基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器（PZTs）阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[k_min,k_max]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明：基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。     

基于概率成像的复合材料加筋壁板冲击损伤监测

基于压电传感器的Lamb波损伤成像方法已广泛用于复合材料结构的损伤识别与定位中,但由传感器网络布置所带来的成像背景会影响损伤成像效果,降低损伤定位精度.针对这一问题研究了损伤概率成像优化方法,假设各激励-传感通道损伤因子一致得到成像背景,通过抑制成像背景来对复合材料加筋壁板结构进行冲击损伤监测.成像结果表明,该优化方法相比于未抑制成像背景的概率成像算法,其成像最大概率点像素值与损伤中心点对应的像素值相对差值降低了约10%,同时冲击损伤的定位精度相比优化前提高了约2mm.     

基于Lamb波和Hilbert变换的复合材料T型加筋损伤监测

为了监测整体成型复合材料结构的损伤,提出了一种基于Lamb波和Hilbert变换的能量损伤指数。首先,通过应用Hilbert变换提取Lamb波信号的波形包络;然后选取具有最大峰值的波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示;该方法不需要选择特定的Lamb波模式,克服了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难;最后在复合材料T型加筋的损伤演化试验中,对该能量损伤指数进行了应用验证研究。研究结果表明：该能量损伤指数可以用于复合材料T型加筋的损伤监测,当能量损伤指数（EDI）值达到0.62时,所研究的复合材料T型加筋确定有损伤产生。     

基于Shannon 复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。      

Lamb波结构损伤检测温度补偿方法仿真与实验研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。由于环境温度的改变使得结构的材料性能发生变化，从而导致导波在结构中的传播也发生变化。因此对于需要利用完整结构的基准状态信号对比当前信号来判定结构损伤存在与否的Lamb波线性损伤检测方法来说，波动传播温度影响的补偿就显得尤为重要。本文基于压电激励Lamb波传播过程分析研究了信号扩展时域温度补偿方法，分别进行了不同温度下Lamb波传播与损伤检测的有限元数值仿真和实验，利用基准信号选择和基准信号扩展的温度补偿方法处理波动响应信号。仿真和实验结果表明了温度补偿方法的有效性，得到了基准信号集中最大温度间隔要求，能够有效识别环境温度变化下的结构损伤。     

基于虚拟时间反转的高分辨率复合材料板结构损伤成像

针对传统时间反转(TR)方法消除Lamb波传播时间和操作复杂的问题, 提出了虚拟时间反转(VTR)方法。该方法采用换元激励和接收机制以保留时间信息, 并运用信号运算代替物理TR操作。讨论了基于阶跃激励获取损伤监测路径传递函数的VTR实现过程。提出了基于VTR的高分辨率损伤成像方法。为了降低复合材料各向异性的影响, 在成像中进行了速度修正。实验结果表明, VTR方法能对碳纤维复合材料板中的Lamb波损伤散射波包进行部分再压缩和TR聚焦, 通过本文中成像方法也能清晰显示出板中单个和两个近邻损伤。      

无参考Lamb波相控阵结构损伤监测成像方法

超声相控阵结构健康监测中通过计算差信号获取损伤散射信号的方法易受环境和结构变化的影响,针对这一问题,提出无参考信号的相控阵结构健康监测成像定位方法。采用窗函数截取散射信号,剔除直达波和边界反射信号。基于相控阵方法,对结构损伤状态时的传感器响应信号进行处理,无需结构健康状态时传感信号作为参考。该方法在碳纤维复合材料板结构上的实验研究证明,采用无参考信号的超声相控阵方法能够精确实时地监测并清晰表征结构损伤;同时,该方法可以大大缩短监测时间,且不受环境条件变化的影响,为该方法的工程化应用奠定基础。     

基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

基于概率损伤算法的复合材料板空气耦合Lamb波扫描成像

采用非接触空耦传感器在准各向同性复合材料板中激励出单一的Lamb波模态,用于分层缺陷的扫描检测。扫描时,激励和接收传感器置于复合材料板同侧并相对倾斜布置,传感器沿2个正交方向同步线性扫描,得到不同位置的检测信号。对不同扫描路径下的检测信号进行连续小波变换,提取激励频率下的小波系数包络信号,对分层缺陷进行成像。在此基础上,利用概率损伤算法定义损伤指数,结合不同方向的损伤指数实现分层缺陷成像。采用全加法和全乘法对2个正交扫描方向得到的成像结果进行数据融合,实现了分层缺陷的定位和重构。并在成像算法中引入阈值,进一步提高了分层缺陷的定位精度以及重构质量。     

复合材料加筋壁板损伤识别的概率成像方法

由于不需要超声导波的波速和传播时间,损伤概率成像方法特别适合于复合材料结构的损伤识别。但是其损伤概率分布函数是一种不精确的分布概率,会造成损伤定位精度的降低,从而会影响其在实际工程结构中的应用。为了提高其损伤定位精度,提出了一种改进的损伤概率成像方法。该方法通过利用损伤因子与损伤距离激励-传感通道直达路径的相对距离的关系,对损伤概率成像方法的损伤概率分布函数进行了改进。通过对复合材料加筋壁板上不同位置损伤的识别,对所提方法的有效性进行了验证。实验结果表明,该方法不仅能对复合材料加筋壁板的单损伤进行准确定位,而且能对两个损伤进行有效识别。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。