本發(fā)明涉及一種復(fù)合板質(zhì)量檢測技術(shù)，特別是一種復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合板結(jié)構(gòu)健康檢測，是指利用某種檢測手段探測出復(fù)合板中存在的各種缺陷，如氣泡、雜質(zhì)、裂縫、腐蝕以及螺釘松動等。目前，結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出了多種可用于復(fù)合板無損檢測的方法，如超聲檢測、射線檢測、熱成像檢測、渦流檢測等。

復(fù)合材料，其組織結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，材料性能的離散性較大，產(chǎn)生缺陷的機(jī)理復(fù)雜多樣，從而導(dǎo)致在檢測較深部位缺陷時會遇到很大的障礙。在復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測中，一種新型檢測方法是使用超聲導(dǎo)波中l(wèi)amb波進(jìn)行檢測，超聲導(dǎo)波在復(fù)合板中傳播時，傳播距離遠(yuǎn)而且衰減小。lamb波在復(fù)合板中傳播時，如果基體組織發(fā)生顯著的變化，比如分層、孔洞等缺陷，lamb波會發(fā)生反射和散射等現(xiàn)象，此時接收到的響應(yīng)信號的幅值、頻率以及模態(tài)會發(fā)生變化。此時，基體組織中的缺陷信息就會包含在響應(yīng)信號之中，通過分析響應(yīng)信號，提取其中所包含的缺陷信息，就可以對缺陷的位置等信息進(jìn)行判別，從而實現(xiàn)對復(fù)合板的無損檢測與評價。

此外，阻抗技術(shù)也是一種有效的復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測方法，具有局部靈敏度高、傳感器便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于非規(guī)則結(jié)構(gòu)的復(fù)合板在線檢測領(lǐng)域。阻抗技術(shù)是指將被測復(fù)合板與傳感器耦合為一體，將被測復(fù)合板的機(jī)械阻抗變化轉(zhuǎn)換為傳感器的電氣阻抗變化，通過測量傳感器的電氣阻抗來推斷被測復(fù)合板是否存在缺陷。其測量方法是：通過激勵傳感器在被測復(fù)合板中激勵出掃頻信號，如果被測復(fù)合板存在缺陷，其機(jī)械阻抗就會發(fā)生變化，此時接收到的響應(yīng)信號幅值等信息就會發(fā)生變化，再通過接收傳感器采集帶有缺陷特征的響應(yīng)信號，利用各種信號處理方法提取出缺陷信息。

在目前的復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測領(lǐng)域，無論是超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，還是阻抗檢測技術(shù)，普遍使用基于壓電效應(yīng)的超聲換能器。壓電超聲換能器等傳統(tǒng)換能器，其聲源并不在被測復(fù)合板內(nèi)部，而是由耦合劑傳入被測復(fù)合板，這就不可避免地造成了聲波能量的損失。使用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測，雖然導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)、檢測范圍廣、損傷定位準(zhǔn)確，但是局部靈敏度低，對損傷類型、程度的識別并不理想；而使用阻抗技術(shù)，局部靈敏度雖然很高，但是檢測范圍有限、損傷定位困難。因此，在單獨(dú)使用這兩種方法進(jìn)行復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測時，都不能取得理想效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種不僅檢測范圍廣、而且靈敏度高的復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測系統(tǒng)及其工作方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測系統(tǒng)，包括任意波形函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；所述的超聲換能器為基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲換能器，共有四個，分別為emat1、emat2、emat3和emat4；所述的超聲換能器耦合在復(fù)合板上；所述的任意波形函數(shù)發(fā)生器經(jīng)功率放大器與超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4連接；所述的計算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡與信號調(diào)理電路連接；所述的信號調(diào)理電路分別與超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4連接。

進(jìn)一步地，所述的超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4在復(fù)合板上的安裝位置為正方形的四個頂點(diǎn)。

一種復(fù)合板結(jié)構(gòu)的健康檢測系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：

a、對標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合板進(jìn)行檢測

a1、將超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4耦合在標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合板上，所述的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合板是沒有任何損傷的復(fù)合板；

a2、由任意波形函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一組激勵信號，信號為漢寧窗調(diào)制的5～20個周期的正弦信號，其中心頻率為100～300khz；信號經(jīng)功率放大器放大以后傳遞給超聲換能器emat1，超聲換能器emat1迫使復(fù)合板的質(zhì)點(diǎn)振動，然后由其余的三個超聲換能器采集響應(yīng)信號，響應(yīng)信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡，然后上傳到計算機(jī)進(jìn)行信號分析和處理；

a3、由任意波形函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生另外一組激勵信號，信號為正弦調(diào)頻信號，頻率介于90～210khz；信號經(jīng)功率放大器放大以后傳遞給超聲換能器emat1，然后采集超聲換能器emat1單獨(dú)作用時復(fù)合板的諧響應(yīng)信號；依次分別激勵剩下的三個超聲換能器emat2、emat3和emat4，采集各自的諧響應(yīng)信號；響應(yīng)信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡，然后上傳到計算機(jī)進(jìn)行信號分析和處理；

a4、設(shè)超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4在復(fù)合板上的檢測節(jié)點(diǎn)分別為a、b、c和d，首先采集a→b、a→c、a→d這3條導(dǎo)波傳播路徑上的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)和4個檢測節(jié)點(diǎn)a、b、c、d處機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)保存；

b、對被測復(fù)合板進(jìn)行檢測

b1、將超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4從標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合板上取下再耦合在被測復(fù)合板上；

b2、按步驟a2執(zhí)行；

b3、按步驟a3執(zhí)行；

b4、按步驟a4執(zhí)行；

c、對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算

c1、利用超聲lamb波檢測復(fù)合板結(jié)構(gòu)中損傷的位置

以超聲導(dǎo)波法測量時，通過經(jīng)典的四點(diǎn)圓弧定位法對損傷的位置進(jìn)行檢測；復(fù)合板中l(wèi)amb波在一對激勵超聲換能器與接收超聲換能器之間有多條傳播路徑，但檢測中只需關(guān)注兩條路徑上的導(dǎo)波數(shù)據(jù)，一條為直達(dá)波傳播的路徑，即路徑a→b，另一條為經(jīng)過損傷源散射到達(dá)接收超聲換能器的路徑，即路徑a→d1→b，其中d1為損傷源；由于沒有經(jīng)過損傷源反射的直達(dá)波包不攜帶損傷源信息，那么接收超聲換能器接收到的損傷后信號減去損傷前信號，則得到只含損傷信息的信號，即差信號；

由分析得差信號時間延遲為：

式中，r1為激勵超聲換能器到損傷的距離；r2為損傷源到接收超聲換能器的距離；cgh為未經(jīng)過損傷源時的波群速度；cgd為經(jīng)過損傷源后的波群速度。

以超聲換能器emat1為激勵源，以超聲換能器emat2、emat3和emat4為接收超聲換能器，接收到的差信號時間延遲t12、t13、t14分別為：

其中，cgh由激勵超聲換能器和接收超聲換能器之間的距離d和信號在此路徑上的傳播時間得到。超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4在復(fù)合板上的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，損傷源坐標(biāo)未知，設(shè)為(x，y)；由于超聲換能器坐標(biāo)己知，上述三個方程含x、y、cgd三個未知量，聯(lián)立式(2)-(4)，求出損傷源位置坐標(biāo)(x，y)。

c2、利用機(jī)磁阻抗譜融合超聲導(dǎo)波信號識別損傷類型和程度

以超聲導(dǎo)波法測量時，便已經(jīng)獲得損傷的有無以及位置信息，但對于損傷的類型、程度以及螺釘松動缺陷卻無法知曉，此時，則結(jié)合阻抗檢測來識別；不同類型的缺陷，復(fù)合板的機(jī)械阻抗值不同；螺釘在鎖緊和未鎖緊兩種狀態(tài)下，復(fù)合板的機(jī)械阻抗也是不同的，因此通過阻抗值不同的變化范圍，即實現(xiàn)損傷類型、程度的識別；

將超聲換能器與復(fù)合板耦合一體以后，耦合體總阻抗的理論計算公式如下：

其中，ztotal為超聲換能器和復(fù)合板耦合后的總阻抗，r為超聲換能器電阻，ω為角頻率，l為超聲換能器電感，n為線圈匝數(shù)，為圓柱形磁致伸縮片底部圓面面積，為圓柱形磁致伸縮片圓柱面面積，zm為超聲換能器機(jī)械阻抗，zl為復(fù)合板機(jī)械阻抗，為恒定磁場下的彈性模量，d為壓磁系數(shù)。

復(fù)合板的機(jī)械阻抗zl是不能直接測量出的，只有通過式(5)與超聲換能器耦合一體以后，將復(fù)合板的機(jī)械阻抗轉(zhuǎn)換為耦合體的電氣阻抗，才能通過檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量。

為了更好地表征結(jié)構(gòu)變化，引入相關(guān)系數(shù)cc對超聲導(dǎo)波信號和機(jī)磁阻抗譜進(jìn)行分析計算。相關(guān)系數(shù)cc是研究變量之間線性相關(guān)程度的量，用來表征導(dǎo)波信號和阻抗譜變化的程度，即結(jié)構(gòu)變化的程度，表示為：

式中:xi、為有損傷數(shù)據(jù)及其平均值；yi、為無損傷數(shù)據(jù)及其平均值。為了更直觀的表示相關(guān)系數(shù)cc與結(jié)構(gòu)損傷之間的關(guān)系，損傷指數(shù)由下式表達(dá)：

數(shù)據(jù)融合具體操作步驟如下：

c21、用x1(t)表示有損狀態(tài)下測得的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)，且測得帶有缺陷信息的超聲導(dǎo)波包起止時間分別為t1和t2，在t1到t2時間內(nèi)平均取n個點(diǎn)，并記錄n個點(diǎn)處x1(t)值，取平均求得以y1(t)表示無損狀態(tài)下測得到的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)，以同樣的方式計算用x2(f)表示有損狀態(tài)下測得的機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)，f1和f2分別表示起止頻率，在f1到f2頻段內(nèi)平均取n個點(diǎn)，并記錄n個點(diǎn)處x2(f)值，取平均求得以y2(f)表示無損狀態(tài)下測得到的機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)，以同樣的方式計算

將得到的兩類數(shù)據(jù)代入式(7)求出各自損傷指數(shù)后，還需將2種方法得到的損傷指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出綜合損傷指數(shù)。

c22、將2種方法得到的損傷指數(shù)進(jìn)行融合，需要一個比例因子，這個比例因子既要反映2個指數(shù)在綜合損傷指數(shù)中所占比重，又要使2個指數(shù)位于同一個數(shù)量級。綜合損傷指數(shù)計算中，將比例因子與機(jī)磁阻抗法得到的損傷指數(shù)相乘，使2個指標(biāo)等比例縮放。比例因子k的表達(dá)式為：

式中：digw(i)為超聲導(dǎo)波各路徑上的損傷指數(shù)；ngw為超聲導(dǎo)波傳播路徑的個數(shù)；diemi(j)為機(jī)磁阻抗各節(jié)點(diǎn)處的損傷指數(shù)；nemi為機(jī)磁阻抗檢測節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。

c23、設(shè)digw(1)、digw(2)、…為超聲導(dǎo)波各傳播路徑上的損傷指數(shù)，diemi(1)、diemi(2)、diemi(3)、…為機(jī)磁阻抗各檢測節(jié)點(diǎn)處的損傷指數(shù)，di1-1、di1-2、di2-1、di2-2、…為綜合損傷指數(shù)。則綜合損傷指數(shù)的計算公式為：

di1-1＝digw(1)+kdiemi(1)

di1-2＝digw(1)+kdiemi(2)(9)

di2-1＝digw(2)+kdiemi(1)

c24、將得到的綜合損傷指數(shù)結(jié)合頻率和節(jié)點(diǎn)，繪出三維柱形圖，通過比較不同頻率、不同節(jié)點(diǎn)處綜合損傷指數(shù)的大小，即實現(xiàn)損傷的類型、程度識別。綜合損傷指數(shù)的變化范圍為0到1，損傷類型、程度不同，得出的損傷指數(shù)變化區(qū)域也不相同，以此數(shù)據(jù)的差異定性地識別缺陷。

與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提出了使用基于磁致伸縮效應(yīng)的電磁超聲換能器，并且將超聲導(dǎo)波和機(jī)磁阻抗技術(shù)融合一起進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測的新方法。電磁超聲換能器(electromagneticacoustictransducer，簡稱emat)作為一種可以在導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料中激發(fā)和接收lamb波的非接觸性超聲換能器，其聲場源產(chǎn)生在待測試件內(nèi)部。此外，與傳統(tǒng)超聲換能器相比，emat可以方便地激發(fā)多種類型的超聲導(dǎo)波，如表面波、lamb波、sh波等，還具有體積小、用途多、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)易于調(diào)整以及制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明將超聲導(dǎo)波和機(jī)磁阻抗這兩種檢測方法相結(jié)合，應(yīng)用于同一被測試件，對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了識別，正是利用了超聲導(dǎo)波檢測范圍大和機(jī)磁阻抗檢測局部靈敏度高的特點(diǎn)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的全局和局部檢測。將超聲導(dǎo)波和機(jī)磁阻抗這兩種技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測，結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)不同類型損傷的檢測。

3、本發(fā)明提出的復(fù)合板結(jié)構(gòu)健康檢測新方法，即超聲導(dǎo)波集成機(jī)磁阻抗復(fù)合檢測方法，首先使用超聲導(dǎo)波法測量得到損傷的位置，然后使用機(jī)磁阻抗法測量得到損傷的類別、程度。再將復(fù)合板在有損和無損兩種狀態(tài)下的超聲導(dǎo)波信號和機(jī)磁阻抗信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將得到的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行融合，得出一個新的損傷判別指標(biāo)，以該損傷判別指標(biāo)來定性識別缺陷。該復(fù)合檢測方法可以有效測得損傷的位置、類型以及程度，彌補(bǔ)了兩種方法單獨(dú)測量時不能獲得損傷全部信息的不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明方法的流程圖。

圖3是本發(fā)明數(shù)據(jù)融合生成的三維柱形圖。

圖中：1、任意波形函數(shù)發(fā)生器，2、功率放大器，3、復(fù)合板，4、超聲換能器，5、信號調(diào)理電路，6、數(shù)據(jù)采集卡，7、計算機(jī)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。

如圖1所示，在本發(fā)明的檢測方法中，需要一臺任意波形函數(shù)發(fā)生器1、一臺功率放大器2、四個基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲換能器4、一個信號調(diào)理電路5、一個數(shù)據(jù)采集卡6和一臺計算機(jī)7。此外，還有兩個用于檢測的復(fù)合板3，材料和尺寸完全相同，其中一塊板作為參考標(biāo)準(zhǔn)，沒有任何損傷，也沒有螺釘松動等缺陷，而另一塊板帶有一個缺陷d1和一個松動螺釘d2。

復(fù)合板3尺寸為600mm×600mm×2mm。超聲導(dǎo)波法的激勵信號選擇漢寧窗調(diào)制的5～20個周期正弦信號，其中心頻率為100～300khz。機(jī)磁阻抗法的激勵信號為正弦調(diào)頻信號，頻率掃描范圍介于90～210khz。

如圖2所示，其為本發(fā)明方法的流程圖。先將超聲換能器emat1、emat2、emat3、emat4耦合到無任何損傷的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合板上，按照圖1所示連接好檢測系統(tǒng)。由任意波形函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生一組用于超聲導(dǎo)波測量的激勵信號，經(jīng)功率放大器2放大以后傳遞給超聲換能器emat1，超聲換能器emat1迫使復(fù)合板3振動，然后由剩下的3個emat采集響應(yīng)信號，響應(yīng)信號經(jīng)信號調(diào)理電路5調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡6，然后上傳到計算機(jī)7進(jìn)行信號分析和處理。再由任意波形函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生一組用于阻抗測量的激勵信號，經(jīng)功率放大器2放大以后傳遞給超聲換能器emat1，超聲換能器emat1迫使復(fù)合板3振動，通過超聲換能器emat1采集復(fù)合板3的諧響應(yīng)信號；依次分別激勵剩下的三個超聲換能器，采集它們單獨(dú)作用時復(fù)合板3的諧響應(yīng)信號；響應(yīng)信號經(jīng)信號調(diào)理電路5調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡6，然后上傳到計算機(jī)7進(jìn)行信號分析和處理。

首先采集3條導(dǎo)波傳播路徑(a→b、a→c、a→d)上的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)和4個檢測節(jié)點(diǎn)a、b、c、d處的機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)保存。然后，取另一塊相同材料、尺寸但帶有缺陷的復(fù)合板，重復(fù)上述操作過程，采集設(shè)置缺陷后復(fù)合板的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)和機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)。

對采集到的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，得出損傷源位置d1。

對采集到的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)和機(jī)磁阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得出各自的相關(guān)系數(shù)，并由相關(guān)系數(shù)算出各自的損傷指數(shù)。對得到的損傷指數(shù)進(jìn)行融合運(yùn)算，得出綜合損傷指數(shù)，將綜合損傷指數(shù)結(jié)合頻率和節(jié)點(diǎn)生成三維柱形圖，如圖3所示。

圖3中，橫軸表示節(jié)點(diǎn)，共有四個，分別為a、b、c和d；縱軸表示頻率，頻率變化范圍為90～210khz，共分成四個頻率段，分別為90～120khz、120～150khz、150～180khz和180～210khz。在頻率段150～180khz，節(jié)點(diǎn)b和c處綜合損傷指數(shù)明顯偏高，說明損傷源d1距離節(jié)點(diǎn)b和c較其他節(jié)點(diǎn)近。

假設(shè)裂縫缺陷的綜合損傷指數(shù)變化區(qū)間為z1～z2，孔缺陷的綜合損傷指數(shù)變化區(qū)間為z3～z4，計算得出的綜合損傷指數(shù)為z；若z1<z<z2，則可以判斷損傷源為裂縫；若z3<z<z4，則可以判斷損傷源為孔。其他類型缺陷，以此類推。

以裂縫缺陷為例，假設(shè)輕微損傷的綜合指數(shù)為z1～z1′，中等損傷的綜合指數(shù)為z1′～z2′，重度損傷的綜合指數(shù)為z2′～z2，以z所處區(qū)間即可定性識別出損傷的程度。其他類型缺陷，以此類推。

本發(fā)明不局限于本實施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。