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.     

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。     

基于圆形压电阵列的主动Lamb波损伤成像监测研究

对主动Lamb波结构健康监测中的压电阵列技术进行了研究。分析了传统的矩阵式压电阵列在应用中存在的问题,基于回声式原理研究设计了圆形压电阵列方法,分析了该方法的特点和信号采集过程,结合时间反转成像技术,实现对损伤的监测,实验结果表明:该方法能克服传统矩阵式压电阵列在应用中存在的监测范围、信号监测能力差异等问题,最后分析了圆形压电阵列还存在的问题。     

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。     

基于振动响应分析的盆式绝缘子损伤检测系统

目前盆式绝缘子损伤检测方法为被动式,且存在漏检现象。提出了一种基于Lamb波的主动激励式盆式绝缘子损伤检测系统的设计方案。该系统通过粘贴在盆式绝缘子表面的压电元件激发Lamb波,利用Lamb波在盆式绝缘子内部传播过程中遇到损伤时传播特性会发生改变的特征,通过差值法和阈值判断法对接收端的Lamb波分析处理判断出盆式绝缘子内部损伤状况。试验结果表明所设计的系统能够准确的检测出微小损伤并确定损伤区域,具有良好的应用前景。     

基于空气耦合超声Lamb波对铝板的特征成像检测

A0模态Lamb波因具有低衰减、短波长、对缺陷敏感等优良特性被用于检测大面积层板结构。为了实现铝板中缺陷的检测与重构,提出了一种基于空气耦合Lamb波扫描成像检测技术,对存在冲击损伤的铝板进行扫描检测。扫描时,激励与接收传感器置于铝板同侧并倾斜布置,沿着两个相互正交的方向进行Lamb波扫查,对正交路径下的检测信号进行快速傅立叶变换(FFT),将得到的频域信号与基准频域信号之间的信号差异系数（SDC）作为特征值,并结合损伤概率成像算法和数据融合算法进行缺陷的重构和成像。实验结果表明,基于损伤指数的特征值成像方法可以有效表征铝板缺陷,成像结果与缺陷实际位置非常吻合。     

基于Lamb波结构损伤诊断的量化评估实验研究

基于Lamb波结构损伤诊断技术开展相对量化评估层面的实验研究.基于环形单发射—多接收(STMR)阵列,通过数值计算验证了基于导波结构损伤诊断技术在定位识别技术层面的准确有效;针对诊断因子(DF)作为结构损伤相对量化评估有效参数的可行性进行分析,并通过模拟预置3种不同程度大小的损伤进行实验验证.实验结果表明:通过比较不同工况下判定损伤处对应诊断因子的数值大小,即可对结构损伤的相对严重程度进行量化对比分析,具有较好的工程应用前景.     

独立分量分析结合马氏距离的非监督损伤识别方法

为了解决结构损伤识别中监督学习方法在实际中难以获得损伤样本的限制,提出基于独立分量分析ICA( IndependentComponent Analysis)结合马氏距离判断结构损伤的方法.首先采用ICA方法提取统计独立源信号和混合矩阵,将混合矩阵作为特征参数输入至马氏距离判别函数,然后根据结构健康状态的马氏距离设计门限值,该门限值与检测信号的马氏距离的比较结果作为损伤判断的依据.在冲击载荷作用下,对钢框架结构模型进行了振动实验,结果表明:ICA方法提取的混合矩阵是一种有效的损伤特征参数,基于ICA和马氏距离的非监督学习方法能够正确识别结构损伤,从而为结构健康监测提供了一种行之有效的损伤识别方法.     

含金属芯压电纤维传感Lamb波方向性研究

含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型压电功能器件.阐述了基于小波变换的Lamb波能量因子计算原理,把MPF作为Lamb波传感器,分别采用幅值和小波变换能量因子的方法对MPF传感Lamb波的方向性进行了研究.研究结果表明:MPF对Lamb波的传感表现出很强的方向性.相比采用幅值表征的结果,采用能量因子进行传感方向性表征更...     

桥梁疲劳监测传感器设计

设计了一种桥梁疲劳监测传感器,它通过电阻不可逆变化的疲劳载荷响应机理拾取结构损伤信号。所设计的独特应变倍增器可将微弱的交变应变信号进行机械放大,使敏感元件在桥梁高周疲劳载荷作用下仍工作在敏感区。解决了疲劳敏感元件存在的较高动应变响应门槛值与结构较低动应变损伤间的矛盾,采用弓形弹性元件与硅橡胶预应力组合结构,得到了可靠性好、刚度低、放大率高及使用方便的理想结构,从而满足了桥梁结构长寿命、低应力工作特点的寿命检测要求。静载和疲劳试验说明:所设计的传感器具有很高的疲劳灵敏度、长期稳定性,完全适用于桥梁结构的高周疲劳检测。     

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.     

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.     

基于半解析模型的涡流传感器优化设计与实验研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点与实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器,设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案,构建了传感器损伤监测半解析模型,搭建了基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实时监测平台。通过对涡流阵列传感器的仿真和基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实验研究,确定了传感器的监测灵敏度,优化了传感器的特征参数。研究结果表明：传感器基材层阻碍了感应线圈与激励线圈的耦合,基材层应尽量薄。当涡流阵列传感器导电层厚度为0．12—0．18mm,激励线圈的最优宽度为0．8min,感应线圈的最佳厚度为0．5mm时,传感器的损伤监测灵敏度最高。     

基于无线疲劳监测系统的铝合金材料疲劳损伤研究

铝合金材料具有重量轻、强度高等特点,是国民经济发展的重要基础材料,在诸多领域(如飞行器设计与制造、建筑装饰等)中占有十分重要的地位。然而,其抗疲劳性能较差,在交变荷载作用下容易产生疲劳裂纹和发生疲劳破坏。提出了一种基于无线疲劳监测系统的铝合金材料疲劳损伤研究方法,实时监测了铝合金构件的疲劳应变,并实时分析了构件的疲劳损伤状况,为研究铝合金材料的疲劳性能提供了可借鉴性的方法。     

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。