非线性Lamb波疲劳损伤监测机理研究

传统的线性Lamb波损伤监测方法对微小损伤的敏感性很低,限制了Lamb波结构健康监测技术的应用和发展.分析了非线性Lamb波传播机理以及非线性Lamb波特征参数提取方法,在此基础上对非线性Lamb波结构疲劳损伤监测机理进行了实验研究.在T6061铝板上的实验验证表明:非线性Lamb波特征参数对结构疲劳等早期微损伤具有较好的敏感性,且非线性参数与损伤程度之间存在相同的变化趋势.为金属材料结构疲劳等早期损伤的预警和评估提供了可行的思路.     

基于椭圆定位与核密度估计算法的石墨烯/环氧树脂薄膜损伤检测

石墨烯/环氧树脂复合薄膜作为纳米复合薄膜材料,在气体检测、应变检测、保护图涂层和吸波涂层等领域具有广泛的应用。而复合薄膜在制备过程中可能会产生缺陷,将影响复合薄膜的性能。因此,快速、准确地检测并定位复合薄膜内部的损伤具有重要意义。提出了一种引入核密度估计算法的超声兰姆(Lamb)波损伤检测、定位系统装置,该系统由柔性损伤检测单元和缺陷位置显示单元组成,其中损伤检测单元由32对检测电极阵列和4个压电陶瓷(PZT)激励源构成;基于飞行时间测量,通过提取Lamb波损伤散射信号与激励信号到达各电极对的时间差,结合椭圆定位与核密度估计算法,利用上位机实现了薄膜内部多损伤检测定位及损伤的云图显示。同时,优化了损伤位置的定位算法,结果表明,改进的二维核密度估计算法提升了损伤定位的精度,其位置偏差优于8%。     

基于超声导波SC-DTW的金属板微损检测方法

针对金属板材的质量控制与服役性能评估问题,在对金属板材微损伤进行超声导波检测的基础上,结合形状上下文(shape context,SC)与动态时间规整方法对其损伤劣化程度进行量化评估.该方法以无损Lamb波信号为基准,采用动态时间规划(dynamic time warping,DWT)算法对损伤信号进行相似匹配分析对比,确定基准信号与损伤信号的最佳匹配路径.引入SC的轮廓识别方法对Lamb波的局部波形信息进行统计分析,以波形形状距离代替传统欧氏距离匹配方法,解决DTW相似匹配中的病态对齐问题.最后,将无损Lamb波与损伤Lamb波信号间SC-DTW匹配距离作为损伤程度的量化指标,采用随机闭合裂纹的有限元仿真模型和铝板弯折实验对所提出方法进行验证,结果表明,基于Lamb波SC-DTW的损伤量化指数对铝板早期裂纹具有较高的敏感性和较好的量化表征能力.该方法无需对波包进行识别,也不必进行复杂的特征提取,具有简单高效和抗噪声能力强等优点,在金属板服役性能评估与质量控制中有较好的实用性和推广价值.     

基于传播算子法的某型飞机油箱冲击定位

研究利用阵列信号处理技术实现冲击定位的新方法,通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分,运用传播算子法实现冲击源波达方向估计;根据Lamb波传播特性,用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb波到达同一传感器的时间差,结合对称模式和反对称模式Lamb的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离,从而实现冲击定位.在航空油箱上的实验表明:该方法能快速、精确地识别出冲击源的位置.     

相控阵超声监测成像与直方图匹配图像增强实验研究

相控阵超声监测成像是通过控制Lamb波发射与接收的时间延迟而控制其指向,当特定方向的Lamb波指向结构中损伤时形成反射信号,由此监测结构中损伤;将监测结构扫描范围内不同方向上Lamb波信号的归一化幅值用二维灰度图像显示,实现结构损伤成像。由于相控阵监测所得原始图像并不完美,因此,利用直方图匹配图像增强方法对原始图像进行处理,通过划分损伤图像的灰度级、统计各灰度级的分布情况、计算各灰度级的概率密度函数,得到直方图匹配处理的最终灰度变换关系,利用原始图像与输出图像各灰度级的映射关系,修改原图像的灰度级,获得增强图像。该方法在铝板、玻璃纤维复合材料结构与碳纤维复合材料结构中进行实验分析,验证方法的正确性和有效性。     

压电阵列星形布置与多路损伤扫查策略

针对复合材料结构的损伤主动监测进行研究。采用主动Lamb波和小波变换计算损伤散射信号的时间延迟,根据椭圆定位法进行损伤定位;提出压电传感器星形布置的优化布置方法,结合多路扫查,解决椭圆定位法的损伤监测盲区,从而扩大损伤监测范围、提高损伤判别的准确性,并能进行损伤程度的判别。通过实验系统验证了所提出方法的有效性。     

时频分析在复合材料无损检测中的应用研究

随着复合材料检测的发展,Lamb波无损检测技术日益受到重视。根据Lamb波多模式和频散的特点,以群速度-频厚积曲线为基础,采用短时傅利叶变换（STFT）的时频分析方法,以层合板复合材料为实验对象,与单独在时域、频域中分析相比较,结果表明：STFT可有效地识别Lamb波的传播模式,并可准确地对能量成分进行分析。     

计算机在砼内缺超声探测中的应用

根据超声波传播速度、首波幅度及接收波频率等参数与砼结构内部缺陷的相关关系，研究了一种微机检测系统。该系统包括数据采集、信号处理和缺陷判断三个主要部分，用于探测结构混凝土的内部缺陷。本文重点介绍了声时和首波幅度的快速算法、接收波形的频谱分析方法以及基于模糊数学原理和产生式规则的两种缺陷判断方法。     

用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器

基于铁磁性材料的磁致伸缩特性,提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。该传感器分为激励和接收两部分,由8字型线圈、镍带以及偏置永磁铁组成。根据磁致伸缩效应,激励部分在板中激励导波,波在板中传播,遇缺陷及边缘反射,通过磁致伸缩逆效应,由接收部分接收其反射信号。根据反射信号的到达时间和波在板中传播的速度,可判断出板中缺陷所在位置。改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向可以在板中激励不同波型的导波。实验结果证明:该传感器设计是可行的,且具有价格便宜、灵敏度高、可与被测结构分离等优点。     

高分辨率超声Lamb波频散曲线测量与板厚估计

超声Lamb波在工业无损检测与 评价中具有广阔的应用前景。但受制于超声导波多模式频散与混叠的影响,如何实现高分辨率超声导波的模式分离与频散曲线提取,进而定量分析材料的健康状况一直是研究的热点与难点。本文旨在将现代信号处理中广泛采用的谱估计技术应用于超声Lamb波阵列信号分析,并通过提取频散曲线定量测量板厚度。以经典参数谱估计法中的Yule-Walker法与Burg法为例,实验测量和分析了3 mm,4 mm和 5 mm厚铝板中的宽带多模式Lamb波信号,准确地提取了铝板中的宽带Lamb波频散曲线,并比较了两种经典谱估计方法与二维傅氏变换法的性能,最终实现了铝板厚度估计。     

基于CRIO和无线传输的结构损伤主动监测系统设计

飞机结构损伤监测技术是确保其结构完整性、可靠性和安全性的关键技术。为了实现飞机大面积曲面结构的主动损伤监测，利用柔韧性良好的0-3型压电涂层复合材料和Lamb波传播距离远及对细微缺陷的高敏感性，基于CRIO(Compact RIO)平台和LabVIEW环境设计了结构损伤监测的软硬件系统。系统由激励探头、压电涂层传感器阵列、CRIO数据采集平台、WiFi无线传输网络、监测中心上位机及软件等部分组成，研制的压电涂层传感器能够较好地贴合于机翼等曲面结构，应用CRIO技术实现了测试设备的可重复配置与快速测试，无线数据传输能够克服大量传感器布置带来的布线复杂问题。将该系统应用于曲面铝板损伤监测模拟实验，验证了该系统测试信号的有效性和损伤定位结果的准确性。     

基于轻量级双层金字塔结构的伞裙破损检测算法

在无人机电力线路巡检系统中，针对伞裙破损检测的准确性和实时性，该文提出了一种基于双层金字塔结构的轻量级伞裙破损检测算法，通过充分提取图片中高低级语义特征，可有效防止有用信息被过滤。同时，利用多通道特征增加了模型特征表达能力。此外，该文还利用深度可分离卷积来优化卷积内核性能，使其可以在低功耗嵌入式系统上实时运行。实验结果表明，该算法在不同光照、拍摄角度和破损模糊条件下，对伞裙破损检测均有较好的准确性、实时性和鲁棒性。     

基于ARM-Linux的钢丝绳损伤检测系统设计

针对现有钢丝绳检测系统实时性与适应性差、自动化程度低的问题,提出了一种基于ARM-Linux的高性能钢丝绳损伤检测系统的设计方案,详细介绍了该系统的硬件组成、工作原理、软件实现方法及实时采样曲线绘制的设计与实现。该系统结合嵌入式Linux技术和漏磁无损检测技术,可独立完成检测任务,实时显示检测波形,提高了检测效率。     

基于稀疏表示的兰姆波模态分离方法研究

针对超声阵列检测过程中兰姆波的频散和多模态特性带来的信号分析困难问题,提出了一种基于稀疏表示的兰姆波模态分离方法,并将其应用于金属板结构兰姆波模态分离中。根据S;和A;模态兰姆波在时域上的波形差异,研究S;、A;单模态字典和复合字典的构造方法,将待测信号在复合字典上进行稀疏分解,采用带相干性准则的最小角回归算法求解稀疏系数,从多模态信号中提取S;、A;单模态信号。将所提出的方法应用到仿真和实验信号分析中,结果表明,该方法可以很好地实现检测信号中单模态兰姆波信号的提取。研究工作有助于解决金属板结构中多模态兰姆波的模态分离问题。     

基于稀疏导波的裂纹定位和尺寸评估

材料在使用过程中,受各种因素的影响,会不可避免地产生诸多损伤,破坏材料结构完整性的同时,也具有一定的安全隐患;在无损检测中,尤其是导波检测领域,由于缺乏高效方法对材料结构中存在的损伤进行尺寸检测,因此使用导波方法对材料进行微裂缝等损伤的检测的过程中仍然存在很多困难;对一种基于稀疏导波的损伤检测方法进行了研究,可以在进行结构损伤定位的同时对损伤尺寸进行测量;研究表明,使用导波进行损伤检测时,由损伤而产生的复杂反射波中包括很多与损伤形状和尺寸相关的信息,但是这些信息并不明显,且信号重叠无法区分;因此,提出一种稀疏lamb波方法来分解由材料损伤产生的反射信号的各个分量;在此基础上,通过确定各个反射信号分量相应的传播时间来计算材料损伤尺寸;最后,在具有人工损伤的铝板上进行实验验证,结果表明,基于稀疏导波损伤检测的方法是可行的。     

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列.由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一S0模态兰姆波.实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响.另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响.结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好.     

基于morlet小波与模态分析的突发型声发射源定位研究

在建立基于声发射技术的裂纹产生与拓展检测系统的基础上.以薄钢板为实验对象,研究了Lamb波在薄板中传播的频散及多模态特性,并结合morlet小波时频联合分析方法,提出了一种针对声发射信号在薄板中传播时产生的不同模态进行识别的方法.通过提取不同模态波到达同一传感器的时间差并依据不同模态波对应的波速实现对出现裂纹的位置进行定位.经过实验研究表明,运用该方法不仅能准确地识别A0、S0模态波并实现对声发射源进行精确定位.     

压电晶体传感器激励模型及其在结构健康监测中的应用

在结构健康监测系统中,基于应力波的结构损伤诊断技术是一种主动的局部损伤检测方法.压电晶体传感器作为激励部件可以在结构中引入高频应力波;其同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波动的能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象.通过对附着在无约束金属板上的压电晶体传感器(PZT)激励模型的理论分析及有限元数值计算,说明PZT能有效地产生检测应力波,并可将其应用在结构局部损伤检测中.