专利名称：基于瞬时相位变化度的损伤检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械结构检测技术领域的方法，具体是一种基于瞬时相位变 化度的损伤检测方法。
背景技术：
近二十年内，超声导波(如兰姆波)已被广泛应用于无损健康检测领域。基于超声 导波的损伤识别方法通常是把试件无损伤时所采集的波信号作为基准波信号，并把当前所 采集的检测波信号与基准波信号进行对比，从而提取出由损伤散射的波信号的特征信息， 如飞行时间(ToF)等，达到损伤识别和定位等目的。由于超声导波不可避免的频散特性以 及工作环境中的噪声严重降低了检测波信号的信噪比(SNR)，很难依据原始的检测波信号 评估出损伤散射的波信号的ToF。因此信号处理技术对基于超声导波的损伤识别起到至关 重要的作用，决定了 ToF的精确评估以及三角定位方法的有效性。至今已有多种信号处理 技术被广泛应用于提高信号的SNR。经过对现有技术的检索发现，《QuekS Τ, Tua P S，Wang Q. Detecting anomalies in beams and plate based on the Hilbert-Huang transform of real signals. Smart Materials and Structures, 2003,12(3) :447_460.》(基于对实际信号的 Hilbert-Huang 变换诊断梁和板结构中的损伤异常)中利用Hilbert-Huang变换(HHT)和文献《Ip K H,Tse P W, Tam H Y. Extraction of patch-induced Lamb waves using a wavelet transform. Smart Materials and Structures, 2004,13(4) :861_872.》(利用小波变换提取碎片引起 的兰姆波)中利用小波变换(WT)。然而在实际的工作环境中，检测波信号可能被不确定的 噪声干扰。如果噪声能量分布在目标波信号的频率带内，此时通过HHT和WT仍然无法有效 地排除噪声，导致无法正确地评估出损伤散射的波信号的ToF。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于瞬时相位变化度的损伤检测 方法，具有较好的抵抗随机噪声干扰的能力，即使所采集的波信号的SNR较低该方法仍然 可以正确地评估损伤散射的基础阶对称(Stl)模式的ToF，进而结合三角定位方法成功地识 别和定位损伤。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤一、首先将换能器固定在待检测对象的表面或镶嵌于待检测对象的结构内 部，每一对换能器以一发一收的方式设置，组成一条激励-感应波信号的传感路径，若干条 传感路径构建成传感网络，所覆盖的待检测对象的区域为检测区域；所述的换能器为锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。步骤二、在待检测对象无损伤的状态下利用超声导波对其进行检测，采集无损伤 时的检测波信号并记录为基准波信号，然后利用超声导波对其进行实时检测并采集当前的 检测波信号并记录为检测波信号，最后利用SSP方法对基准波信号和检测波信号进行分谱处理分别得到基准波信号和检测波信号的瞬时相位变化度后进行特征提取处理，得到损伤 散射的波信号的飞行时间；所述的分谱处理是指将采集到的波信号从时域转换至频域后进行带通滤波后再 转换至时域，得到瞬时相位变化度。所述的从时域转换至频域是指对采集的时域波信号进行快速傅里叶变换，得到 原始波信号r(t)的频率_能量谱，其中能量谱的能量最大值，即能量峰值的一半所对应的 起始频率和截止频率分别被用于指定信号的主要频率带。所述的带通滤波是指采用总数为M的高斯带通滤波器组对频率-能量谱进行滤 波，得到M个相互重叠的频率带&(ω)，i = 1 M，其中ω为频率变量，该高斯带通滤波 器的带宽均为2Χ Af，其中心频率依次为fp i = 1 M，相邻两个高斯带通滤波器之间的 频率间隔为Δ ·，其中Δ ·= 1/Τ，Μ = ΒΤ+1，Τ是信号的采样时间，即信号总的时间长度；B 为主要频率带的带宽。所述的转换至时域是指将M个频率带Xi(Co)分别进行独立的傅里叶逆变换，得
到M个时间域信号Xi⑴以及瞬时相位变化度IPVD⑴，其中4(0 = Χτ{ω)· Μ ω，t
2π ‘-00
为采样时间点，O < t ( T，Xi(t)的各个采样时间点的信号幅值与该时间域信号的瞬时相位 相同。所述的瞬时相位变化度为:IPVD(t)= Xmax(t)-Xmin⑴，其中=Xfflin(t) =min(Xl(t), X2 (t),. · · Xi (t). . . xM (t)), Xmax (t) = max (X1 (t), X2 (t),. . . Xi (t). . . χΜ (t)),当 Xi (t)的瞬时
相位在较小的范围内变化，则对应较小的IPVD(t)值；相反，则对应较大的IPVD(t)值。所述的特征提取处理是指当基准波信号的IPVD(t)，即IPVDbmcwk⑴大于检验 波信号的IPVD (t)，即IPVDdamagJt)时，则在对应的采样时间点t时刻出现损伤散射的S。模 式，并由IPVDbmcWk(t)和IPVDdamage⑴的差值得到损伤散射的Stl模式的ToF，具体为计算
\rdamagM A(t)>A(TA_s) ο,其它 ；其中TA_S是激发的Stl模式从激励点直接传播到感应点所需要的ToF，当激发的Stl 模式到达时TA_s)IPVDbmcWk(t)与IPVDdamage(t)之间的差值Δ (TA_S)为阈值，在TA_S后，当 Δ (t)的值比Δ (TA_S)大，则在t时分谱处理算法的输出y(t)等于原始检验波信号rdamage(t) 的幅值，否则y(t)的值为O ；其中的第一个值不为O的y(t)所对应的采样时间点则为Stl模 式从激励点传播到损伤，再从损伤传播到感应点所需要的ToF，即TA_D_S，所述的激励点和感 应点分别是指激励换能器和感应换能器的位置。步骤三、采用三角定位方法根据飞行时间计算得到损伤的坐标位置，并结合传感 网络中各条传感路径所评估的ToF绘制出多条坐标轨迹，该坐标轨迹的交汇区域为损伤可 能出现的区域，具体包括以下步骤3.1)计算以下方程式的解Td = TA_D_S_TA_S = (Ta_d+Ld_s_La_s) /vg,La—d = ^J(Xa-Xd)2+(yA-yDf ,Ld—s = ^l(xD-xsf+(yD-ysf，
Δ (t) = IPVDbenchmark(t)-IPVDdamage(t),O ( t ( Τ,ΧΟ = ·
权利要求
一种基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、首先将换能器固定在待检测对象的表面或镶嵌于待检测对象的结构内部，每一对换能器以一发一收的方式设置，组成一条激励 感应波信号的传感路径，若干条传感路径构建成传感网络，所覆盖的待检测对象的区域为检测区域；步骤二、在待检测对象无损伤的状态下利用超声导波对其进行检测，采集无损伤时的检测波信号并记录为基准波信号，然后利用超声导波对其进行实时检测并采集当前的检测波信号并记录为检测波信号，最后利用SSP方法对基准波信号和检测波信号进行分谱处理分别得到基准波信号和检测波信号的瞬时相位变化度后进行特征提取处理，得到损伤散射的波信号的飞行时间；步骤三、采用三角定位方法根据飞行时间计算得到损伤的坐标位置，并结合传感网络中各条传感路径所评估的ToF绘制出多条坐标轨迹，该坐标轨迹的交汇区域为损伤可能出现的区域。
2.根据权利要求1所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的换 能器为锲形块状或薄片状压电陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的分 谱处理是指将采集到的波信号从时域转换至频域后进行带通滤波后再转换至时域，得到 瞬时相位变化度。
4.根据权利要求3所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的从 时域转换至频域是指对采集的时域波信号进行快速傅里叶变换，得到原始波信号r(t)的 频率_能量谱，其中能量谱的能量最大值，即能量峰值的一半所对应的起始频率和截止频 率分别被用于指定信号的主要频率带。
5.根据权利要求3所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的 带通滤波是指采用总数为M的高斯带通滤波器组对频率_能量谱进行滤波，得到M个相 互重叠的频率带Xi( )，i = 1 M，其中ω为频率变量，该高斯带通滤波器的带宽均为 2Χ Af，其中心频率依次为fpi = 1 Μ，相邻两个高斯带通滤波器之间的频率间隔为Af， 其中Δ f = 1/Τ,Μ = ΒΤ+1，Τ是信号的采样时间，即信号总的时间长度；B为主要频率带的 带宽。
6.根据权利要求3所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的转 换至时域是指将M个频率带Xi (ω)分别进行独立的傅里叶逆变换，得到M个时间域信号Xi⑴以及瞬时相位变化度IPVD⑴，其中
7.根据上述任一权利要求所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征 是，所述的瞬时相位变化度为IPVD (t) = Xfflax (t) -Xfflin⑴，其中xmin(t) = min (X1 (t)， X2 ⑴，.· · Xi (t). . . xM (t)), Xmax (t) = max (X1 (t), X2 (t),. . . Xi (t). . . xM (t)),当 Xi (t)的瞬时相位在较小的范围内变化，则对应较小的IPVD(t)值；相反，则对应较大的IPVD(t)值。
8.根据权利要求1所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述 的特征提取处理是指当基准波信号的IPVD (t)，即IPVDbenehmart⑴大于检验波信号的 IPVD(t)，即IPVDdamagJt)时，则在对应的采样时间点t时刻出现损伤散射的Stl模式，并由IPVDbenchmark (t)和IPVDdamage (t)的差值得到损伤散射的Stl模式的ToF，具体为计算
9.根据权利要求1所述的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，其特征是，所述的步 骤三具体包括以下步骤 (3. 1计算以下方程式的解
全文摘要
一种机械结构检测技术领域的基于瞬时相位变化度的损伤检测方法，首先将换能器固定在待检测对象的表面或镶嵌于待检测对象的结构内部并构建检测区域；然后在待检测对象无损伤的状态下利用超声导波对其进行检测并计算得到损伤散射的波信号的飞行时间；最后采用三角定位方法根据飞行时间计算得到损伤的坐标位置，并结合传感网络中各条传感路径所评估的ToF绘制出多条坐标轨迹，该坐标轨迹的交汇区域为损伤可能出现的区域。本发明具有较好的抵抗随机噪声干扰的能力，即使所采集的波信号的SNR较低该方法仍然可以正确地评估损伤散射的基础阶对称(S0)模式的ToF，进而结合三角定位方法成功地识别和定位损伤。
文档编号G01N29/44GK101995435SQ20101053304
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者孟光, 李富才, 苗晓婷 申请人:上海交通大学