New Developments in Structural Health Monitoring Based on Diagnostic Lamb Wave

Structure health monitoring based on diagnostic Lamb waves has been found to be one of the most promising techniques recently. This paper has a brief review of the new developments on this method including the basic novel of the method, fundamentals and mathematics of Lamb wave propagation, narrowband and wideband Lamb wave excitation methods, optimization of excitation factors and diagnostic Lamb wave interpretation methods.

A time reversal damage imaging method for structure health monitoring using Lamb waves

This paper investigates the Lamb wave imaging method combining time reversal for health monitoring of a metallic plate structure. The temporal focusing effect of the time reversal Lamb waves is investigated theoretically. It demonstrates that the focusing effect is related to the frequency dependency of the time reversal operation. Numerical simulations are conducted to study the time reversal behaviour of Lamb wave modes under broadband and narrowband excitations. The results show that the reconstructed time reversed wave exhibits close similarity to the reversed narrowband tone burst signal validating the theoretical model. To enhance the similarity, the cycle number of the excited signal should be increased. Experiments combining finite element model are then conducted to study the imaging method in the presence of damage like hole in the plate structure. In this work, the time reversal technique is used for the recompression of Lamb wave signals. Damage imaging results with time reversal using broadband and narrowband excitations are compared to those without time reversal. It suggests that the narrowband excitation combined time reversal can locate and determine the size of structural damage more precisely, but the cycle number of the excited signal should be chosen reasonably.

主动Lamb波中的空间滤波器结构健康监测

针对主动Lamb波结构健康监测技术在应用中容易受到Lamb波复杂传播特性的影响,监测信号的信噪比较低的问题,提出了空间滤波器方法的基本原理和实现方法,利用压电线阵得到传感信号之间的相干性,实现对有用信号的相干聚焦增强,监测损伤位置并成像,能够实现对特定方向的扫描。分析了空间滤波器的基本原理,给出了用于离散压电线阵的空间滤波器实现形式,并对该方法进行了试验研究,在碳纤维板结构上的试验结果表明,该方法可以有效实现损伤散射信号的聚焦增强,成像突出显示损伤所在方位和位置,提高信号的信噪比,具有一定的工程应用价值。

主动Lamb波合成波阵面损伤成像监测方法

对基于压电阵列的主动Lamb波结构健康监测技术进行了研究。分析了主动Lamb波损伤监测过程中损伤散射信号的特点,在已有研究成果基础上,研究提出合成波阵面损伤成像方法。利用压电阵列合成激励波阵面实现对Lamb波损伤散射信号的相干增强,给出了基本原理和实现技术;结合时间反转理论,给出了基于合成波阵面激励的损伤成像监测方法;在复合材料板结构上进行了实验研究,并与传统的单一压电片激励方法进行了分析和对比,实验结果表明,合成波阵面损伤成像监测方法能够有效提高Lamb波损伤散射信号的能量和监测的质量,增强抗干扰能力,同时对该方法存在的问题和解决办法进行了简单分析。

基于Lamb的金属薄板损伤主动监测技术研究

开发了一个主动嵌入式多激励健康监测系统,介绍了利用Lamb波进行损伤监测的原理和流程,测试了试验用铝板的群速度频散曲线。分别利用不同的压电陶瓷(PZT)片作为激励端和响应端,进行了不同传播路径的试验测试,对损伤前后的不同传播路径的测试波形进行分析处理和比较,找到了反映损伤前后波形变化的规律。利用散射波能量与基准能量的比值定义了损伤率的概念,以孔洞损伤为例计算了损伤对不同传播路径损伤率的数值影响,结果表明该特征值可用来实现对损伤位置的判断。

基于Lamb波主动结构健康监测系统的研制

基于压电传感器和Lamb波的主动诊断技术是结构健康监测方法中行之有效的热门研究方法,它能实现对金属和复合材料结构中的微小损伤进行在线实时的监测。该文基于上述方法,研制了一台通用的结构健康监测系统。针对该方法在实际工程应用中的需求,详细讨论了系统整体软硬件的实现、运行效率和抗串扰能力。最后在某型无人机机翼盒段上完成了该系统地面应用的功能验证实验。

主动Lamb波结构健康监测集成化系统研究

文中针对目前研究中广泛采用的分立式系统设备在应用中存在的实时性、互联性以及效率等方面的诸多问题,研究提出了基于标准化通用总线平台的模块化集成主动Lamb波结构健康监测系统。用总线平台的开放性,集成系统运行所需的硬件设备,并构建监测系统的软件平台;同时,研究了标准化压电传感器及其网络控制技术。对系统设计方案进行了设计验证和实验研究,实验结果表明,该系统具备良好的开放性、实时性和兼容性,基本满足在线主动Lamb波结构健康监测应用化要求。

基于Lamb波和典型相关分析的复合材料结构损伤监测

为了监测复合材料尾翼结构在受载条件下的健康状况变化,该文提出了一种基于超声导波和典型相关分析的结构健康监测方法。首先,将代表结构健康状况的基准信号和损伤信号之间的相关系数定义为损伤指数,通过典型结构试验确定损伤指数阈值。然后,在载荷施加的过程中以损伤指数超过该阈值的信号路径数量作为衡量结构健康状态的结构损伤指标,通过监测该指标的变化掌握结构的健康状况。在全尺寸复合材料尾翼损伤演化监测实验中,验证了该方法对于复合材料飞行器结构损伤扩展监测的有效性。研究结果表明,结构损伤指标的变化可以反应结构健康状况的变化趋势,在役结构健康监测方法可以实现对复合材料尾翼结构的实时监测。

基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解及试验研究

损伤反射波的准确提取可以使得基于主动Lamb波技术的损伤检测更有效的进行,而边界等结构特征反射波与损伤反射波产生的混叠,是提取损伤反射波的一个重要障碍。针对混叠情况,目前已有的主动Lamb波损伤监测方法大多采用基于参考信号的方法获取损伤散射信号,容易受到结构和环境等外界因素的影响。而由于在传感器接收到的Lamb波信号中,直达波之后时间段内的信号并不是任意波形,而应该是由数个反射波组成的,因此只要得到与目标信号最相似的反射波叠加组合,就可以认为成功解读了该目标信号,即相当于得到了损伤反射波。因此,提出一种基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解算法。在分析Lamb波传播特性的基础上模拟边界反射波和损伤反射波,然后基于最大相似性原则,通过遗传算法对二者的合成信号的各个参数进行优化,使合成信号与目标信号之间的相似度达到最大。最后,使用Time of Flight(To F)方法对损伤进行了定位。铝板上的试验结果表明,该方法能够准确地提取出与边界反射波混叠的损伤反射波,从而实现对边界附近损伤的检测。

基于Lamb波和匹配追踪方法的结构损伤定位

提出一种基于Lamb波和字典库为Chirplet原子的匹配追踪方法的板结构损伤定位方法。首先针对Lamb波监测的特点,提出了匹配追踪方法的快速实现方案,将信号分解为多个Chirplet原子的线性组合;然后建立了Lamb的弥散效应与Chirplet原子的调频斜率之间的关系,表明Chirplet原子能准确地匹配失真变形的窄带脉冲信号,并能识别Lamb波的模态;根据损伤前与损伤后的信号差,提出了一种可以分辨多损伤散射信号的损伤定位方法。最后通过数值仿真、各向同性板结构实验和蜂窝夹层复合材料结构实验,验证了该方法的可行性和有效性。

非线性Lamb波结构早期损伤监测研究

非线性Lamb波监测技术是结构健康监测研究的热点之一。为了解决线性Lamb波监测结构早期微损伤敏感度低的问题,采用具有积累效应的(S1,S2)对称模式非线性Lamb波方法,实现对金属结构材料非线性变化的定量监测。实验结果表明,非线性Lamb波信号及特征参数对结构材料非线性变化十分敏感,且随模拟疲劳损伤范围的扩大,特征参数呈线性增长,而基频信号的变化很微弱,从而验证了非线性Lamb波方法对疲劳等结构早期损伤监测的有效性和可行性。

基于Lamb波群速度的铝合金疲劳损伤检测

从理论上分析Lamb波群速度识别铝合金疲劳损伤的可行性。搭建主动Lamb波结构健康监测系统,采用基于Lamb波群速度的结构损伤检测方法,研究金属疲劳引起的损伤形变的识别过程;通过波包分解技术将接收信号中混叠的激励波包分解出来,从而准确地提取波包的到达时刻,实现Lamb波传播群速度的计算。在实际7050铝合金板材结构上进行了实验验证,并与短时傅里叶变换法进行对比。实验结果表明,采用波包分解技术能准确获取波包的传播时间,通过对比群速度识别金属疲劳的存在,其有效性高于短时傅里叶变换法。

Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用

针对Lamb波的多模式和频散特性,从理论和实验两方面研究了Lamb波双面激励方法,并针对近邻损伤进行了监测研究。研究结果表明:与传统的单面激励方法相比,该激励方法能够抑制Lamb波的多模式特性,在频率较低的情况下可实现基本对称或反对称模式的产生,提高了Lamb波的激励效果,便于监测信号的分析。另外,相对于通过调节激励频率产生特定Lamb波模式的方法,该激励方法具有一定的频率可调性,能有效改善Lamb波波包的空间分辨率,增强Lamb波对多个近邻损伤的监测能力。

主动Lamb波损伤成像监测中的波包重建方法

主动Lamb波损伤成像监测技术是结构健康监测研究的热点之一。受到Lamb波频散及多模特性的限制,窄带信号成为主动Lamb波健康监测技术中最常用的激励信号。而窄带激励下的结构响应信号容易发生波包混叠现象,影响监测信号质量;且较宽的波包脉宽降低了损伤成像的分辨率。针对这些问题,在分析Lamb波传播基本原理基础上,研究提出波包重建方法,首先提取响应信号的传递函数,再采用窄脉宽波包重建响应信号,以提高监测信号质量以及损伤成像的分辨率和精度。在环氧玻璃纤维板上的实验结果表明,该方法可有效消除监测信号中的波包混叠现象,提高主动Lamb波损伤成像的准确性。

矩形压电片对Lamb波传感的方向性研究

矩形压电片被广泛用作超声Lamb波的传感器与驱动器。理论推导了矩形压电片对Lamb波(A_0模式)的传感灵敏度系数的函数表达式,同时对推导结果进行了实验验证。研究结果表明矩形压电片对Lamb波的传感具有很强的方向性。当Lamb波传播方向沿着矩形压电片长度方向时,矩形压电片传感响应电压最大。随着Lamb波入射角度的增大,响应电压幅值越来越小,当入射方向与矩形压电片长度方向垂直时,响应幅值达到最小。

主动Lamb波结构健康监测中信号增强与损伤成像方法

主动Lamb波结构健康监测技术研究中,损伤散射信号的信噪比是正确稳定地监测出损伤的关键。针对真实工程结构,尤其是针对复合材料板结构健康监测时存在的信号信噪比低下问题,提出了基于时间反转聚焦原理的信号增强与损伤成像方法。根据Lamb波信号传播自身的特性,通过聚焦的方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在碳纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能有效提高有用信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、范围等特征。

基于双压电晶圆的Lamb波单模式提取方法

基于压电传感器和兰姆(Lamb)波的主动诊断技术是一种有效的复合材料结构健康监测方法。Lamb波传播特性复杂,频散现象和模态混叠导致接收信号的单一模式难以分辨。该文提出了一种采用双压电晶圆来提取Lamb波中单一模式信号方法,它可以有效地解决由于多模式所引起信号混叠。由于该方法是从传感器自身物理特性出发,不依赖具体结构或者传感器布置特性,所以该方法具有更好的工程适应性。碳纤维复合材料平板中的单模式Lamb波提取实验,验证了方法有效性。

Lamb波高斯混合模型螺栓松动损伤检测

螺栓连接广泛应用于多种领域,及时发现螺栓松动的位置是结构健康监测的重要课题之一。利用粘贴在铝板上的压电阵列采集Lamb波信号,提取特征参数集建立高斯混合模型。通过采集监测区域内螺栓连接结构的各种松动工况的数据建立完备的基准数据库,更新实时数据建立动态高斯混合模型,基于高斯混合模型之间概率密度分布之间的相似度最大准则,判断监测区域的各个螺栓松动情况。实验结果表明,螺栓松紧状态一致的测试样本与训练样本之间的高斯混合模型概率分布相似度值达到0.99以上,明显高于工况不匹配的相似度,该方法可有效判断监测区域每个螺栓的松紧状态。

含金属芯压电纤维对Lamb波传感实验研究

含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型的压电功能元件,该文将其应用于超声Lamb波的传感。该文简述了其传感特性、研究现状,建立了一套基于MPF的兰姆(Lamb)波主动监测系统,实验研究并分析了MPF对Lamb波的传感特性。实验结果表明,MPF作为Lamb波传感器是可行的,且其对Lamb波的传感具有很强的方向性,随着Lamb波传播方向与MPF轴向夹角的增大,信号的峰值单调递减。当激励信号频率为160kHz时,沿MPF轴向激励时信号幅值约为垂直于MPF轴向时的5倍。

飞行器板结构中Lamb波解析建模研究

通过理论分析,计算得到特定条件下的板结构中Lamb波的解析解和理论波形,从而为机遇Lamb波的飞行器结构健康监测工作提供坚实的基础。基于对金属板结构的空间-波数域弹性力学分析和压电材料传感器的力电耦合场分析,得到了金属板中Lamb波传播的一般解析解。基于此解析解,可以得到Lamb波传播的理论波形建模结果。为了验证这一解析建模结果,进行了金属板结构中的Lamb波传播实验,通过对比实验结果与建模结果,证明了这一解析建模结果的准确性。