本发明涉及结构损伤的检测，特别是涉及一种无源敲击式材料损伤检测装置及方法。
背景技术：
随着科技的不断进步以及交通运输需求的不断提升，各种公路、桥梁及其他工程结构的数量也在不断增长。但是，由于其在制造和使用过程中可能会因为工艺原因、使用载荷的作用或其他环境因素而造成不同程度的损伤，比如裂纹、凹坑、脱粘及老化现象等，这些损伤积累到一定程度就会影响结构的正常使用，严重威胁到人们的生命安全和财产安全。因此，为确保工程结构能够正常运行，在交付使用前或服役一段时间后均需要对其进行损伤检测。比如桥梁在通车前需要进行成桥试验以确保达到设计要求，在使用期内需要进行定期的常规检测或不定期的特殊检测，以便及时发现桥梁中的损伤。再如机翼蒙皮等航空构件，只有其内部的损伤小于规定的程度才能交付使用，而使用一段时间后，又需要对这些构件重新进行损伤检测以确保今后的飞行安全。目前，对于工程结构及材料的损伤检测方法已有多种，例如借助于x射线、红外线、超声波、雷达和磁涡流等方式进行损伤探测的局部检测方法，这类技术虽然对局部区域具有较高的损伤检测精度，但是无法检测到死角或检测所需时间太长。而对于在工程结构上布设传感器来测量工程结构在外加激励下的静位移、速度、加速度等响应，并以此反演出工程结构中的损伤的整体检测技术，只能利用工程结构工作时的环境激励所激发出来的结构响应进行损伤反演，如果外加激励施加不当，工程结构的响应可能无法充分反映出损伤情况，从而影响检测精度。因此，如何在不需要事先知道工程结构的完整特征信息，以快速、准确地检测工程结构中的损伤是亟待解决的问题。技术实现要素：鉴于上述问题，本发明提供了一种无源敲击式材料损伤检测装置及方法以便克服上述问题或至少部分地解决上述问题。根据本发明的一个方面，提供了一种无源敲击式材料损伤检测装置，其特征在于，包括：至少一个轮体，所述轮体的外周面上设置有硬性的敲击齿，所述敲击齿配置成随着所述轮体的转动对待检测材料的结构表面进行敲击；传感器，配置为感测由所述结构表面被敲击的区域传递到所述传感器的响应信号；处理器，配置为根据所述传感器感测到的信号确定存在结构损伤的区域。可选地，所述轮体的整个外周面均匀地设置有多个所述敲击齿。可选地，所述轮体的外周面延轴向分为多个环，每个所述环上都均匀地设置有多个所述敲击齿，每个所述环上的所述敲击齿之间的间隔与其他所述环上的所述敲击齿之间的间隔都不相同。可选地，所述轮体的外周面分为多个段，每个所述段上都均匀地设置有多个所述敲击齿，每个所述段上的所述敲击齿之间的间隔与其他所述段上的所述敲击齿之间的间隔都不相同。可选地，所述材料损伤检测装置的行驶速度、所述敲击齿的数量和/或所述敲击齿的齿形配合产生至少一个预设激振频率。可选地，所述材料损伤检测装置的行驶速度、所述敲击齿的数量和/或所述敲击齿的齿形配合产生连续的特定频段。可选地，所述敲击齿和所述轮体一体成型。可选地，所述敲击齿固定连接在所述轮体上。可选地，所述敲击齿相互连接形成敲击齿外胎，所述敲击齿外胎套接在所述轮体上。可选的，所述传感器设置在用于驱动所述轮体转动的轴上。可选地，所述处理器还配置为：对所述传感器感测到的信号进行变换处理，获取在所述结构表面的各个区域的信号谱图；从所述信号谱图中截取与敲击力的预定频率相对应的谱图包络线；计算所述结构表面的每个区域的损伤指示值，所述损伤指示值反映了该区域的谱图包络线与其他区域的谱图包络线的相似程度；将损伤指示值发生突变的区域确定为存在结构损伤的区域。根据本发明的一个方面，还提供了一种无源敲击式材料损伤检测方法，应用于上述任一项所述的无源敲击式材料损伤检测装置，所述方法包括：设置在所述轮体的外周面上硬性的敲击齿随着所述轮体的转动对待检测材料的结构表面进行敲击；所述传感器感测由所述结构表面被敲击的区域传递到所述传感器的响应信号；所述处理器根据所述传感器感测到的信号确定存在结构损伤的区域。可选地，所述处理器根据所述传感器感测到的信号确定存在结构损伤的区域，包括：对所述传感器感测到的信号进行变换处理，获取在所述结构表面的各个区域的信号谱图；从所述信号谱图中截取与敲击力的预定频率相对应的谱图包络线；计算所述结构表面的每个区域的损伤指示值，所述损伤指示值反映了该区域的谱图包络线与其他区域的谱图包络线的相似程度；将损伤指示值发生突变的区域确定为存在结构损伤的区域。本发明提供了一种无源敲击式材料损伤检测装置及方法，在本发明提供的材料损伤检测装置中，通过设置具有敲击齿的轮体，使该材料损伤检测装置在运动过程中通过轮体上设置的敲击齿对待测试材料的结构表面进行敲击，以探测待检测材料的损伤区域。基于本发明提供的无源式材料损伤检测装置及方法可高效率地完成对待测材料的损伤检测，可以在保证测试结果准确的同时简化测试过程。另外，本发明提供的材料损伤检测装置无需添加独立的敲击装置，从而可以有效简化检测装置的整体构造，进一步提升检测检测精度，使得检测结果更加可靠。根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测装置工作原理示意图；图2是根据本发明实施例的桥梁、硬路面和检测装置横截面示意图；图3是根据本发明实施例的等效小车-桥动力相互作用示意图；图4是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测装置的结构示意图；图5是根据本发明实施例的轮体示意图；图6a、图6b是根据本发明另一实施例的轮体示意图；图7是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测装置的功能结构框图；图8是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测装置模拟测试示意图；图9是根据本发明一实施例的加速度信号的功率密度图谱；图10a、图10b、图10c、图10d是根据本发明一实施例的桥梁损伤前mac系数示意图；图11a、图11b、图11c、图11d是根据本发明一实施例的桥梁损伤后mac系数示意图；图12a、图12b、图12c、图12d是根据本发明一实施例的根据b值进行噪声过滤后的mac系数示意图；图13是根据本发明另一实施例的加速度信号的功率密度图谱；图14a、图14b是根据本发明另一实施例的桥梁损伤检测结果示意图；图15a、图15b是根据本发明又一实施例的桥梁损伤检测结果示意图；图16是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测方法流程示意图；图17a、图17b、图17c是根据本发明优选实施例的在梁上不同位置放置损伤的检测结果示意图；图18a、图18b是根据本发明优选实施例在梁上放置三处损伤的检测结果示意图；以及图19a、图19b、图19c、图19d根据本发明优选实施例的根据b值进行噪声过滤后的mac系数示意图。具体实施方式在具体描述本发明的实施例之前，首先结合附图对本发明的原理进行阐述。图1是根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测装置工作原理示意图。如图1所示，其采用了一个简化模型辅助理解本发明实施例提出的无源敲击式材料损伤检测方案的理论基础。以待检测材料为桥梁为例，在这个模型中，将无源敲击式材料损伤检测装置建模为在具有kv刚度的弹簧上的质量块m，还将桥梁模拟为长度为l的二维简支梁，该简支梁被建模为具有弯曲刚度ei以及每单位长度质量为m的平面伯努利-欧拉(bernoulli-euler)梁。结构损伤检测设备以恒定速度v移动通过该梁。为了简化并仍然保持该问题的实质，这里暂时省略了其他的实际因素，如阻尼和表面粗糙度等。然而，如下面的数值模拟结果中所示的那样，即使在将这些实际因素考虑在内时，本发明所提出的材料损伤检测方案仍然是有效的。为了灵敏地获取待检测材料的损伤区域对检测装置的动态响应，必须解决材料损伤检测装置与待检测材料之间的交互作用的问题。根据图1所示的简化模型，检测装置和梁(即待检测材料)的动力学方程可以描述为：其中，k表示检测装置的弹簧刚度kv和硬路面刚度kp之间的串联等效刚度，参见图2；yb(x,t)和yv(t)分别是根据静态平衡位置测量得到的检测装置和梁的位移。检测装置和梁之间的相互作用力为：f(t)δ(x-vt)＝k(yv-yb|x＝vt)-mg-f(t)(3)其中，δ表示迪克拉delta函数，g表示重力加速度，瞬时刚度可以表示为：因此，可以利用检测装置的加速度......探测梁的损伤情况。应用叠加法，可以得到方程1、2中yv的解析解：其中，当待检测材料出现局部损伤时，梁的全局属性不会改变太多，也就是说，当梁存在局部小损伤时，梁的弯曲刚度ei和每单位长度的质量m几乎不会改变，梁刚度kb会沿着梁的长度方向发生改变。局部损伤对在损伤附近的kb有很大的影响。因此，可以看出检测装置的自然角频率ωv对损伤很灵敏。检测装置的加速度对损伤的灵敏度可以表示为：其中，和对是没有影响的，这就表明，影响加速度对梁损伤的灵敏度。假设相对接近ωv，检测装置的加速度ωv的偏导数可以表示为：损伤的出现会导致ωv的变化，而ωv的变化在公式14中相应频率相关项的系数。当材料损伤检测装置处于低速运行状态时，可以忽略vbm系统的耦合效果。因此，该模型可以用图3来描述。控制方程可以为：加速度的解析解可以为其中，当m很大，或桥的刚度很小时：基于公式14可以得到的解，在上述分析解的基础上，可以通过图3所示的等效检查装置桥动力相互作用系统估计ωv以改善损伤检测的灵敏度。图4是根据本发明一个实施例的无源敲击式材料损伤检测装置400的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供了一种无源敲击式材料损伤检测装置400，其可根据上文中所介绍的理论对待测材料进行损伤检测，该材料损伤检测装置400可以包括至少一个轮体410(本实施例中为两个)、传感器420以及处理器430。其中，轮体410的外周面上设置有硬性的敲击齿411，敲击齿411配置成随着轮体410的转动对待检测材料的结构表面进行敲击。传感器420用于感测由结构表面被敲击的区域传递到传感器420的响应信号，处理器430用于根据传感器420感测到的信号确定存在结构损伤的区域。其中，传递到传感器420的响应信号可为加速度信号、速度信号或者位移信号。在本发明实施例中，通过轮体410外周面所设置的硬性敲击齿411即可实现对待测材料的表面的无损检测，不仅无需单独设置敲击装置，简化整体结构，还可以有效提升检测的便利性、检测效率和检测精度，使得检测结果更加可靠。图4所示的材料损伤检测装置400通过设置两个轮体410实现自平衡，并且在轮体410外周面设置敲击齿411时，可以在轮体410的整个外周面均匀地设置有多个敲击齿411，如图5所示。当材料损伤检测装置400对待检测材料进行检测时，其在待检测材料表面的行驶速度与敲击齿411的数量相互配合可以产生给定的激振频率。在实际应用中，轮体410的个数以及多个敲击齿411的间距可根据不同应用场景进行设置，本发明不做限定。优选地，还可以通过在同一轮体410的轴向上设置不同敲击齿数能够同时产生多个既定激振频率。在本发明一个优选实施例中，轮体410的外周面可延轴向分为多个环，每个环上都均匀地设置有多个敲击齿411，每个环上的敲击齿411之间的间隔与其他环上的敲击齿411之间的间隔都不相同。图6a是根据本发明另一实施例的轮体410a，如图6a所示，轮体410a的外周面可分为两个环，这两个环上各自均匀设置有多个敲击齿4111和敲击齿4112，敲击齿4111的间隔与敲击齿4112的间隔不同。在本发明另一个优选实施例中，轮体410的外周面分为多个段，每个段上都均匀地设置有多个敲击齿411，每个段上的敲击齿411之间的间隔与其他段上的敲击齿411之间的间隔都不相同。图6b是根据本发明另一实施例的轮体410b，如图6b所示，轮体410b的外周面可分为两段，每个段上各自均匀地设置有多个敲击齿4113和敲击齿4114，敲击齿4113的间隔与敲击齿4114的间隔不同。上述各实施例所介绍的轮体只是示意性示出了可能实现的情况，实际应用中，轮体的外周面延轴向的环的数量、或是轮体的外周面的段的数量可根据不同测试条件进行设定，本发明不做限定。基于上述实施例对轮体410和敲击齿411的不同设置方式，可以使得同一轮体具备多个不同类型的敲击齿411，以扩大材料损伤检测装置400的检测范围，提升检测精度。对于传统的激振器而言，其很难在一个比较宽的频段同时产生恒定大小的敲击力，而基于上述实施例提供的材料损伤检测装置410，通过在轮体410外周面设置敲击齿，可在轮体410转动驱使材料损伤检测装置400在待测材料表面进行行驶时，由敲击齿产生敲击力以对待检测材料进行损伤检测。其中，材料损伤检测装置400的行驶速度可与敲击齿411的数量和/或敲击齿411的齿形配合产生预设的激振频率，并且通过在同一轮体410的轴向上设置不同敲击齿的数量能够同时产生多个预设的激振频率，以在保证测试结果准确的同时满足更高精度的测试要求。进一步地，还可以通过材料损伤检测装置400的行驶速度、敲击齿411的数量和/或敲击齿411的齿形配合产生连续的频段，具体可根据不同测试对象进行设置。也就是说，基于本发明实施例提供的材料损伤检测装置400，通过控制材料损伤检测装置400在待检测材料表面的行驶速度，以及在轮体410表面设置不同数量以及不同齿形的敲击齿411，不仅可以产生离散的多个激振频率，而是能够实现一个连续的频段，以满足不同的测试需求。对于敲击齿411的齿形，其可以为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮或是其他形状的齿轮，可根据实际测试情况进行设定，本发明不做限定。制备轮体410时，可以将敲击齿411和轮体410一体成型，也可以将其单独制备，再将敲击齿411固定连接在410上。除此之外，敲击齿411可相互连接形成敲击齿外胎，进而将敲击齿外胎直接套在轮体410上。采用上述任意一种方式均可以高效实现材料的损伤测试。上文提及，通过在材料损伤检测装置400设置传感器420，以感测由结构表面被敲击的区域传递到传感器420的响应信号。一般而言，待检测材料的结构表面在敲击力的作用下会产生位移、速度和加速度相应，由于结构表面和敲击齿的相互作用，这些影响会传递到敲击齿411上，其瞬时值的大小反映待测材料在敲击位置处的结构特征，因此，当待检测材料中出现损伤时，该位置处由待检测材料的结构表面传递到敲击齿411的位移、速度或加速度响应会与没有损伤位置的响应明显不同。传感器420可以是能够感测由待检测结构表面传递到敲击齿411的响应的任何传感器。例如，传感器420可以是能够感测由待检测结构表面传递到敲击齿411的位移、速度和加速度响应之一的任何传感器。为了精确地感测出在敲击齿411的敲击位置处被检测结构的响应，可以将传感器420和敲击齿411集成在一起，或者将其设置在用于驱动轮体410转动的轴上。进一步地，当传感器420感测到响应信号后，可以由处理器430根据传感器420感测到的响应信号确定存在结构损伤的区域。优选地，处理器430在确定存在结构损伤的区域时，可先对传感器420感测到的信号进行变换处理，获取在结构表面的各个区域的信号谱图；从信号谱图中截取与敲击力的预定频率相对应的谱图包络线；计算结构表面的每个区域的损伤指示值，损伤指示值反映了该区域的谱图包络线与其他区域的谱图包络线的相似程度；将损伤指示值发生突变的区域确定为存在结构损伤的区域。优选地，如图7所示，处理器430还可以包括以下功能单元：谱图获取单元431、谱图包络线截取单元432、损伤指示值计算单元433以及损伤位置确定单元434，上述功能单元协同工作以根据传感器420感测到的响应信号确定待检测材料存在结构损伤的区域。根据检测精度的要求，可以将待检测结构的表面划分为具有一定大小的多个部分，而材料损伤检测装置400扫描每个表面部分都需要一定时间，传感器420所获取的信号为在该段时间上的传感器信号分布。随后，谱图获取单元431对该传感器信号在时间上的分布进行变换处理以获取该信号在频率域或者尺度域上的表示。这种变换处理可以利用现有
技术领域：
的任何变换处理进行，例如该变换处理可以是短时傅立叶变换、小波变换或者hilbert-huang变换等。因此，谱图获取单元431获取了在结构表面的每个位置部分处的信号频谱或尺度谱。谱图包络线截取单元432从信号谱图中截取与敲击齿的敲击力频率相对应的谱图包络线。由于敲击力的至少一个频率接近待检测结构的至少一个自然频率，因此，谱图包络线截取单元432所截取的谱图包络线应当涵盖待检测材料的至少一个自然频率。在敲击力具有某个频段的情况下，所截取的谱图包络线具有与该敲击力的频段相对应的频率范围。上面所给出的、有关所截取的谱图包络线的频率范围的示例仅仅为示范性的。本领域技术人员应当理解，只要所截取的谱图包络线的频段与敲击装置的敲击频率相对应，并且适于在后续数据处理中使用，则所有的频率范围都在本发明的保护范围之内。由于仅仅对与敲击频段相对应的谱图进行分析，可以减少由于处理全部频段谱图所需要的处理开销，同时不影响检测精度。另外由于环境噪声的频段一般不同于被检测结构的自然频率，因此不同于敲击装置的敲击频率，所以还可以显著减少环境噪声对检测结果的影响，从而提高检测的精度。损伤指示值计算单元433基于所截取的谱图包络线来计算待检测结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度。可以有多种方式来计算损伤指示值，根据本发明的一个实施例，可以如下所述来计算损伤指示值，首先将谱图包络线转换为谱图向量，这可以通过获取谱图包络线中的多个频率处的幅值作为谱图向量的分量来进行转换。谱图向量的分量数量可以根据检测精度以及系统的处理性能等确定。分量对应的频率可以均匀分布在谱图包络线的频段中，也可以不均匀分布。但是，对于待检测结构而言，每个位置处的频率选择方式应当是相同的。在生成了每个位置处的谱图向量之后，损伤指示值计算单元433计算反映当前位置处的谱图向量和其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值。可以有多种方式来计算两个谱图向量之间的相似程度。根据本发明的一个实施例，可以将损伤指示值计算为：损伤指示值反应了桥的损坏状况，损伤指示值越小，桥损坏越严重。其中，可通过敲击力频率获得检测装置通过待测材料的加速度数据，并将其分为n个部分，计算每个部分的对应谱图并将其记录为矢量yi,i＝1,2,...,n。yi和yj分别表示在待测材料的结构上第i个和第j个部分的谱图向量；·表示谱图向量的内积运算。根据本发明的另一个方面，还可以利用mac系数获取损伤指示值，mac系数矩阵的计算公式为：mac系数矩阵中的每个元素都表示了两个谱图向量之间的相似程度，其中主对角线上的元素一定等于1。mac系数矩阵的第i行或第i列元素的大小就能反映出对应于某个谱图向量yi的损伤情况，因而也就是该谱图向量yi所对应位置的损伤指示值。损伤位置确定单元434基于待检测结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定待检测结构中的损伤位置。例如，损伤位置确定单元434可以将损伤指示值发生突然下降的位置确定为存在损伤的位置。因为如果结构没有损伤，那么损伤指示值在空间的分布是比较光滑的；如果某处的损伤指示值发生了突变，那么就意味着该处局部阻抗和其他地方明显不同，很可能出现了损伤，而突变的大小也就反映了损伤的严重程度。比如，取mac系数矩阵第一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该曲线应该是比较光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。根据本发明的一个实施例，可以将曲线的一阶导数值的绝对值超过预定阈值的位置确定为存在损伤的位置。应当注意的是，在本发明的材料损伤检测装置的处理器中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对信号处理部件中的各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。图8示出了根据本发明一优选实施例的无源敲击式材料损伤检测装置模拟测试示意图，在该实施例中，材料损伤检测装置为具有两个轮体的自平衡小车1，轮体外周面均匀设置有多个敲击齿。待测材料为由铝板制作而成的、1.45m测试范围内的模拟桥梁2，桥梁2通过固定在固定结构3(如钢棒)上，并且离底面具有一定距离，以使桥梁2能够很好地模拟现实中的桥梁结构。桥梁2的损伤为4所示虚线位置。小车1在桥梁2上行驶时，可通过其轮体上的敲击齿对桥梁2进行特定频率的敲击。小车1的行驶速度可根据不同的检测需求进行设定。其中，自平衡小车中还设置有传感器以及处理器(均为在图中示出)，传感器的类型为加速度传感器，类型为lc0101，其频率响应范围为0.5～15000hz，共振频率40hz。梁的泊松比为69gpa，密度约为2700kg/m3。敲击齿的数量由灵敏频率决定，公式如下：其中，v表示小车的行驶速度，r表示轮体的半径，f表示灵敏频率，n表示敲击齿数量。对梁进行损伤检测前，先将小车置于铝板的中间部分，以产生扫描波段，基于上文的理论论述可知，1.45m的灵敏频率为48hz，而实验中的49hz作为敲击频率，图9示出根据本发明实施例的加速度信号的功率密度图谱。此外，整个梁的截面刚度为9.66×104n·m2，损坏的则为3.26×104n·m2，占33.5％。通过小车中的处理器对传感器感测到的信号进行变换处理，最终得出桥梁的损伤区域，并计算损伤指示值。图10a、图10b、图10c、图10d分别示出了桥梁2设置损伤前的mac系数的多次测试结果。图11a、图11b、图11c、图11d分别示出了桥梁2设置损伤后的mac系数的多次测试结果。通过图11a～图11d可明显看出，在0.720m的位置设置了损伤。由此可知，基于本发明实施例提供的方法可有效检测桥梁的损伤状态，且可重复性强。为了清晰表述上述测试结果，背景噪声可通过以下过滤函数进行过滤：其中，avg和std分别表示d(i,j)的平均值和标准差，b表示噪声干扰度。图12a、图12b、图12c、图12d示出了根据本发明实施例的根据b值进行噪声过滤后的mac系数示意图，其中，检测范围为1.45m，图12a、图12b、图12c、图12d的所对应的b值分别为：b＝0、b＝0.5、b＝1以及b＝1.5。通过分析可知，b越大，干扰噪音越少。通过上述优选实施例所进行的测试，验证了本发明实施例所提供的材料损伤检测装置的可行性。至于图10a～图11d中所看到的其他峰，可能是由于待测材料的表面粗糙所造成的，进而使得小车的加速度突然改变。桥梁表面的粗糙度还可能引入其他频率，放大小车频率振幅，这取决于小车轮体的刚度和桥梁的粗糙度。同样地，当桥梁有多处损伤时，基于本发明实施例提供的方法均可准确测出桥梁的损伤所在位置。在本发明另一实施例中，还进行了1.75m范围内的桥梁损伤检测，在检测前，同样将小车置于模拟桥梁的中间部分，以产生扫描波段，得到灵敏频率约为44hz，如图13所示。其损伤检测结果分别如图14a、图14b和图15a、图15b所示，由mac系数的大小可获知桥梁损伤的位置。为了使测试结果更加明确，图14a～图15b中忽略了0～1.2m范围内桥墩的位置。由图14a、图14b可知，位于桥梁中心的位置具有损伤，这与实验时在桥梁处所设置的损伤是一致的。进一步地，如果设置两处损伤的话，同样可以基于上述方法检测处理，例如图15a、图15b还可以看出，在0.5m和0.9m具有两处损伤。进一步地，由于本发明实施例的材料损伤检测装置的构造比较简单，可以由材质较轻的材料制成，也可以做的很小，便于携带。由于本发明实施例的材料损伤检测装置的结构尺寸比较小，因此也能够对角落位置进行检测。综上所述，该材料损伤检测装置能够在便于便携的情况下保证高精度，同时不用对检测对象位置有过多的要求，可以对各个角落进行检测。如可用于野外检测、拐角部检测等。此外，根据关于敲击损伤识别方法的理论对待检测结构表面进行无损检测，可使该材料损伤检测装置不受检测对象的材料属性限制。本发明实施例的材料损伤检测装置在检测时不需要同时在对待检测材料的正、反两面安放仪器，能够从单侧对检测对象进行损伤检测。基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种无源敲击式材料损伤检测方法，应用于上述实施例所介绍的无源敲击式材料损伤检测装置，如图16所示，根据本发明实施例的无源敲击式材料损伤检测方法可以包括：步骤s1602，设置在轮体的外周面上硬性的敲击齿随着轮体的转动对待检测材料的结构表面进行敲击；步骤s1604，传感器感测由结构表面被敲击的区域传递到传感器的响应信号；步骤s1606，处理器根据传感器感测到的信号确定存在结构损伤的区域。在上述步骤s1604中，利用根据本发明实施例提供的材料损伤检测装置中的传感器来感测敲击齿的响应信号，所感测的信号可以是能够反映由待测材料的结构表面传递到敲击齿的、在敲击位置处的任何响应信号。例如传感器感测的信号可以为位移、速度或加速度。优选地，传感器所感测的信号为加速度信号可以使得检测结果更加准确。在上述步骤s1606提及，处理器可根据传感器感测到的信号确定存在结构损伤的区域。优选地，其可以通过以下步骤执行：步骤s1606-1，对传感器感测到的信号进行变换处理以获取在待检测材料的结构表面的每个位置处的信号谱。根据检测精度的要求，需要将待检测材料的结构表面分为多个部分。在每个部分上感测到的信号是材料损伤检测设备扫描该部分所需要时间上的分布，因此可以对信号在时间域上分布进行变换处理以获取该信号在频率域或尺度上的表示。这种变换处理可以利用现有
技术领域：
的任何变换处理进行，例如该变换处理可以是短时傅里叶变换、小波变换或hilbert-huang变换等。步骤s1606-2，从信号谱图中截取与敲击齿的敲击力的预定频率相对应部分，并获取所截取谱图的包络线。由于敲击力的至少一个频率接近待检测结构的至少一个自然频率，因此，所截取的谱图包络线应当涵盖待检测结构的至少一个自然频率。在敲击力具有某个频段的情况下，所截取的谱图包络线具有与该敲击力的频段相对应的频率范围。上面所给出的、有关所截取的谱图包络线的频率范围的示例仅仅为示范性的。本领域技术人员应当理解，只要所截取的谱图包络线的频段与敲击装置的敲击频率相对应，并且适于在后续数据处理中使用，则所有的频率范围都在本发明的保护范围之内。步骤s1606-3，根据所截取的谱图包络线来计算待检测结构表面的每个位置处的损伤指示值，该损伤指示值反映了该位置处的谱图包络线与其他位置处的谱图包络线的相似程度。可以有多种方式来计算损伤指示值。根据本发明的一个优选实施例，可以通过以下方式计算损伤指示值：步骤s1，将谱图包络线转换为谱图向量，这可以通过获取谱图包络线中的多个频率处的幅值作为谱图向量的分量来进行转换。谱图向量的分量数量可以根据检测精度以及系统的处理性能等确定。分量对应的频率可以均匀分布在谱图包络线的频段中，也可以不均匀分布。但是，对于待检测结构而言，每个位置处的频率选择方式应当是相同的。步骤s2，在生成了每个位置处的谱图向量之后，计算反映当前位置处的谱图向量和其他位置处的谱图向量的相似程度的损伤指示值。可以有多种方式来计算两个谱图向量之间的相似程度。根据本发明的一个实施例，可以将损伤指示值计算为：其中，可通过敲击力频率获得检测装置通过待测材料的加速度数据，并将其分为n个部分，计算每个部分的对应谱图并将其记录为矢量yi,i＝1,2,...,n。yi和yj分别表示在待测材料的结构上第i个和第j个部分的谱图向量；·表示谱图向量的内积运算。根据本发明的另一个方面，还可以利用mac系数获取损伤指示值，mac系数矩阵的计算公式为：mac系数矩阵中的每个元素都表示了两个谱图向量之间的相似程度，其中主对角线上的元素一定等于1。mac系数矩阵的第i行或第i列元素的大小就能反映出对应于某个谱图向量yi的损伤情况，因而也就是该谱图向量yi所对应位置的损伤指示值。步骤s1606-4，在为待检测材料的结构表面的每个位置计算了损伤指示值之后，基于结构表面的每个位置处的损伤指示值来确定待检测结构中的损伤位置。例如，可以将损伤指示值发生突然下降的位置确定为存在损伤的位置。比如，取mac系数矩阵第一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该曲线应该是比较光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。根据本发明的一个实施例，可以将该曲线的一阶导数值的绝对值超过预定阈值的位置确定为存在损伤的位置。正如前面所介绍的，损伤实际上等同于截面刚度的变化。因此，可采用不同的截面刚度值测试检测上述检测损伤方案的可行性。基于上文所提供的无源敲击式材料损伤检测方法，本发明优选实施例还基于图7所示材料损伤检测装置对桥梁进行检测。在该实施例中，材料损伤检测装置依旧采用双轮自平衡小车，待检测材料为桥梁。实际应用中，可在桥梁处设置多项损伤。表1示出了各损伤项对应的梁的原始界面刚度、损伤的截面刚度、总截面刚度和损伤截面刚度占总截面刚度的百分比。表1损伤项123梁的原始截面刚度/n·m260174.3560174.3560174.35损伤界面刚度/n·m24795.1612456.4632382.56总截面刚度64969.5172630.8096554.60百分比7.3817.1533.54对于第1和第2项，损伤位置为距离小车起始位置0.6m处，分别如图17a、图17b，而第3项的则是在距离起始位置0.7m处发现损伤，如图17c所示。图18a、图18b则示出了在桥梁上放置三处损伤的两次检测结果。由图18a、图18b可知，第一个峰则表示第1项损伤，而剩下的两个峰则表示第2项损伤，该测试结果与实验实施前所设置的参数一致。通过分析可知，占总截面刚度的百分比越大，在图中的峰越明显。由此也可证明，即使不同的损伤置于桥不同位置，采用本发明实施例提供的材料损伤检测方法依然可以准确获知损伤在桥梁所处的位置。基于上文提交的检测理论，可通过以下滤波函数过滤背景噪声：b所反映的背景噪声的干扰程度主要是路面的粗糙度和检测车辆轮胎的刚度所导致。b越大，干扰噪音越少。而滤波函数之所以可以用来评估桥的情况，是因为b的值与除噪声之外的缺陷程度有关。小的损伤可对大的损伤造成干扰，因此，可用b对其进行区分。图19a、图19b、图19c、图19d分别示出了根据本发明实施例的根据b值进行噪声过滤后的mac系数示意图，其中，图19a、图19b、图19c、图19d的所对应的b值分别为：b＝0、b＝0.5、b＝1以及b＝1.5。在进行桥梁状态评估时，对桥梁的损伤测试以及并对其进行分类是极为重要的。不同程度的损伤可由b的值反映出来。本发明实施例提供了一种无源敲击式材料损伤检测装置及方法，在本发明实施例提供的材料损伤检测装置中，通过设置具有敲击齿的轮体，使该材料损伤检测装置在运动过程中通过轮体上设置的敲击齿对待测试材料的结构表面进行敲击，以探测待检测材料的损伤区域。在本发明实施例中，材料损伤检测装置在待检测材料表面的行驶速度和轮体齿数相互配合可以产生给定的激振频率，并且通过在同一轮体的轴向上设置不同数量以及不同齿形的敲击齿，不仅能够产生离散的多个激振频率，而且还能够实现一个连续的频段，而通常情况下，激振器很难做到这点。基于本发明实施例提供的无源式材料损伤检测装置及方法可高效率的完成对待测材料的损伤检测，不仅可以在保证测试结果准确的同时简化测试过程，还无需另外添加敲击装置以有效简化检测装置的整体构造，进一步提升检测检测精度，使得检测结果更加可靠。进一步地，本发明实施例提供的无源敲击式材料损伤检测装置属于体积小、便于携带的微型的材料损伤检测装置，其测试精度高且不受检测对象所处的方向限制。至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。当前第1页12