高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法与流程

本发明涉及高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法，属于无损检测技术领域，特别是对声发射信号的分析处理。

背景技术：

高压复合材料储氢气瓶具有质量轻、承压能力高、耐腐蚀性强等优点，广泛应用于石油化工、航空航天、交通运输等方面，是目前氢气储输的重要方式。但由于高压储氢气瓶储存的介质是易燃易爆的高压氢气，其寿命周期内的安全性一直受到人们的高度重视。高压复合材料储氢气瓶的性能会随着服役时间的增加而逐渐下降，因此检测高压复合材料储氢气瓶的损伤状态对确保其安全至关重要。

声发射技术是一种重要的无损检测技术，能够实现对复合材料的基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂等损伤形式的识别和定位，目前已成为复合材料结构健康监测的研究热点，在高压复合材料储氢气瓶无损检测领域得到了初步应用。然而，利用声发射技术监测高压复合材料储氢气瓶的损伤演化时，声发射系统采集到的信号数量大，且干扰信号多，这给声发射信号的后续处理带来了困难，目前仍缺乏一种有效识别、处理高压复合材料储氢气瓶声发射信号的分析方法。此外，国内外对复合材料声发射信号处理方法的研究主要集中在复合材料层合板领域，没有一种系统的声发射方法来判断复合材料气瓶的损伤机制与损伤演变过程，因此提供一种高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术解决是，克服现有技术的不足，提供一种高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法，包括以下步骤：

(1)在待测的高压复合材料储氢气瓶上均匀布置至少包括8个宽频传感器，并分别通过信号线连接至声发射检测系统；宽频传感器和声发射检测系统的布置方式可参照名称为“基于声发射技术的复合材料气瓶水压爆破监测装置及方法”(申请号为201810026266.1)的中国发明申请公开内容。

(2)对待测的高压复合材料储氢气瓶进行声速测量，全程采集各宽频传感器的声发射信号数据和压力数据；数据的测量与采集方法可以参照名称为“基于声发射技术的复合材料气瓶水压爆破监测装置及方法”(申请号为201810026266.1)的中国发明申请公开内容。

(3)将采集到的数据传送至计算机，利用计算机对数据进行下述处理：

过程一，使用经验模态分解法分解原始声发射信号为多个本征模态函数；

过程二，选择包括声发射信号主要特征的若干个imf重构声发射信号的特征参量并通过线性相关分析确定主要特征参量；

过程三，使用k均值聚类法对特征参量进行聚类；

过程四，分析聚类结果，得到主要特征参量与损伤模式的关系。

本发明中，所述过程一用于分解原始声发射信号，以消除干扰噪声并提取损伤信号特征；具体包括以下步骤：

步骤(1)：对于原始声发射信号x(t)，识别x(t)的所有极大值点并用三次样条插值函数拟合形成原数据的上包络线；同理，识别x(t)的所有极小值点并用三次样条插值函数拟合得到原数据的下包络线；两条包络线的平均值记为m1(t)，原始声发射信号x(t)与两条包络线的平均值m1(t)之间的差值表示为：

h1(t)＝x(t)-m1(t)

如果h1(t)满足imf下列的两个条件，即(a)过零点数与极值点数相等或至多相差1；(b)任一点局部极大值和局部最小值确定的包络线平均值为零；则令

c1(t)＝h1(t)

其中，c1(t)是得到的第一个本征模态函数；

步骤(2)：如果h1(t)不满足imf的两个条件，则将h1(t)作为一组新的数据按上述步骤(1)进行分解，分解p次后包络线的平均值记为m1p(t)，分解p-1次后的声发射信号h1(p-1)(t)与分解p次后包络线的平均值为m1p(t)之差为h1p(t)，其表达式为

h1p(t)＝h1(p-1)(t)-m1p(t)

如果h1p(t)满足imf的两个条件，则得到第一个imf为

c1(t)＝h1p(t)

若不满足条件，则对h1p(t)继续进行分解直到得到满足条件的c1(t)；

步骤(3)：定义r1(t)为原始声发射信号x(t)与第一个imf的差值，则

r1(t)＝x(t)-c1(t)

把r1(t)作为一组新的数据按照上述步骤(1)、(2)进行分解，得到第二个imf，记为c2(t)；

步骤(4)：重复上述步骤(1)、(2)、(3)，直到得到的cn(t)或rn(t)小于预设值，或rn(t)成为一个单调函数；其中cn(t)为第n个imf，rn(t)为原始声发射信号x(t)与n个imf之和的差值，即x(t)表示为n个imf与最后余差之和，

式中，ck(t)表示第k个imf，k＝1,2,…，n。

本发明中，所述过程二具体为：选择前三个高频率的imf重构声发射信号的特征参量；这些特征参量包括7个时域参量：幅值、上升时间、频数、持续时间、峰值计数、能量和绝对能量；3个频域参量：初始频率、平均频率和峰值频率，利用线性相关分析法选择两组相关系数最低的特征参量作为研究对象。

本发明中，所述过程三具体包括以下步骤：

步骤(1)：随机分配k个聚类中心bi，i＝1,2，…，k；

步骤(2)：分别计算每个输入向量到各个聚类中心的距离，把每个输入向量分配到距离它最近的聚类中心；

步骤(3)：将每个聚类中心与被分给它的输入向量一起构成一个类，再次计算每个类的新的聚类中心bi；

步骤(4)：重复步骤(2)和(3)，直到聚类中心不再改变；

所述步骤(1)中的最佳聚类数目k，根据以下公式求得

式中，dij表示两个聚类中心i和j之间的距离；si表示输入向量到聚类中心i的距离；sj表示输入向量到聚类中心j的距离；求取k值为2到10之间的db值，与最小db值对应的k值即为最佳聚类数目。

本发明中，所述过程四具体包括：对过程三得到的聚类结果进行分析，确定所选特征参量的范围并与复合材料纤维断裂、纤维/基体脱粘、基体开裂损伤模式下声发射信号的特征参量进行对比，建立高压复合材料储氢气瓶特征参量范围与纤维断裂、纤维/基体脱粘、基体开裂损伤模式之间的对应关系，从而能够根据气瓶监测到的声发射信号特征参量范围确定损伤模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以有效过滤干扰信号，获得损伤信号特征。本发明设计的声发射信号的经验模态分解和重构声发射信号特征参量可以有效保留原始声发射信号的相关信息。

(2)本发明设计的k均值聚类法可以准确对声发射信号进行分类，有利于将聚类信号与高压复合材料储氢气瓶的损伤模式进行对应。

(3)本发明可以有效判断高压复合材料储氢气瓶的损伤机制与损伤演变过程，为后续复合材料气瓶的声发射定期检测奠定基础。

附图说明

图1为本发明高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法流程图。

图2为本发明实施例中45db的低幅信号分解为多个imf的波形图。

图3为本发明实施例中70db的中幅信号分解为多个imf的波形图。

图4为本发明实施例中89db的高幅信号分解为多个imf的波形图。

图5为本发明实施例中气瓶v1在158mpa水压试验中的聚类个数-db关系图。

图6为本发明实施例中气瓶v1在158mpa水压试验中的绝对能量-幅值聚类图。

图7为本发明实施例中气瓶v1在158mpa水压试验中的能量-峰值计数聚类图。

具体实施方式

本发明中，用于分析和计算的数据是通过基于声发射技术的复合材料气瓶水压爆破监测方法获得的，其主要操作步骤可以参照名称为“基于声发射技术的复合材料气瓶水压爆破监测装置及方法”(申请号为201810026266.1)的中国发明申请的公开内容。主要包括：在待测的高压复合材料储氢气瓶上均匀布置至少包括8个宽频传感器，并分别通过信号线连接至声发射检测系统；进行声速测量，全程采集各宽频传感器的声发射信号数据和压力数据；将采集到的数据传送至计算机，并进行后续处理。

高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法，包括以下步骤：

过程一、使用经验模态分解法(emd)分解原始声发射信号为多个本征模态函数(imf)；

过程二、选择包括声发射信号主要特征的若干个imf重构声发射信号的特征参量并通过线性相关分析确定主要特征参量；

过程三、使用k均值聚类法对特征参量进行聚类；

过程四、分析聚类结果，得到主要特征参量与损伤模式的关系；

最终获得的数据能够将主要特征参量的信号范围和损伤模式对应，能够用于高压复合材料储氢气瓶损伤模式识别。

过程一至过程四的具体内容如发明内容部分所述。在本发明的具体计算过程中，将使用到经验模态分解法(emd)、线性相关分析法、k均值聚类法等计算方法；这些都是本领域技术人员熟练掌握的，本发明不再赘述。

以下结合具体实施例子来说明本发明的实施效果：

原始声发射信号来源于对70mpa碳纤维全缠绕复合材料储氢气瓶v1进行0～158mpa水压试验的过程。

声发射信号处理方法的流程如图1所示。首先选择45db的低幅信号、70db的中幅信号和89db的高幅信号进行经验模态分解，每个信号得到7个imf，按顺序记为imf1，imf2，…，imf7，如图2～4所示。比较imf波形与原始数据信号，选择前三个高频率的imf1、imf2和imf3来重构声发射信号的特征参量，得到相应的特征参量；使用线性相关分析法分析特征向量间的相关性，选择相关系数最低的绝对能量-幅值和峰值计数-能量两组特征参量作为主要研究对象。

根据db公式求出70mpa碳纤维全缠绕复合材料储氢气瓶v1的数据在取不同聚类个数k时的db值，发现k＝3时db值最小，即声发射信号3个聚类为最佳聚类，如图5所示。

以绝对能量为横坐标，幅值为纵坐标做出气瓶v1进行0～158mpa水压试验的绝对能量-幅值散点图；再使用k均值聚类分析法把每个散点图分为三个聚类，记为cl-1、cl-2、cl-3，如图6所示。同理，得到能量-峰值计数散点聚类图，如图7所示。

对聚类结果进行分析，得到气瓶v1在158mpa下的cl-1、cl-2、cl-3幅值、绝对能量、能量的范围，其中cl-1的幅值为40-63db，绝对能量0-3×10³aj，能量0-20；cl-2的幅值为57-76db，绝对能量3×10³-4×10⁴aj，能量20-90；cl-3的幅值为70-100db，绝对能量大于4×10⁴aj，能量大于90。复合材料层合板的公开研究表明复合材料主要失效机制为基体开裂、纤维/基体脱粘、纤维断裂，且基体开裂的幅值为40-60db，绝对能量为0-2×10³aj；纤维断裂的幅值为80-100db，绝对能量为2.5×10⁴aj；纤维/基体脱粘的幅值和绝对能量介于基体开裂和纤维断裂之间。对比发现cl-1类信号为基体开裂，cl-2类信号为纤维/基体脱粘、cl-3类信号为纤维断裂。

可见，利用本发明提供的高压复合材料储氢气瓶声发射信号处理方法可以有效判断高压复合材料储氢气瓶的损伤机制。