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

背景技術(shù)：

復合板結(jié)構(gòu)健康檢測，是指利用某種檢測手段探測出復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)健康檢測領域已經(jīng)發(fā)展出了多種可用于復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)生缺陷的機理復雜多樣，從而導致在檢測較深部位缺陷時會遇到很大的障礙。在復合板結(jié)構(gòu)的健康檢測中，一種新型檢測方法是使用超聲導波中l(wèi)amb波進行檢測，超聲導波在復合板中傳播時，傳播距離遠而且衰減小。lamb波在復合板中傳播時，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信號之中，通過分析響應信號，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行判別，從而實現(xiàn)對復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，尤其適合于非規(guī)則結(jié)構(gòu)的復合板在線檢測領域。阻抗技術(shù)是指將被測復合板與傳感器耦合為一體，將被測復合板的機械阻抗變化轉(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合板中激勵出掃頻信號，如果被測復合板存在缺陷，其機械阻抗就會發(fā)生變化，此時接收到的響應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信號，利用各種信號處理方法提取出缺陷信息。

在目前的復合板結(jié)構(gòu)的健康檢測領域，無論是超聲導波檢測技術(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合板內(nèi)部，而是由耦合劑傳入被測復合板，這就不可避免地造成了聲波能量的損失。使用超聲導波技術(shù)進行結(jié)構(gòu)健康檢測，雖然導波傳播距離遠、檢測范圍廣、損傷定位準確，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，在單獨使用這兩種方法進行復合板結(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)明要設計一種不僅檢測范圍廣、而且靈敏度高的復合板結(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；所述的超聲換能器為基于磁致伸縮效應的超聲換能器，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。

進一步地，所述的超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4在復合板上的安裝位置為正方形的四個頂點。

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

a、對標準復合板進行檢測

a1、將超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4耦合在標準復合板上，所述的標準復合板是沒有任何損傷的復合板；

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迫使復合板的質(zhì)點振動，然后由其余的三個超聲換能器采集響應信號，響應信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡，然后上傳到計算機進行信號分析和處理；

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單獨作用時復合板的諧響應信號；依次分別激勵剩下的三個超聲換能器emat2、emat3和emat4，采集各自的諧響應信號；響應信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理以后送至數(shù)據(jù)采集卡，然后上傳到計算機進行信號分析和處理；

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

b、對被測復合板進行檢測

b1、將超聲換能器emat1、emat2、emat3和emat4從標準復合板上取下再耦合在被測復合板上；

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)進行分析計算

c1、利用超聲lamb波檢測復合板結(jié)構(gòu)中損傷的位置

以超聲導波法測量時，通過經(jīng)典的四點圓弧定位法對損傷的位置進行檢測；復合板中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)注兩條路徑上的導波數(shù)據(jù)，一條為直達波傳播的路徑，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在復合板上的坐標分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，損傷源坐標未知，設為(x，y)；由于超聲換能器坐標己知，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(x，y)。

c2、利用機磁阻抗譜融合超聲導波信號識別損傷類型和程度

以超聲導波法測量時，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，復合板的機械阻抗值不同；螺釘在鎖緊和未鎖緊兩種狀態(tài)下，復合板的機械阻抗也是不同的，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為超聲換能器機械阻抗，zl為復合板機械阻抗，為恒定磁場下的彈性模量，d為壓磁系數(shù)。

復合板的機械阻抗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，將復合板的機械阻抗轉(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對超聲導波信號和機磁阻抗譜進行分析計算。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：

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)下測得的超聲導波數(shù)據(jù)，且測得帶有缺陷信息的超聲導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，并記錄n個點處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，并記錄n個點處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，將比例因子與機磁阻抗法得到的損傷指數(shù)相乘，使2個指標等比例縮放。比例因子k的表達式為：

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

c23、設digw(1)、digw(2)、…為超聲導波各傳播路徑上的損傷指數(shù)，diemi(1)、diemi(2)、diemi(3)、…為機磁阻抗各檢測節(jié)點處的損傷指數(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，繪出三維柱形圖，通過比較不同頻率、不同節(jié)點處綜合損傷指數(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的電磁超聲換能器，并且將超聲導波和機磁阻抗技術(shù)融合一起進行結(jié)構(gòu)健康檢測的新方法。電磁超聲換能器(electromagneticacoustictransducer，簡稱emat)作為一種可以在導電、導磁材料中激發(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)多種類型的超聲導波，如表面波、lamb波、sh波等，還具有體積小、用途多、適應復雜環(huán)境能力強、結(jié)構(gòu)參數(shù)易于調(diào)整以及制作成本低廉等優(yōu)點。

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

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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。

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7。此外，還有兩個用于檢測的復合板3，材料和尺寸完全相同，其中一塊板作為參考標準，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。

復合板3尺寸為600mm×600mm×2mm。超聲導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準復合板上，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迫使復合板3振動，然后由剩下的3個emat采集響應信號，響應信號經(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7進行信號分析和處理。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迫使復合板3振動，通過超聲換能器emat1采集復合板3的諧響應信號；依次分別激勵剩下的三個超聲換能器，采集它們單獨作用時復合板3的諧響應信號；響應信號經(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7進行信號分析和處理。

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

對采集到的超聲導波數(shù)據(jù)進行初步處理，得出損傷源位置d1。

對采集到的超聲導波數(shù)據(jù)和機磁阻抗數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，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)進行融合運算，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)點生成三維柱形圖，如圖3所示。

圖3中，橫軸表示節(jié)點，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b和c較其他節(jié)點近。

假設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)明的保護范圍。