时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究

摘要

作为信号分析的一大分支,时频分析技术被广泛应用于工程各个领域.时频分析可同时在时域和频域对信号进行较全面的观察,具有时域信号分析或频域信号分析所不具备的优点.本文采用时频分析方法进行Lamb波超声无损检测信号的处理,对其在智能复合材料结构损伤在线检测中的应用进行了研究.Lamb波检测信号的分析与识别一直是无损检测领域的一个重要的问题.针对Lamb波传播的多模式和频散特性对检测的影响,采用基于小波变换的时频分析方法对低频超声Lamb波检测信号进行处理,从试验测量的角度获得被测试件中的频散曲线,可为损伤的判别提供依据.针对近年来提出的新的时频分析方法在Lamb波检测中的应用,研究了经验模态分解(EMD)的Lamb波分析实现技术,提出了基于EMD技术的Lamb波检测信号去噪方法,并利用Hilbert-Huang变换(HHT)对Lamb波检测信号的时频分布特征进行了分析,初步探讨了其在检测信号处理中的优势以及存在的问题.在损伤检测方法的实施方面,采用智能压电夹层技术实现了Lamb波检测的在线应用.该技术将灵敏度高、响应频带宽的压电元件构成预制的传感网络,把检测区域分割成多个单元,可实现大面积平板结构的Lamb波检测.设计了相应的硬件与软件系统,可完成对各个区域上的压电检测路径的历遍式扫查;对智能夹层在线应用时的性能进行了试验研究,进一步验证了所提出的在线诊断方案的可行性.本文得到国家自然科学基金重点项目

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第一章绪论

1.1智能材料结构与损伤在线检测

1.2 Lamb波主动检测技术

1.3 Lamb检测信号处理方法

1.4论文的主要研究内容

第二章Lamb波无损检测原理及检测系统的组建

2.1基于Lamb技术的无损检测原理

2.1.1超声Lamb波

2.1.2 Lamb波的衰减情况

2.1.3 Lamb波频散理论

2.1.4 Lamb波探伤原理

2.2 Lamb波无损检测实验系统

2.2.1采用压电元件激励的Lamb波

2.2.2 Lamb波损伤检测系统的组建

2.3检测信号的初步分析

2.3.1 Lamb波激励信号

2.3.2检测响应信号的初步分析

2.4本章小结

第三章Lamb波色散特性的时频分析方法研究

3.1基于小波变换的时频分析方法

3.1.1非平稳信号与时频分析

3.1.2连续小波变换

3.1.3小波变换与短时傅立叶变换的比较

3.2连续小波变换时频分析的数值实验

3.3连续小波变换在Lamb波频散曲线试验测量中的应用

3.4本章小结

第四章Lamb波检测信号的HHT处理技术研究

4.1 HHT分析原理

4.1.1经验模态分解过程

4.1.2希尔伯特谱

4.2 HHT算法实现问题

4.2.1经验模式分解中三次样条插值

4.2.2边端效应的处理

4.2.3 IMF满足条件的严格程度

4.3 Lamb波信号的HHT分析

4.3.1采用HHT分析理想Lamb波信号

4.3.2噪声对HHT分析结果的影响

4.4基于HHT的去噪技术

4.4.1传统去噪方法与EMD去噪原理

4.4.2 EMD去噪中噪声成分的判定

4.4.3 Lamb波检测信号的EMD去噪

4.4.4 EMD去噪与小波去噪比较

4.5本章小结

第五章Lamb波检测系统在结构损伤在线检测中的应用研究

5.1智能夹层传感网络的设计与性能试验

5.1.1智能夹层概述

5.1.2基于智能夹层的压电传感网络

5.1.3智能夹层的制作与性能检测

5.2大面积多通道检测系统设计

5.2.1检测系统硬件结构

5.2.2检测系统软件部分

5.3检测实施步骤

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1论文的主要工作和结论

6.2今后工作的展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢