载到移动式探头上，在待测结构上产生频率值小于A1模态截止频率的单一 A0模态Lamb波，移动式探头接收Lamb波信号，获取含损伤结构信息的Lamb波回波信号； 54:按照S2、S3的方式依次完成待测结构上剩余待测点的信号采集，采集到单一 Atl模态结构响应信号fm ； 55:将采集到的响应信号fm进行信号处理获取损伤图像，对该待测结构的损伤进行位置定位，对结构的损伤的情况进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法，其特征还在于:所述Lamb波激励装置包括移动式探头(I )，所述移动式探头(I)的端部连接有多个压电晶片(2)，所述压电晶片(2)上连接有剪切效应抑制层(3)，所述移动式探头(I)通过剪切效应抑制层(3)与待测结构相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法，其特征还在于:所述剪切效应抑制层(3)抑制移动式探头(I)对待测结构的剪切效应，抑制对称模态Lamb波,激励单一的Atl模态Lamb波。
4.根据权利要求2所述的一种基于Lamb波的大面积结构损伤检测方法，其特征还在于:所述剪切效应抑制层(3)是由润滑脂、润滑剂或润滑油构成的润滑界面。
【文档编号】G01N29/04GK103792287SQ201410020701
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】武湛君, 高进, 刘科海, 郑跃滨, 王奕首 申请人:大连理工大学