板类结构中超声兰姆波检测方法的研究

摘要

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FFT、STFT的分析方法对超声Lamb波检测信号进行处理已不能满足实际需要，针对近年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。传统的超声检测方法是采用压电传感器进行收发信号，然而由于压电传感器在高温高压等恶劣条件下不能有效使用，近年来光纤传感器由于其具有抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点而受到关注，在理论上分析了超声作用下的光纤传感器的频谱响应。主要工作如下： 首先进行了Lamb波的理论研究，探讨Lamb波在结构中的传播特性，在理论上分析传播模式、中心频率、波振幅值和波峰数等几个方面对Lamb波进行了优化。 其次分析了FFT、STFT、HHT等几种信号处理方法，包括理论分析与算法的Matlab编程，深入研究了Hilbert-Huang变换的基本实现原理，HHT能把信号分解成具有一定物理意义的一系列IMF分量，进而通过Hilbert变换求得各IMF分量的瞬时频率和瞬时幅度，得到信号的Hilbert谱。提出了基于EMD技术的Lamb波检测信号去噪方法，和采用小波变换的分析方法进行了对比，验证了HHT的有效性和正确性，并对这几种信号处理方法进行了总结。通过实验结果分析，验证了各种信号处理方法的优劣。 理论上仿真了超声作用下的光纤传感器响应，得出L／λ是影响频谱响应的一个重要参数，对于光纤布拉格传感器，当λ/L=100时，从超声作用下的光栅的频谱才能观察到比较明显的波长移动，对于EFPI传感器来说，当L／λ的值大约为0.5的时候，放置角度为0度的时候，EFPI传感器的灵敏度达到最大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2超声Lamb波信号检测的国内外研究状况分析

1.3论文主要工作

第二章 Lamb波检测理论研究

2.1概述

2.2 Lamb的传播特性

2.2.1弹性动力学和应力波基础

2.2.2板导中的Lamb波

2.2.3对称Lamb波与反对称Lamb波的频率方程

2.3 Lamb波激励信号的各参数优化

2.3.1激励信号

2.3.2周期数

2.3.3波峰个数

2.3.4信号幅度

2.3.5中心频率

2.3.6脉冲形状

2.3.7材料性质

2.4超声Lamb波探伤原理

2.4.1 Lamb波探伤选择模式的基本原则

2.4.2 Lamb波单模式探伤的可行性

2.5本章小结

第三章 Lamb波无损检测的信号处理技术

3.1信号处理技术概述

3.2 Lamb波模式的识别

3.3缺陷检测信号的FFT分析

3.3.1谱分析原理

3.3.2傅立叶变换原理及算法

3.3.3检测信号的快速傅立叶变换(FFT)分析

3.4缺陷检测信号的STFT分析

3.4.1短时傅立叶变换(STFT)理论

3.4.2 Lamb波检测信号时频分布

3.4.3基于STFT的检测信号时频分析

3.5 Lamb波检测信号的HHT分析技术

3.5.1 HHT分析原理

3.5.2经验模态分解过程

3.5.3 Hilbert谱

3.5.4 IMF满足条件的严格程度

3.5.5 Lamb波信号的HHT分析

3.5.6噪声对HHT结果的影响

3.5.7 Lamb波检测信号的EMD去噪

3.5.8 EMD去噪与小波去噪比较

3.6几种信号处理方法的特点

3.7本章小结

第四章 超声波作用下的光纤传感器响应

4.1概述

4.2光纤光栅传感器的应用

4.2.1在医学中的应用

4.2.2在航天器及船舶中的应用

4.2.3在民用工程结构中的应用

4.2.4在电力工业中的应用

4.2.5在地球动力学中的应用

4.3光纤光栅的分类

4.3.1形成机制

4.3.2光纤光栅的周期的长短

4.3.3光纤光栅的波导结构

4.4光纤光栅耦合模方程

4.5均匀布拉格光纤光栅的解析解

4.6传输矩阵法

4.7超声作用下的FBG响应

4.7.1未加超声的FBG响应(相位和频谱)

4.7.2超声波作用下的FBG特性研究

4.7.3 FBG传感器数值分析

4.8超声作用下的EFPI响应

4.8.1理论模型

4.8.2仿真结果和讨论

4.9本章小结

第五章 实验验证与结果分析

5.1实验介绍

5.1.1功能模块介绍

5.1.2实验步骤介绍

5.2实验数据分析

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所参与的项目

致 谢