基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

基于密集阵列的参数化Lamb波检测技术研究

Lamb波具有衰减慢、模态多、对结构几何特性和材料属性变化敏感等特点,在大型板壳结构的远距离、大范围快速检测技术研究领域得到了众多的关注.传统Lamb波成像算法将多组散射信号时间相关参数映射到结构每一个离散空间网格上实现缺陷信息的可视化.该类算法的执行效率低,且无法直接提供缺陷位置参数信息.将缺陷成像问题转换为散射信号...     

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。     

主动Lamb波合成波阵面损伤成像监测方法

对基于压电阵列的主动Lamb波结构健康监测技术进行了研究.分析了主动Lamb波损伤监测过程中损伤散射信号的特点,在已有研究成果基础上,研究提出合成波阵面损伤成像方法.利用压电阵列合成激励波阵面实现对Lamb波损伤散射信号的相干增强,给出了基本原理和实现技术;结合时间反转理论,给出了基于合成波阵面激励的损伤成像监测方法;在复合材料板结构上进行了实验研究,并与传统的单一压电片激励方法进行了分析和对比,实验结果表明,合成波阵面损伤成像监测方法能够有效提高Lamb波损伤散射信号的能量和监测的质量,增强抗干扰能力,同时对该方法存在的问题和解决办法进行了简单分析.     

基于连续小波变换的厚壁管道周向导波扫描成像试验研究

采用周向导波用于厚壁管道中的缺陷扫描检测。基于连续小波变换提取特定频率下小波系数包络信号用于厚壁管道缺陷成像。试验中斜探头以步长为2 mm轴向扫描检测轴向缺陷,得到斜探头晶片覆盖轴向缺陷不同程度时的检测信号。截取包含缺陷回波和周向回波的信号并得到频率点500 kHz的小波变换系数包络信号,与频散曲线对比分析得到检测信号主要为周向类Lamb波模态CL3。进一步利用不同扫描点处检测信号的连续小波变换系数包络信号并进行幅值包络成像。利用该幅值包络成像重构得到轴向缺陷并有效确定该缺陷的长度。基于连续小波变换得到的特定频率点处幅值包络信噪比较好,且成像结果具有较高的聚焦性。因此,利用基于连续小波变换的幅值包络成像方法可提高检测信号识别以及缺陷识别能力。     

基于十字形阵列和2D-MUSIC算法的Lamb波检测

采用由压电传感器组成的十字形阵列进行Lamb波信号的激励和接收,提出一种二维多重信号分类(2D-MUSIC)方法对铝板中的缺陷进行定位检测。选用合适的频率激励产生单一模态信号,可避免多模态的影响,降低Lamb波的频散;利用2D-MUSIC算法对接收信号进行分段处理,并结合反射信号和二维导向矢量对铝板中的缺陷进行定位。结果表明,提出的2D-MUSIC算法对铝板中的缺陷定位比传统MUSIC算法更精准。     

无基准Lamb波时间反转损伤概率成像监测方法

根据损伤散射信息进行结构损伤特征参数提取与损伤监测,是Lamb波结构健康监测研究中的最为有效的方法之一,而目前常用的有基准差信号提取损伤散射信号技术在应用中存在实用性差的问题.采用Lamb波时间反转聚焦原理,结合损伤概率思想,提出了无基准损伤概率成像监测方法.利用信号时间反转处理对波源的自适应聚焦机理,消除Lamb波的频散效应;并根据单模式Lamb波响应信号的各波包在时反聚焦信号中的相对时刻,提取损伤散射信号的传播时间,以此计算出结构中各点出现的损伤概率,从而实现对损伤的成像、定位和监测.在金属铝板结构上的实验表明,该方法可在无需基准信号的情况下,较为清晰地分离出损伤散射信号和信息,得到结构各点的损伤概率图像,有助于结构健康监测的实用化.     

方向性损伤的Lamb波压电线阵扫描成像与评估

对方向性损伤的Lamb波定量监测与评估方法进行了研究,采用了线性压电阵列布置方法,基于传感阵列各阵元捕获到的Lamb波损伤散射信号之间的相位情况,扫描方向性损伤反射信号的相位延迟信息,实现损伤和方向中心位置的判定。根据判定损伤方向,通过线阵旋转处理,研究改进了时间反转损伤成像评估方法,实现对方向性损伤的成像和评估。在铝板结构上的实验研究表明,该方法可以实现对损伤方位和尺寸的定量评估,较现有成像方法具有更好的抗干扰性和准确性。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

基于Lamb波时间反转法的复合材料损伤检测

为检测复合材料损伤,利用Lamb波时间反转法的聚焦特性,在复合材料布置压电传感器激励和接收Lamb波.时间反转法无需对比基准信号就能快速准确地实现损伤的判别,提出的改进损伤成像方法可实现损伤情况可视化.实验研究验证了检测方法的有效性和改进损伤成像方法的优越性.     

包络提取在冲击损伤成像方法中的应用

为了提高复合材料冲击损伤的监测效率和定位精度,提出了一种基于希尔伯特黄变换的损伤成像方法。利用希尔伯特 黄变换对信号包络进行提取后再成像,可以有效简化原始信号,同时提高模式走时提取精度和损伤监测效率。试验表明：在对复合材料层合板的冲击损伤进行成像的过程中,利用时域信号包络进行损伤成像可以明显改善成像效果,而不改变损伤定位精度;相对于短时傅里叶变换,希尔伯特 黄变换在信号包络提取和成像效果方面更具有优势。     

基于PZT结Lamb波方向算法的损伤定位方法

基于Lamb波在板中的传播特性,针对复合材料的损伤检测,提出一种新型的损伤定位方法。该方法采用3个压电陶瓷片( piezoelectric transducers,简称PZT)组成PZT结,通过从各PZT中提取出损伤散射信号,找到其损伤波包到达的时间差,并依据Lamb波的传播速度得到位移差。首先,结合PZT结中各PZT的几何位置,具体推导出损伤方向算法,运用方向算法找到Lamb波在损伤位置发生散射后的其中一个传播方向,通过传播方向的交点来实现损伤位置的判定;其次,分析了互相关理论的基本原理,并运用互相关算法提取出损伤散射信号;最后,在碳纤维增强树脂基复合材料薄板上对该算法进行实验验证,求出了损伤方向以及损伤位置。验证结果表明,该方法能够对复合材料损伤进行有效的定位。     

基于单激发端多接收端压电阵列的板内损伤检测

基于超声导波技术研究了板状结构的损伤检测。理论分析了平板中Lamb波的传播特点;利用有限元耦合场模拟方法模拟了平板中Lamb波的传播及裂纹对Lamb波的影响;根据有限元模拟结果,分析了裂纹尺寸对Lamb波传播的影响;为检测损伤的位置,建立了单激发端多接收端的压电阵列;结合概率成像算法,建立了损伤分布场,该分布场的成像结果直观地反映了损伤的位置和严重程度。     

Design of minimum multiplier fractional order differentiator based on lattice wave digital filter

In this paper, a novel design of fractional order differentiator (FOD) based on lattice wave digital filter (LWDF) is proposed which requires minimum number of multiplier for its structural realization. Firstly, the FOD design problem is formulated as an optimization problem using the transfer function of lattice wave digital filter. Then, three optimization algorithms, namely, genetic algorithm (GA), particle swarm optimization (PSO) and cuckoo search algorithm (CSA) are applied to determine the optimal LWDF coefficients. The realization of FOD using LWD structure increases the design accuracy, as only N number of coefficients are to be optimized for Nth order FOD. Finally, two design examples of 3rd and 5th order lattice wave digital fractional order differentiator (LWDFOD) are demonstrated to justify the design accuracy. The performance analysis of the proposed design is carried out based on magnitude response, absolute magnitude error (dB), root mean square (RMS) magnitude error, arithmetic complexity, convergence profile and computation time. Simulation results are attained to show the comparison of the proposed LWDFOD with the published works and it is observed that an improvement of 29% is obtained in the proposed design. The proposed LWDFOD approximates the ideal FOD and surpasses the existing ones reasonably well in mid and high frequency range, thereby making the proposed LWDFOD a promising technique for the design of digital FODs.     

结构裂纹损伤的Lamb波层析成像监测与评估研究

结构健康监测研究中,板壳类结构裂纹损伤监测一直是研究的热点。采用基于相关性分析的概率损伤重构算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage,RAPID),对结构裂纹损伤监测进行研究。利用RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构,克服了Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响。在此基础上提出一种改进的RAPID算法,根据裂纹损伤对Lamb波监测信号的反射及散射作用,通过校正损伤区域中裂纹方向上的信号差异系数值(Signal difference coefficient,SDC),强化裂纹方向上的重构图像信息,实现对裂纹损伤的图像重构,并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。试验结果表明,该方法能较为准确地实现对裂纹损伤的直观图示,重构出的裂纹层析图像能很好地反映裂纹的信息,实现方向及长度的评估,可用于对裂纹损伤的定量评估和扩展监测。     

基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法研究

本文提出了一种基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法,在结构中央布置环形压电传感器阵列实现对结构的全方位扫描监测,消除了主动Lamb波空间滤波器监测方法中盲区及远场对监测效果的影响。环形阵列由直径方向不同角度的4个线阵组成,每个线阵采用主动Lamb波空间滤波监测方法对结构损伤进行监测、成像,各阵列成像结果通过PCA-小波变换进行融合对损伤位置进行判别,从而实现结构全方位损伤扫描监测,消除单个阵列损伤监测的盲区、远场及虚假成像等影响,进而获得更加准确的损伤监测结果。通过实验研究,验证了该方法的有效性和实用性。     

板结构裂纹兰姆波阵列复合成像方法研究

针对板结构中裂纹方向识别及定量检测问题,提出了一种板结构兰姆波阵列复合成像方法。利用超声阵列采集的单模态兰姆波全矩阵数据,分别提取其幅值信息和极性信息,进行全聚焦成像和极性一致成像,并利用极性一致成像对全聚焦成像进行了加权处理;对全阵列进行子阵列划分,计算出各子阵列的特征矢量,并进行加权合成,得到矢量全聚焦成像;利用全聚焦成像的强度信息和矢量全聚焦成像的方向信息,综合得到兰姆波阵列的复合成像,并从中提取出缺陷的方向及空间分布范围等信息。实验结果表明,提出的兰姆波阵列复合成像方法可以很好地实现板中多个裂纹方向识别,其角度测量误差在20%以内。本文工作为裂纹缺陷识别及定量检测做了有益探索。