本发明属于无损检测技术领域，具体地，尤其涉及一种基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法。
背景技术
lamb波是在具有自由边界的固体板或层状结构中传输的一种弹性导波，由于其本身的传播特性，如沿传播路径衰减小，能量损失小，传输距离远等，成为现行无损检测领域研究的重要手段。复合材料由于其具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳等特点，目前在航空航天领域的飞行器得到大量使用。但复合材料飞机构件在制造和服役过程中极易产生分层和裂纹等内部微小缺陷，为了满足航空工业产品高质量、高可靠性、高性能和长寿命的要求，必须对复合材料飞机构件进行全方位检测。对于由碳纤维增强树脂基复合材料制造的航空航天结构，lamb波的应用较为普遍。
传统的损伤检测方法如椭圆定位技术主要根据损伤特征信号构成椭圆，并通过曲线交点的方式进行结构损伤的定位，其定位精度与传感器数量和信号处理精度成正比，并且该方法只是单纯的定位，随着实际工程对技术要求的不断提高，对损伤程度的定量评估技术进行研究势在必行。
技术实现要素：
本发明的目的是为了实现对复合材料损伤进行定位以及损伤程度评估，提高定位精度，提出一种基于公共外切圆的复合材料椭圆定位检测方法。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法，该检测方法采用的检测设备包括由四个压电式传感器构成的一个正方形监测区域，并在中心位置设置单个压电式传感器作为激励压电片，其余四个压电式传感器作为接收压电片；该损伤定位检测方法包括以下步骤：
1)以待检测的复合材料板的中心为原点，建立直角坐标系，激励压电片位于原点，四个接收压电片构成监测区域，中心位置与原点重合，各压电片的中心坐标记录为(xi,yi)，其中i为各压电片的编号，激励压电片的标号记为0，接收压电片的标记号分别为1、2、3、4；
2)测试时，对激励压电片施加信号激励，首先在复合材料板无损健康状态下，依次采集并收集各接收压电片反馈的信号，记录为
u(t)＝a[h(t)-h(t-n/fc)](1-cos(2πfct/n))sin2πfct
其中，h(t)为heaviside阶梯函数，
a为信号的幅度调制，
fc为信号中心频率，
n为信号波峰个数；
3)对各接收压电片采集到的健康信号
4)找出差信号中的损伤特征信号和信号直达波，根据信号包络找出其对应的时间，分别记为ti(i＝1，2，3，4)，tj(i＝1，2，3，4)可以得到信号在两条路径：激励压电片→损伤位置→接收压电片、激励压电片→接收压电片中传播的时间差δt＝ti-tj；
5)运用各压电传感器的坐标并结合步骤4)的时间差参数和信号传播速度，代入算法公式中构建椭圆轨迹，算法公式为：
其中，υ是lamb波波速，
dmn是信号经过损伤反射再到接收压电片的飞行时间，
(x,y)为损伤坐标，(xm,ym)为激励压电片坐标，(xn,yn)为接收压电片坐标；
6)根据四个接收压电片构建出四个椭圆轨迹，求出交点坐标，并以交点离散性筛选出损伤交点。
7)依据步骤6)中所得交点坐标数据，根据最小二乘法进行外切圆拟合，该拟合圆与构建的四个椭圆均相切；
8)根据公共外切拟合圆得到圆心坐标信息以及直径大小信息，确定损伤位置，并进行损伤程度的评估。
所述压电式传感器采用圆形的压电陶瓷片，且各压电陶瓷片参数完全相同。
本发明提供的基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法，采用正方形监测区域与激励压电片组合的形式，并利用公共外切圆与椭圆定位相结合，依据损伤交点坐标，以最小二乘法进行公共外切圆拟合，根据公共外切拟合圆的圆心坐标及直径大小信息即可确定损伤位置和损伤程度，弥补了传统椭圆定位法只能单纯进行定位，无法进行损伤程度评估的缺点，为损伤程度的判断提供了一种简单快捷的方法。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明中，基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法，该检测方法采用的检测设备包括由四个接收压电传感器构成为正方形损伤监测区域以及由单个压电传感器构成的激励压电片，且激励压电片设于正方形损伤监测区域的中心位置，其余四个压电式传感器作为接收压电片。本发明采用的检测方法包括以下步骤：
1)以待检测的复合材料板的中心为原点，建立直角坐标系，激励压电片位于原点，四个接收压电片构成监测区域，中心位置与原点重合，各压电片的中心坐标记录为(xi,yi)，其中i为各压电片的编号，激励压电片的标号记为0，接收压电片的标记号分别为1、2、3、4；
2)测试时，对激励压电片施加信号激励，首先在复合材料板无损健康状态下，依次采集并收集各接收压电片反馈的信号，记录为
u(t)＝a[h(t)-h(t-n/fc)](1-cos(2πfct/n))sin2πfct
其中，h(t)为heaviside阶梯函数，a为信号的幅度调制，fc为信号中心频率，n为信号波峰个数；
3)对各接收压电片接收到的采集到的健康信号
4)找出差信号中的损伤特征信号和信号直达波，根据信号包络找出其对应的时间，分别记为ti(i＝1，2，3，4)，tj(i＝1，2，3，4)可以得到信号在两条路径：即损伤特征信号由激励压电片→损伤位置→接收压电片、信号直达波由激励压电片→接收压电片中传播的时间差δt＝ti-tj；
5)运用各压电传感器的坐标并结合步骤4)的时间差参数和信号传播速度，代入算法公式中构建椭圆轨迹，算法公式为：
其中，v是lamb波波速，dmn是信号经过损伤反射再到接收器压电片的飞行时间，(x,y)，(xm,ym)，(xn,yn)分为损伤坐标，激励压电片坐标，接收压电片坐标；
6)根据四个接收压电片构建出四个椭圆轨迹，求出交点坐标，并以交点离散性筛选出损伤交点；
7)依据步骤6)中所得交点坐标数据，根据最小二乘法进行外切圆拟合，该拟合圆与构建的四个椭圆均相切；
8)根据公共外切拟合圆得到圆心坐标信息以及直径大小信息，确定损伤位置，并进行损伤程度的评估。
本发明公开了基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法，首先，设计压电片阵列，将压电式传感器呈正方形构成损伤监测区域；其次，在健康状态下，对粘接在复合材料板上的激励压电片施加激励，对四个接收压电片反馈的响应信号分别进行采集；再次，在损伤状态下，对四个接收压电片反馈的响应信号进行采集，并分别对健康状态与损伤状态的信号进行差信号处理，并找出其损伤特征信号和直达波信号及其对应的时间，计算出其时间差；然后，根据处理数据、信号传播速度，依据椭圆定位原理进行椭圆的构建，并计算出四个椭圆的损伤交点坐标；最后，依据损伤交点坐标，以最小二乘法进行公共外切圆拟合，根据公共外切拟合圆的圆心坐标及直径大小信息即可确定损伤位置和损伤程度。
本发明提供的基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法，采用正方形监测区域与激励压电片组合的形式，并利用公共外切圆与椭圆定位相结合，弥补了传统椭圆定位法只能单纯进行定位，无法进行损伤程度评估的缺点，为损伤程度的判断提供了一种简单快捷的方法。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。