基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测方法及系统，所述方法包括在激励换能器上加载初始激励信号；放大并采集远端换能器阵列得到的初始结构响应信号；采用差信号方法将初始结构响应信号与无损结构响应信号相减得到初始损伤散射信号；对初始损伤散射信号进行时间反演得到时反信号，并将时反信号放大后加载于远端换能器阵列上；在近端换能器阵列上采集远端时反聚焦损伤后的散射信号；对远端时反聚焦损伤后的散射信号进行迭代时间反演，最终在近端换能器阵列采集迭代时反聚焦损伤散射信号；提取迭代时反聚焦的损伤散射波峰值为特征参数进行损伤诊断。上述方法可以提高长形金属结构损伤检测实时性、抗干扰性、准确性和检测效率，符合长形金属结构损伤检测发展趋势。

说明书

技术领域

本发明涉及长形金属结构损伤检测领域，尤其涉及一种基于主 动声发射法的长形金属结构损伤检测方法及系统。

背景技术

工业环境中的长形金属结构一般包括金属管道、钢铰线、金属杆、 金属梁等服役长度较长的工业结构，广泛应用于港口、矿山、冶金、 旅游、建筑等国民经济主要行业和部门的机械中。近年来，随着长形 金属结构的复杂性、工作环境的多样性、检测方法的局限性以及结构 制造工艺的不断提高，长形金属结构的损伤检测变得越来越困难。

长形金属结构的结构变化加大了损伤检测的难度，随着人们对长 形金属结构设计、制造工艺及使用寿命的深入研究，长形金属结构变 得越来越复杂，性能越来越好，制造工艺越来越先进，损伤状态也表 现为多样性和复杂性，这就影响了结构损伤检测精度；长形金属结构 的直径也由过去的单一直径发展到多种直径，金属层也由单层发展到 多层，不同直径类型的结构断裂对金属结构破断拉力的影响不同，所 产生的信号也不同，这就给长形金属结构损伤的定量分析带来困难； 某些在制造时做了预应力处理的长形金属结构，发生断裂后断口不向 外翘出，断口间距缩小，对长形金属结构断裂检测的分辨率提出了更 高的要求。

此外，现代化生产也要求更高的长殂金属结构检测效率。随着世 界经济的高速发展，港口、冶金、矿山、建筑、旅游、海洋石油及其 它行业的起重搬运设备越来越大型化，金属结构长度越来越长，直径 越来越大。有长达十几公里，重达100多吨的金属结构投入使用，迫 切需要高精度、高可靠性、多功能的智能化检测仪器。因此，建立一 种符合长形金属结构发展趋势所需的结构损伤检测方法具有重要的 研究意义和前瞻性。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于主动声 发射法的长形金属结构损伤检测方法及系统。所述技术方案如下：

基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测方法，包括：

在激励换能器上加载初始激励信号；

放大并采集远端换能器阵列得到的初始结构响应信号；

采用差信号方法将初始结构响应信号与无损结构响应信号相减 得到初始损伤散射信号；

对初始损伤散射信号进行时间反演得到时反信号，并将时反信号 放大后加载于远端换能器阵列上；

在近端换能器阵列上采集远端时反聚焦损伤后的散射信号；

对远端时反聚焦损伤后的散射信号进行迭代时间反演，最终在近 端换能器阵列采集迭代时反聚焦损伤散射信号；

提取迭代时反聚焦的损伤散射波峰值为特征参数进行损伤诊断。

基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测系统，包括： 信号发生模块，用于产生初始激励信号和唤醒信号，并将初始激励信 号经功率放大模块放大后加载于激励换能器上；及

同步产生唤醒信号唤醒远端时反模块；

近端阵列元收发模块和远端阵列远收发模块相同，由放大滤波电 路和A/D转换电路构成的采集纵路及D/A转换电路和信号放大电路构 成的加载纵路组成，其中采集纵路负责面向固定换能器阵列元的信号 采集，加载纵路负责面向固定换能器阵列元的时反信号加载；

远端时反模块，采用差信号方法将初始结构响应信号与无损结构 响应信号相减得到初始损伤散射信号，并对该损伤散射信号及以后的 近端时反聚焦损伤散射信号进行时间反演得到远端时反信号；及

用于控制远端开关控制模块为采集或加载状态，通过安装在长形 金属结构远端的远端换能器阵列采集得到长形金属结构中固定时间 长度的初始结构响应信号和近端时反聚焦损伤散射信号，或向远端换 能器阵列加载远端时反信号；

近端时反模块，用于控制近端开关控制模块为采集或加载状态， 采集状态下通过安装在长形金属结构近端的近端换能器阵列采集得 到长形金属结构中固定时间长度的远端时反聚焦损伤散射信号，对该 远端时反聚焦损伤散射信号进行时间反演得到近端时反信号，并在加 载状态下向近端换能器阵列加载近端时反信号；及

提取迭代时反聚焦的损伤散射波峰值为特征参数进行损伤诊断。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过应用主动声发射法进行长形金属结构损伤检测，实现了对长 形金属结构损伤的长距离、实时主动监测。

通过应用迭代时间反演技术，实现了对长形金属结构损伤的聚焦 检测，提高检测准确性、分辨率。

通过应用差信号方法为迭代时间反演进行损伤散射信号的预提 取，实现了迭代时间反演的聚焦增强，减少迭代次数。

利用近端时反模块上传到扩展处理模块的迭代时反损伤散射信 号的时域特性可以进一步研究损伤定位成像技术。

附图说明

图1是基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测方法流程图；

图2是基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测系统原理图；

图3是近端和远端的阵列元收发模块的电路结构图；

图4a是迭代时反预处理传播过程；

图4b是远端时反聚焦损伤及散射过程；

图4c是近端时反聚焦损伤及散射过程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图 对本发明实施方式作进一步地详细描述：

参见图1，展示了基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测方 法，所述方法包括以下步骤：

步骤10在激励换能器上加载初始激励信号；

所述信号发生模块由FPGA电路组成，可产生初始激励信号，经 过功率放大模块放大后施加在长形金属结构近端表面的激励换能器 上，产生声波信号在长形金属结构中传播；信号发生模块产生的初始 激励信号为5波峰正弦调制窄带信号，范围为1K～100KHz均可；所述 功率放大模块放大电压范围为70V～150V；所述激励换能器采用基于 正逆压电效应工作的PZT压电片，安装方式为通过耦合挤粘贴于长形 金属结构表面，实现电波－声波转换。

步骤20放大并采集远端换能器阵列得到的初始结构响应信号；

所述信号发生模块产生初始激励信号时同时产生唤醒信号，唤醒 远端时反模块，远端时反模块控制远端开关控制模块为采集状态，通 过安装在长形金属结构远端的远端换能器阵列采集回长形金属结构 中固定时间长度的初始结构响应信号，响应信号经过远端阵列元收发 模块传入远端时反模块储存；所述远端换能器阵列由8～10个PZT压电 片组成，阵列布置在长形金属结构的同一横截面上，在迭代时间反演 处理过程中不同阶段作为激励器或者传感器。

步骤30采用差信号方法将初始结构响应信号与无损结构响应信 号相减得到初始损伤散射信号；

所述用差信号方法相减的两个信号是具有同等固定时间长度的。

步骤40将损伤散射信号进行时间反演得到远端时反信号，并将 远端时反信号放大后加载于远端换能器上；

所述远端时反模块对差信号进行时间反演得到远端时反信号，并 控制远端开关控制模块为加载状态，远端时反信号经过远端阵列元收 发模块中的D/A转换电路、信号放大电路这一纵路后加载在远端换能 器阵列上，在金属结构上产生时反声波实现对损伤的远端时反聚焦。

步骤50在近端换能器阵列上采集远端时反聚焦损伤后的散射信 号；

所述近端时反模块控制近端开关控制模块为采集状态，远端时反 聚焦损伤的散射信号经近端换能器阵列转换为电信号，通过近端阵列 元收发模块中的放大滤波电路、A/D转换电路这一纵路后上传到近端 时反模块。所述近端换能器阵列由8～10个PZT压电片组成，阵列布置 在长形金属结构的同一横截面上，在迭代时间反演处理过程中不同阶 段作为激励器或者传感器。

步骤60对远端时反聚焦损伤后的散射信号进行迭代时间反演， 最终在近端换能器阵列采集迭代时反聚焦损伤散射信号；

近端时反模块往近端换能器阵列加载前次采集的远端时反聚焦 损伤散射信号的时反信号，同时远端时反模块采集回固定时间长度的 近端时反聚焦损伤散射信号；随后远端时反模块往远端换能器阵列加 载该时反聚焦损伤散射信号的时反信号，同时近端时反模块采集回固 定时间长度的远端时反聚焦损伤散射信号，从而完成一次迭代时反； 重复多次迭代时反，实现损伤聚焦收敛。

所述近端时反模块和远端时反模块间具备同步功能，同步实现一 端加载信号及另一端采集信号。

步骤70提取迭代时反聚焦的损伤散射波峰值为特征参数进行损 伤诊断。

近端时反模块对多次迭代时反处理后采集回的时反聚焦损伤散 射信号进行分析，根据信号的峰值能量大小可以判断长形金属结构中 是否存在损伤及损伤大小。

在执行上述步骤10之前还包括：在确保所监测长形金属结构健康 无损的前提下激励初始信号检测远端换能器阵列的初始结构响应作 为后期损伤检测差信号方法的参考信号。

参见图2，展示了基于主动声发射法的长形金属结构损伤检测系 统原理，长形金属结构近端的功率放大模块连接信号发生模块，并通 过同轴电缆与激励换能器连接；近端/远端阵列元收发模块连接近端/ 远端时反模块和近端/远端开关控制模块，通过近端/远端开关控制模 块连接近端/远端换能器阵列中的一个固定换能器阵列元，近端/远端 开关控制模块的采集或加载状态由近端/远端时反模块控制，近端/远 端换能器阵列元与近端/远端阵列元收发模块间的连接方式采用同轴 电缆，近端/远端阵列元收发模块采集或加载的信号在近端/远端开关 控制模块与近端/远端换能器阵列元之间传输时共用一条同轴电缆； 近端/远端时反模块与各近端/远端阵列元收发模块相连，由FPGA电路 组成，具备控制开关功能、储存功能、时间反演功能、上传数据功能； 远端时反模块还具备由信号发生模块主导的唤醒功能，近端时反模块 和远端时反模块间具备同步功能；扩展处理模块与近端时反模块相 连，采用DSP处理器，可根据近端时反模块上传的迭代时反聚焦损伤 散射信号实现进一步预警、显示、以及损伤定位成像研究。

图3是近端/远端阵列元收发模块的电路结构，近端/远端阵列元收 发模块由放大滤波电路、A/D转换电路这一采集纵路和D/A转换电路、 信号放大电路这一加载纵路组成，两纵路分别负责面向固定近端/远 端换能器阵列元的信号采集和信号加载。当近端/远端时反模块控制 近端/远端开关控制模块为加载状态时，近端/远端时反模块将时反信 号载入到D/A转换电路、信号放大电路这一纵路中，从而激励对应的 近端/远端换能器阵列元。此时远端/近端时反模块则会同步控制远端/ 近端开关控制模块为采集状态，通过放大滤波电路、A/D转换电路这 一纵路采集回远端/近端换能器阵列元转换的电信号，并进行存储。

如下是长形金属结构损伤主动声发射监测中的声波传播过程，该 传播过程可分成：迭代时反预处理传播过程、远端时反聚焦损伤及散 射过程与近端时反聚焦损伤及散射过程。

如图4a所示为迭代时反预处理传播过程，包括：激励换能器作为 一次波源激发出声波在长形金属结构中传播，当传播波接触到长形金 属结构内部或表面的损伤时将会发生散射，此时损伤区域将成为二次 波源。位于长形金属结构远端的远端换能器阵列接收到初始结构响应 波并根据压电逆效应转换成初始结构响应电信号。该结构响应电信号 包含了一次波源（激励换能器）、二次波源（结构损伤）、边界反射 杂波以及环境噪声，利用差信号方法把初始结构响应电信号与无损结 构响应信号相减，得到差信号，也即是去除一次波源的损伤散射信号 及其他杂波。

如图4b所示，为远端时反聚焦损伤及散射过程，包括：对差信号 进行时间反演处理，重新加载回远端换能器阵列中，激发出时间反演 应力波，根据时间反演原理，时反应力波将在差信号的波源处（结构 损伤）实现时空聚焦，其他非集中波源散射信号（边界反射杂波、环 境噪声）则会在波源处时空弥散甚至相互抵消；损伤区域会对时反聚 焦应力波进行再一次散射，近端换能器阵列采集回这些远端时反聚焦 损伤散射信号。此时，可根据该损伤散射信号初步分析损伤状况，但 分析效果一般。

如图4c所示,为近端时反聚焦损伤及散射过程，包括：近端换能 器阵列对采集回的远端时反聚焦损伤散射信号进行时间反演处理后， 重新加载回近端换能器阵列中，激发出时间反演应力波，时反应力波 将以更加收敛的效果在损伤处聚焦；损伤区域对聚集信号进行散射 后，远端换能器阵列采集回这些近端时反聚焦损伤散射信号。此时， 再实施一次与图4b相同的步骤（图4b步骤中的差信号在这里指近端时 反聚焦损伤散射信号），即完成一次迭代时间反演。

重复迭代时间反演过程可以增强损伤聚焦效果，提高检测准确 率。分析迭代时反聚焦损伤散射信号，当信号峰值能量越大时，损伤 越大，当信号峰值能量越小时，损伤越小；根据迭代时反散射信号的 峰值时域信息甚至可以实现离线损伤成像处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。