基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010873728.0 (22)申请日 2020.08.26 (71)申请人 厦门大学 地址 361000 福建省厦门市思明南路422号 (72)发明人 孙虎陈威伊君艳卿新林 王奕首 (74)专利代理机构 厦门创象知识产权代理有限 公司 35232 代理人 尤怀成 (51)Int.Cl. G01N 29/04(2006.01) (54)发明名称 基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增 强方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于压电传感器的孔边 裂纹识别精度的增强方法， 该方法。

2、包括根据激励 压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系 获取激励压电传感器和接收压电传感器的位置 信息， 并确定孔边反射点位置信息及虚拟路径， 以将反射点作为虚拟压电传感器； 实时获取接收 压电传感器接收的孔边反射波信号， 并对孔边反 射波信号进行处理以获取反射波损伤因子； 对反 射波损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟 压电传感器位置信息和接收压电传感器位置信 息进行椭圆加权成像， 以对孔边裂纹的识别精度 进行增强； 由此， 能够在不增加传感器个数的前 提下通过超声导波在孔边的反射增加虚拟传感 路径， 进而提高孔边裂纹的识别精度。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 11211。

3、4037 A 2020.12.22 CN 112114037 A 1.一种基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 所述压电传感 器包括激励压电传感器和接收压电传感器， 所述激励压电传感器和接收压电传感器安装于 孔边， 所述孔边裂纹识别精度的增强方法包括以下步骤： 根据激励压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系获取所述激励压电传感器和 接收压电传感器的位置信息， 并根据所述激励压电传感器和接收压电传感器的位置信息确 定孔边反射点位置信息及虚拟路径， 以将所述反射点作为虚拟压电传感器； 实时获取所述接收压电传感器接收的孔边反射波信号， 并对所述孔边反射波信号进行 处理以获取反。

4、射波损伤因子； 对所述反射波损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息和接收 压电传感器位置信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强。 2.如权利要求1所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 所述压电传感器包括多个激励压电传感器和多个接收压电传感器， 通过所述多个激励压电 传感器激发超声导波信号， 经过虚拟压电传感器对所述超声导波信号进行反射以得到孔边 反射波信号， 以使所述多个接收压电传感器接收所述对应的孔边反射波信号， 以构成多条 虚拟路径。 3.如权利要求2所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 实时。

5、获取所述接收压电传感器接收的孔边反射波信号， 并对所述孔边反射信号进行处理以 获取反射波损伤因子， 包括： 采用飞行时间法确定每条虚拟路径对应的传播时间； 在孔边未出现裂纹时， 根据所述每条虚拟路径对应的传播时间在所述接收的孔边反射 波信号中筛选出每条虚拟路径对应的孔边反射波信号以作为所述每条虚拟路径对应的基 准信号； 在孔边出现裂纹时， 根据所述每条虚拟路径对应的传播时间在所述接收的孔边反射波 信号中筛选出每条虚拟路径对应的孔边反射波信号以作为所述每条虚拟路径对应的对比 信号； 根据所述每条虚拟路径对应的基准信号和所述每条虚拟路径对应的对比信号计算所 述每条虚拟路径对应的反射波损伤因子。 4。

6、.如权利要求3所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 根据所述每条虚拟路径对应的基准信号和所述每条虚拟路径对应的对比信号计算所述每 条虚拟路径对应的反射波损伤因子， 包括： 其中， DIi为第i条虚拟路径对应的反射波损伤因子； Ci为第i条虚拟路径对应的对比信 号幅值； Bi为第i条虚拟路径对应的基准信号幅值。 5.如权利要求4所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 对所述损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息和接收压电传感器 位置信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强， 包括： 权利要求书 1/2 。

7、页 2 CN 112114037 A 2 其中， xaiyai， xfiyfi， xsiysi分别表示第i条虚拟路径上的激励压电传感器、 虚拟压电传感器和 接收压电传感器的二维坐标， 共有K条虚拟路径， 为自定常数， P(x， y)为椭圆加权成像结 果。 6.如权利要求1所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 在实时获取所述接收压电传感器接收的孔边反射波信号之前， 还包括： 实时获取所述接收压电传感器接收的直达波信号， 并对所述直达波信号进行处理以获 取直达波损伤因子； 对所述直达波损伤因子、 激励压电传感器位置信息和接收压电传感器位置信息进行椭 圆加权成像， 以对所。

8、述孔边裂纹进行初步识别。 7.如权利要求1-6中任一项所述的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 其特征在于， 所述压电传感器的激励信号频厚积设置在200KHZmm-1MHZmm。 权利要求书 2/2 页 3 CN 112114037 A 3 基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法 技术领域 0001 本发明涉及裂纹监测技术领域， 特别涉及一种基于压电传感器的孔边裂纹识别精 度的增强方法。 背景技术 0002 螺栓连接结构是航空航天、 轨道交通、 土木工程等主承力结构的主要连接方式， 其 完整性直接影响整体结构安全， 但是由于螺栓孔边应力集中使得螺栓连接结构极易出现孔 边裂纹， 研。

9、究表明80的机械结构失效是由于连接结构失效造成的， 这使得有效监测和预 防螺栓连接结构的孔边裂纹、 预测其剩余寿命变得十分重要。 0003 相关技术中， 常见的监测技术有超声导波法， 而超声导波法中的成像技术主要有 概率损伤成像方法， 概率损伤成像是以布置在结构上稀疏的压电传感网络为基础， 将各个 传感路径上的散射信号差异或损伤因子融合成结构各离散点损伤发生的概率， 从而实现损 伤的成像； 但是， 由于采用的概率损伤成像方法的精度取决于传感路径的密集程度， 而孔边 布置的压电传感网络较为稀疏， 无法达到孔边裂纹的精细辨识， 从而大大降低了螺栓连接 结构孔边裂纹定量监测水平。 发明内容 0004。

10、 本发明旨在至少从一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。 为此， 本发明的 一个目的在于提出一种基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 能够在不增加传 感器个数的前提下通过超声导波在孔边的反射增加虚拟传感路径， 进而提高孔边裂纹的识 别精度。 0005 为达到上述目的， 本发明实施例提出的一种基于压电传感器的孔边裂纹识别精度 的增强方法， 所述压电传感器包括激励压电传感器和接收压电传感器， 所述激励压电传感 器和接收压电传感器安装于孔边， 所述孔边裂纹识别精度的增强方法包括以下步骤： 根据 激励压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系获取所述激励压电传感器和接收压电 传感器的位置信息，。

11、 并根据所述激励压电传感器和接收压电传感器的位置信息确定孔边反 射点位置信息及虚拟路径， 以将所述反射点作为虚拟压电传感器； 实时获取所述接收压电 传感器接收的孔边反射波信号， 并对所述孔边反射波信号进行处理以获取反射波损伤因 子； 对所述反射波损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息和接收压 电传感器位置信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强。 0006 根据本发明实施例的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法， 首先根据 激励压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系获取激励压电传感器和接收压电传感 器的位置信息， 并根据激励压电传感器和接收压电传。

12、感器的位置信息确定孔边反射点位置 信息及虚拟路径， 以将反射点作为虚拟压电传感器； 接着实时获取接收压电传感器接收的 孔边反射波信号， 并对孔边反射波信号进行处理以获取反射波损伤因子； 最后对反射波损 伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息和接收压电传感器位置信息 说明书 1/7 页 4 CN 112114037 A 4 进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强。 由此， 能够在不增加传感器个 数的前提下通过超声导波在孔边的反射增加虚拟传感路径， 进而提高孔边裂纹的识别精 度。 0007 另外， 根据本发明上述实施例提出的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强。

13、 方法还可以具有如下附加的技术特征： 0008 进一步地， 所述压电传感器包括多个激励压电传感器和多个接收压电传感器， 通 过所述多个激励压电传感器激发超声导波信号， 经过虚拟压电传感器对所述超声导波信号 进行反射以得到孔边反射波信号， 以使所述多个接收压电传感器接收所述对应的孔边反射 波信号， 以构成多条虚拟路径。 0009 进一步地， 实时获取所述接收压电传感器接收的孔边反射波信号， 并对所述孔边 反射信号进行处理以获取反射波损伤因子， 包括： 采用飞行时间法确定每条虚拟路径对应 的传播时间； 在孔边未出现裂纹时， 根据所述每条虚拟路径对应的传播时间在所述接收的 孔边反射波信号中筛选出每条。

14、虚拟路径对应的孔边反射波信号以作为所述每条虚拟路径 对应的基准信号； 在孔边出现裂纹时， 根据所述每条虚拟路径对应的传播时间在所述接收 的孔边反射波信号中筛选出每条虚拟路径对应的孔边反射波信号以作为所述每条虚拟路 径对应的对比信号； 根据所述每条虚拟路径对应的基准信号和所述每条虚拟路径对应的对 比信号计算所述每条虚拟路径对应的反射波损伤因子。 0010 进一步地， 根据所述每条虚拟路径对应的基准信号和所述每条虚拟路径对应的对 比信号计算所述每条虚拟路径对应的反射波损伤因子， 包括： 0011 0012 其中， DIi为第i条虚拟路径对应的反射波损伤因子； Ci为第i条虚拟路径对应的对 比信号幅。

15、值； Bi为第i条虚拟路径对应的基准信号幅值。 0013 进一步地， 对所述损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息 和接收压电传感器位置信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强， 包括： 0014 0015其 中 ， 0016 0017 xaiyai， xfiyfi， xsiysi分别表示第i条虚拟路径上的激励压电传感器、 虚拟压电传感 说明书 2/7 页 5 CN 112114037 A 5 器和接收压电传感器的二维坐标， 共有K条虚拟路径， 为自定常数， P(x， y)为椭圆加权成像 结果。 0018 进一步地， 在实时获取所述接收压电传感器接收的孔。

16、边反射波信号之前， 还包括： 实时获取所述接收压电传感器接收的直达波信号， 并对所述直达波信号进行处理以获取直 达波损伤因子； 对所述直达波损伤因子、 激励压电传感器位置信息和接收压电传感器位置 信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹进行初步识别。 0019 进一步地， 所述压电传感器的激励信号频厚积设置在200KHZmm-1MHZmm。 附图说明 0020 图1为根据本发明一个实施例的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法 的流程示意图； 0021 图2为根据本发明一个实施例的压电传感器的网络示意图； 0022 图3为根据本发明一个实施例的椭圆加权成像示意图； 0023 图4为根据本发。

17、明一个实施例的压电传感器的虚拟路径示意图； 0024 图5为根据本发明一个实施例的虚拟路径椭圆加权成像示意图。 具体实施方式 0025 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 0026 为了更好的理解上述技术方案， 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实 施例。 虽然附图中显示了本发明的示例性实施例， 然而应当理解， 可以以各种形式实现本发 明而不应被这里阐述的实施例所限制。 相反， 提供这些实。

18、施例是为了能够更透彻地理解本 发明， 并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。 0027 为了更好的理解上述技术方案， 下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上 述技术方案进行详细的说明。 0028 图1为根据本发明一个实施例的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方法 的流程示意图， 其中， 该压电传感器包括激励压电传感器和接收压电传感器， 激励压电传感 器和接收压电传感器安装于孔边。 0029 如图1所示， 该孔边裂纹识别精度的增强方法包括以下步骤： 0030 步骤101， 根据激励压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系获取激励压电 传感器和接收压电传感器的位置信息， 并根。

19、据激励压电传感器和接收压电传感器的位置信 息确定孔边反射点位置信息及虚拟路径， 以将反射点作为虚拟压电传感器。 0031 也就是说， 通过激励压电传感器的位置信息、 接收压电传感器的位置信息和孔位 置关系确定反射点位置信息以及虚拟路径， 并将该反射点作为虚拟压电传感器。 0032 需要说明的是， 压电传感器包括多个激励压电传感器和多个接收压电传感器， 通 过多个激励压电传感器激发超声导波信号， 经过虚拟压电传感器对超声导波信号进行反射 以得到孔边反射波信号， 以使多个接收压电传感器接收对应的孔边反射波信号， 以构成多 条虚拟路径。 说明书 3/7 页 6 CN 112114037 A 6 00。

20、33 作为一个实施例， 如图4所示， 在压电智能层3的螺栓孔旁分别在0 布置两个接收 压电传感器： 第一接收压电传感器11和第二接收压电传感器12， 90 布置两个激励压电传感 器： 第一激励压电传感器41和第二激励压电传感器42； 在200KHZmm-1MHZmm频厚积中实 际监测孔径和板厚选择合适的激励频率， 通过激励第一接收压电传感器11通过虚拟压电传 感器到达第一激励压电传感器41以形成第一条虚拟路径， 激励第一接收压电传感器11通过 虚拟压电传感器到达第二激励压电传感器42以形成第二条虚拟路径， 激励第二接收压电传 感器12通过虚拟压电传感器到达第一激励压电传感器41以形成第三条虚拟。

21、路径， 激励第二 接收压电传感器12通过虚拟压电传感器到达第二激励压电传感器42以形成第四条虚拟路 径， 总共形成4条虚拟路径。 0034 步骤102， 实时获取接收压电传感器接收的孔边反射波信号， 并对孔边反射波信号 进行处理以获取反射波损伤因子。 0035 作为一个实施例， 采用飞行时间法确定每条虚拟路径对应的传播时间； 在孔边未 出现裂纹时， 根据每条虚拟路径对应的传播时间在接收的孔边反射波信号中筛选出每条虚 拟路径对应的孔边反射波信号以作为每条虚拟路径对应的基准信号； 在孔边出现裂纹时， 根据每条虚拟路径对应的传播时间在接收的孔边反射波信号中筛选出每条虚拟路径对应 的孔边反射波信号以作。

22、为每条虚拟路径对应的对比信号； 根据每条虚拟路径对应的基准信 号和每条虚拟路径对应的对比信号计算每条虚拟路径对应的反射波损伤因子。 0036 也就是说， 在孔边未出现裂纹前， 通过激励压电传感器、 接收压电传感器和孔位置 关系得到反射点的位置信息和虚拟路径， 将反射点视为虚拟压电传感器； 对于已知的虚拟 路径和激励频率， 采用飞行时间法确定超声导波从激励压电传感器-虚拟压电传感器-接收 压电传感器的传播时间， 从而在接收压电传感器上选择对应时间的波包作为基准信号； 在 孔边出现裂纹时， 通过激励压电传感器、 虚拟压电传感器、 裂纹和接收压电传感器位置关系 确定虚拟路径， 采用飞行时间法确定传播。

23、时间， 在接收压电传感器上选择对应时间的波包 作为对比信号。 0037 作为一个具体实施例， 根据每条虚拟路径对应的基准信号和每条虚拟路径对应的 对比信号计算每条虚拟路径对应的反射波损伤因子， 包括： 0038 0039 其中， DIi为第i条虚拟路径对应的反射波损伤因子； Ci为第i条虚拟路径对应的对 比信号幅值； Bi为第i条虚拟路径对应的基准信号幅值。 0040 步骤103， 对反射波损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信 息和接收压电传感器位置信息进行椭圆加权成像， 以对孔边裂纹的识别精度进行增强。 0041 作为一个实施例， 如图5所示， 对激励压电传感器、 虚拟。

24、压电传感器6和接收压电传 感器三者进行椭圆加权成像： 0042 说明书 4/7 页 7 CN 112114037 A 7 0043其 中 ， 0044 0045 xaiyai， xfiyfi， xsiysi分别表示第i条虚拟路径上的激励压电传感器、 虚拟压电传感 器和接收压电传感器的二维坐标， 共有K条虚拟路径， 为自定常数， P(x， y)为椭圆加权成像 结果， 从而实现对孔边裂纹进行精细辨识。 0046 需要说明的是， 在实时获取接收压电传感器接收的孔边反射波信号之前， 还包括： 实时获取接收压电传感器接收的直达波信号， 并对直达波信号进行处理以获取直达波损伤 因子； 对直达波损伤因子、 。

25、激励压电传感器位置信息和接收压电传感器位置信息进行椭圆 加权成像， 以对孔边裂纹进行初步识别。 0047 作为一个实施例， 如图2所示， 由第一激励压电传感器11激励， 第二接收压电传感 器41和第二接收压电传感器42接收直达波信号， 第二激励压电传感器12激励， 第二接收压 电传感器41和第二接收压电传感器42接收直达波信号， 共形成4条直接传感路径； 参考图3， 确定激励频率后， 将损伤前接收压电传感器所接收到的第一个信号波包作为基准信号， 孔 边出现裂纹时接收压电传感器所接收到的第一个信号波包作为对比信号， 通过椭圆加权算 法成像： 0048 0049其中，xaiyai， xsiysi分。

26、别表示第i条直接传感路径上的激励压电传感器和接收压电传感器的二维坐标， 共 有K条直接传感路径， 为自定常数， P(x， y)为椭圆成像结果。 从公式中可知， 该算法是以直 接损伤因子和像素点与传感器距离关系表征像素点出现损伤的概率， 对压电传感器来说， 直达波损伤因子DIi可根据信号的不同特征来定义， 通常的直达波损伤因子可通过信号的 能量、 相关系数等定义， 在本优选实施例中采用能量方法定义： 0050 0051 其中， DIi为第i条直接传感路径对应的直达波损伤因子； Ci为第i条直接传感路径 对应的对比信号幅值； Bi为第i条传感路径对应的基准信号幅值； 通过上述算法可对孔边裂 纹进行。

27、初步识别。 0052 需要说明的是， 在获取虚拟路径时， 还可根据实际需要对虚拟路径进行挑选， 例如 上述中第二激励压电传感器12激励-第二接收压电传感器42接收的反射波信号无法有效区 说明书 5/7 页 8 CN 112114037 A 8 别于直达波信号， 故不考虑该条虚拟路径， 从而获得最终的3条可用虚拟路径以对孔边裂纹 进行精细辨识， 进一步提高识别效率。 0053 综上所述， 根据本发明实施例的基于压电传感器的孔边裂纹识别精度的增强方 法， 首先根据激励压电传感器和接收压电传感器的孔边安装关系获取激励压电传感器和接 收压电传感器的位置信息， 并根据激励压电传感器和接收压电传感器的位置。

28、信息确定孔边 反射点位置信息及虚拟路径， 以将反射点作为虚拟压电传感器； 接着实时获取接收压电传 感器接收的孔边反射波信号， 并对孔边反射波信号进行处理以获取反射波损伤因子； 最后 对反射波损伤因子、 激励压电传感器位置信息、 虚拟压电传感器位置信息和接收压电传感 器位置信息进行椭圆加权成像， 以对所述孔边裂纹的识别精度进行增强。 由此， 能够在不增 加传感器个数的前提下通过超声导波在孔边的反射增加虚拟传感路径， 进而提高孔边裂纹 的识别精度。 0054 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前。

29、” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底”“内” 、“外” 、“顺时 针” 、“逆时针” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于 描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特 定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0055 此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。 在本发明的描述中，“多个” 的含义是两个。

30、或两个以上， 除非另有明确具体的限定。 0056 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固定” 等 术语应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或成一体； 可以是机械连 接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情 况理解上述术语在本发明中的具体含义。 0057 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之 “上” 或之 “下” 可以包括第一和第二特征直接接触， 也可以包括第一和。

31、第二特征不是直接接触而是通过它 们之间的另外的特征接触。 而且， 第一特征在第二特征 “之上” 、“上方” 和 “上面” 包括第一特 征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在 第二特征 “之下” 、“下方” 和 “下面” 包括第一特征在第二特征正下方和斜下方， 或仅仅表示 第一特征水平高度小于第二特征。 0058 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中，。

32、 对上述术语的示意性表述不 应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点 可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 此外， 本领域的技术人员可 以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。 0059 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 说明书 6/7 页 9 CN 112114037 A 9 实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说明书 7/7 页 10 CN 112114037 A 10 图1 说明书附图 1/4 页 11 CN 112114037 A 11 图2 图3 说明书附图 2/4 页 12 CN 112114037 A 12 图4 说明书附图 3/4 页 13 CN 112114037 A 13 图5 说明书附图 4/4 页 14 CN 112114037 A 14 。