一种十字正交扫描Lamb波工程结构裂纹损伤监测的方法技术领域
本发明涉及一种损伤监测方法，特别涉及一种改进Lamb波工程结构裂纹监测与评
估方法。
背景技术
随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的检测和诊断日益引起人
们的高度重视，尤其是针对裂纹损伤的检测，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须
对结构进行有效的快速检测。
Lamb波是在自由边界条件下，固体结构中传播的弹性导波，具有衰减慢、传播距离
远的特点，且对结构中的微小损伤十分敏感，因此，近年来Lamb波结构健康技术的应用已经
从航空航天领域拓展到土木工程、船舶、铁路及自动化工业领域，在保证结构安全、减少人
员和财产损失等方面发挥着重要的作用。起源于医学的Lamb波概率层析成像技术是近些年
来技术领域内引入的一种新技术方法，相较于传统的Lamb波结构健康技术，如椭圆定位和
三角测量方法等，该技术可以直观地重构出损伤的位置、大小和程度等信息，对于裂纹损伤
监测与评估展现出了较好的研究前景。然而由于Lamb波传播的复杂性，遇到裂纹时存在端
点效应，在裂纹端点处会发生Lamb波模式的转换，这对裂纹的方向、长度的评估以及重构裂
纹损伤带来困难。
基于以上考虑，本发明人对现有的基于Lamb波概率成像的结构裂纹损伤检测方法
进行了改进，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种十字正交扫描Lamb波工程结构裂纹损伤监测的方
法，其可以可靠稳定地判别裂纹损伤的方向，实现裂纹损伤的准确监测和评估。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种十字正交扫描Lamb波工程结构裂纹损伤监测的方法，包括如下步骤：
(1)在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感圆形
阵列；
(2)在激励/传感阵列中,选择一个压电传感器作为激励器，并设为Sm，剩余所有压
电传感器作为传感器，并设为Sn，组建监测通道，采集结构当前状态下所有激励/传感通道
的Lamb波响应信号其中m，n＝1，2，3，…，且m≠n；
(3)将步骤(2)中采集到的Lamb波响应信号作为损伤信号，再根据步骤(2)中
的方法在健康的板结构中采集Lamb波响应信号作为参考信号然后计算所有激励/传
感通道的SDC值：
(4)根据步骤(3)得到的SDC值，利用概率成像原理，重构出板中裂纹损伤可能存在
的区域；
(5)对通过可能损伤区域内的所有两两垂直十字交叉的路径，计算其SDC值差值的
绝对值，并找出差值绝对值最大的一组十字交叉路径，取其中SDC值较小的那条路径，将其
所在方向判定为裂纹方向；
(6)将裂纹判定方向上的SDC值校正为1，采用概率成像原理重构裂纹损伤图像；
(7)根据成像结果，设定合适的阈值，进一步计算得到裂纹损伤的长度信息。
上述步骤(1)中，以铝板结构作为待测结构。
上述步骤(2)中，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到激励器
Sm上，在结构中激发激励信号；经电荷放大器将Sm激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大
并采集送入控制计算机中，得到Sm激励下的Lamb波响应信号
上述Lamb波超声信号为窄带信号，选择其合适的中心频率以激发出单一模式或以
某种模式为主的Lamb波信号。
上述步骤(5)的详细步骤为：
(51)选择压电传感器Sm作为激励器，其他压电传感器Sn作为传感器，在组成的监测
通道中找出通过损伤区域的全部路径其中m，n＝1，2，3，…，且m≠n；
(52)对于路径根据压电激励/传感圆形阵列布置，找出垂直于该路径且通过
损伤区域、由压电传感器Sl和Sg的监测路径组成十字正交路径对其中g，l＝1，2，
3，…，且g≠l；
(53)计算十字正交监测路径和的SDC值的差值，并取差值的绝对值
(54)求取所有十字正交监测路径SDC值差值绝对的最大值以其对应
两条监测路径中SDC值小的方向为裂纹方向。
上述步骤(7)的详细内容是：对再次重构裂纹损伤图像中，在判定的裂纹方向的监
测路径上，按照超过设定阈值的图像像素点数量和间距计算裂纹损伤长度。
采用上述方案后，本发明通过扫描由激励压电传感器和传感压电传感器组成的监
测路径，记录每一条经过损伤区域的路径，并分别将垂直于每条路径方向且通过损伤区域
的路径作为十字正交组合的另一条线，计算每个十字组合中两条激励-传感路径的SDC值差
的绝对值，其中，绝对值最大的十字组合路径中SDC值较小的路径即为裂纹方向，较大的值
即为裂纹的垂直方向。该方法能可靠稳定地判别裂纹损伤的方向，实现裂纹损伤的准确监
测和评估。
附图说明
图1是本发明实施例中试件结构以及传感/激励阵列的布局示意图；
图2是本发明实施例中窄带激励信号的波形时域图；
图3是根据传统的概率成像算法重构出裂纹损伤可能存在的区域；
图4是本发明实施例中利用改进后的概率成像算法，重构出的裂纹损伤图像；
图5是本发明实施例中经过阈值化后的裂纹损伤重构图像，最亮部分表示裂纹所
在的位置。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明利用十字正交扫描实现工程结构裂纹损伤的监测，所借用的基本原理是：
Lamb波在结构中传播时会遍布结构的每个点，且衰减较慢，传播距离较远，对微小损伤敏
感，而结构的裂纹损伤往往会造成结构的中断或不连续。而根据Lamb波传播的基本原理，当
传播介质出现中断或不连续时，大多数的Lamb波信号会因受到阻碍而难以继续向前传播，
即使裂纹宽度很窄，只要其长度大于Lamb波波长，就会造成在传播前进方向上的Lamb波出
现十分明显的衰减，而平行于裂纹损伤方向上的Lamb波信号传播几乎不受损伤的影响。根
据激励信号进入裂纹的入射角度不同，受到裂纹的影响也不同，即参考信号和损伤信号的
差异性(SDC值)与激励信号进入裂纹的入射角关系，采用信号差异系数(SDC)来表征损伤信
号和参考信号的统计特性差异，并利用两两垂直正交的监测路径的SDC值的差值来判断裂
纹的方向，激励信号进入裂纹的入射角度越接近于垂直角度，参考信号和损伤信号的差异
性(SDC值)越大；入射角度越接近于平行于裂纹的角度，参考信号和损伤信号的差异性(SDC
值)越小。
以下将通过公式计算来进一步说明。
首先计算参考信号和损伤信号的信号差异系数SDC值：
其中，分别表示结构损伤前后传感路径(m-n)的Lamb波响应信号，t0
表示该传感路径下的信号直达时间；μ表示相应信号的平均值；ΔT是一个时间窗。实验环境
下，结构中的损伤是引起接收信号变化的唯一原因。对于任意传感路径，SDC值的大小反映
了损伤程度和损伤距离传感路径的相对位置。
在重构的图像中，每个SDC值分别被布置在一个椭圆面上，相对应传感路径中的激
励端m和接收端n是椭圆的两个焦点。参数β为形状因子，控制了椭圆的大小，其值大于1。SDC
值的空间分布函数定义如下：
其中，
式中，(xm,ym)、(xn,yn)分别表示激励端m和接收端n的坐标。
单一传感路径对应的概率分布图只能保证垂直于传感路径方向的分辨率。因此，
为了定位出损伤的准确位置需要将所有传感路径对应的概率分布图进行叠加，从而得到检
测区域内任意点(x,y)的损伤分布概率P(x,y)为：
其中，N为传感器/激励器的总数量。
基于以上原理，本发明提供一种十字正交扫描Lamb波工程结构裂纹损伤监测的方
法，包括如下步骤：
(1)在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感圆形
阵列；在本实施例中，以铝板结构作为待测结构，其尺寸为400mm×400mm×2mm，如图1所示，
杨氏模量E＝70GPa，泊松比0.33，密度ρ＝2800kg/m3。同时，以板结构的中心为坐标原点建
立坐标系，将12个传感器均匀布置在以坐标原点为圆心、半径为14cm的圆周上。模拟裂纹中
心点为坐标(4cm,9cm)，与x轴正方向的夹角为15°，裂纹长度为5cm。
(2)在激励/传感阵列中,选择一个压电传感器作为激励器，并设为Sm(m＝1,2,
3,…,12)，通过函数发生器和功率放大器将五波峰窄带激励信号加载到该激励器上，使之
在铝板结构垂直方向上产生与信号幅值相一致的作用力，在结构中激发出以A0模式为主的
单模式Lamb波信号，采用的激励信号为正弦调制信号，中心频率200kHz，其时域波形如图2
所示；将其余的所有压电传感器作为传感器，并设为Sn(n＝1,2,3,…,12,且m≠n)，组建监
测通道，经电荷放大器将Sm激励下的Lamb波信号传感、放大并采集送入控制计算机中，得到
结构当前状态下Sm激励下的所有激励/传感通道的Lamb波响应信号
重复上述过程，依次激励所有的压电传感器，可以得到由该传感/激励阵列产生的
全部Lamb波响应信号
其中，加载到激励器上的Lamb波超声信号为窄带信号，可通过选择合适的中心频
率，以激发出单一模式或以某种模式为主的Lamb波信号，如在本实施例中，选择中心频率
200kHz的五波峰窄带激励信号加载到激励器上，在结构中激发出以A0模式为主的单模式
Lamb波信号。
(3)将步骤(2)中采集到的Lamb波响应信号作为损伤信号，再根据步骤(2)中
的方法在健康的板结构中采集Lamb波响应信号作为参考信号然后根据式(1)得到所
有激励/传感通道的SDC值；
(4)根据步骤(3)得到的SDC值，利用传统概率成像原理，重构出板中裂纹损伤可能
存在的区域，如图3所示颜色最亮的部分为铝板中裂纹损伤可能存在的区域；
(5)对通过损伤区域内的所有两两垂直十字交叉的路径，计算其SDC值差值的绝对
值，并找出差值绝对值最大的一组十字交叉路径，取其中SDC值较小的那条路径，将其所在
方向判定为裂纹方向；
结合图3，先找出所有经过损伤区域的路径即
然后在这些路径中找出相互垂直的两条路径
计算这些十字架中两条路径的SDC值差的绝对值，并找出绝对值中
最大的一组路径，其中SDC值小的方向就是裂纹的方向。如表(1)所示，绝对值最大的相互垂
直路径是又由于路径的SDC值小，所以压电片2-压电片10之间的连线即为裂纹的
方向。
表1
十字架中两条路径
SDC值差的绝对值
SDC(A1S4)，SDC(A2S9)
0.0811
SDC(A1S5)，SDC(A2S10)
0.4651
SDC(A1S6)，SDC(A2S11)
0.1795
SDC(A2S7)，SDC(A3S12)
0.0993
SDC(A2S8)，SDC(A4S12)
0.2133
(6)将裂纹判定方向上的SDC值校正为1，也即压电传感器2-压电传感器10所在路
径，采用传统概率成像原理再次重构裂纹损伤图像，如图4所示，颜色越亮表示裂纹出现的
概率越大。
(7)根据成像结果，设定合适的阈值，对再次重构裂纹损伤图像中，在判定的裂纹
方向的监测路径上，按照超过设定阈值的图像像素点数量和间距计算裂纹损伤长度。
图5是阈值化以后的结果，亮色部分即为表示裂纹所在的位置，重构的裂纹图像能
很准确地反应板中裂纹损伤的分布。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是
按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内。