基于全信號取點率的結構健康監測

趙乃志 陳桂鳳

1.遼寧科技學院 資源與土木工程學院，遼寧本溪 117004；2.揚州工業職業技術學院 建筑工程學院，江蘇揚州 110168

一、引言

對于管道結構，超聲導波時間反轉檢測法要比直接導波檢測法獲得更大的缺陷反射系數，時間反轉法的時間聚焦效應使得這些分散于不同導波模態的監測能量均聚集在缺陷位置，使監測能量得到較大增加[1]。但是由于軟件和儀器信息存儲容量限制，如果對接收到的信號做全信號的分析，對數據的處理和儀器的運算都帶來比較大的困難。

本文提出基于采點率的信號處理方法，既能反應整個信號的缺陷特征，又能有效減少運算量，同時又可以保證健康監測的精度。為確保選取的信號包含缺陷反射回波信息，分別采用不同取點率對這種方法進行驗證。

二、系統原理

取點率定義為所選取得點數和全信號點數的比值，用v來表示。即每間隔幾個點選一個點，這樣既能反應整個信號的缺陷特征，又能有效減少運算量[2]。

根據時間反轉導波監測的理論分析結果，每個存在的波源都會導致時間反轉波場在源位置的聚焦，并且聚焦位置信號能量的大小，既與缺陷被動波源產生的激勵能量大小相關，也與研究的時間反轉波場中包含哪些導波模態，以及這些模態的幅值相關。[3]

實際監測過程中，缺陷的特征是不受人為控制的，因此，在缺陷位置發生的反射和模態轉換現象也是不可控的。既然無法控制缺陷被動波源產生的激勵能量大小，就只能通過選擇不同的導波模態信息來改變時間反轉波入射至缺陷的能量。應盡可能完整地獲取缺陷波源產生的波形信息，用于時間反轉激勵信號的生成。[4]

三、試驗系統

根據試驗的目的我們建立了一套管道系統來驗證信號不同的取點率對管道檢測結果的影響。

實驗系統如圖1所示，由任意信號發生器、示波器、PZT壓電陶瓷傳感器（激發起和接收器）、試驗用的管材，還有相應的導線組成。

管道結構的缺陷采用人工刻痕的方法，在管道外壁人工刻長度60mm的軸向裂紋，如圖2所示。

信號發生器為RIGOL DG10×2系列雙通道函數/任意波形發生器。該設備可輸出5種基本波形和任意波形。任意波形的頻率特性為1μHz到5MHz，完全滿足本實驗的要求。同時具有豐富的調制功能，輸出各種調制波形：調幅、調頻、調相、線性和對數掃描及脈沖串模式。如圖3所示，本次試驗中所采用的激勵信號為10波峰脈沖信號，激勵頻率為75kHz。[5]

本次試驗選取的激勵信號為L(0, 2)模態信號，頻率為70kHz，其波形圖如圖3所示。以長為60mm軸向裂紋缺陷為例，選取不同的取點率下的時間反轉激勵信號，在管道一段激勵頻率70kHz的五峰波激勵信號。

四、試驗結果與分析

選擇管端部的24個節點同時加載，記錄與各激勵節點相鄰的24個觀測節點上的軸向位移時程曲線，將它們進行疊加得到直接導波監測方式的模擬監測結果，如圖4所示。

從圖4為L(0, 2)模態信號可以看出，激勵L(0, 2)模態導波后，無論是直接監測信號，還是時間反轉信號接收到的信號都含有豐富的信息，不僅含有入射波包、末端反射波包，而且還有表征裂紋的缺陷回波包。

本次試驗采用時間反轉方法，可以將更多的監測能量聚焦在缺陷位置，增強監測能力，應盡可能完整地獲取缺陷波源產生的波形信息，用于時間反轉激勵信號的生成，導波模態會隨著波的傳播最終在缺陷位置發生聚焦。因此，采點率v的大小是決定時間反轉導波激勵信號的關鍵。

為確保選取的信號包含缺陷反射回波信息，針對整個全信號分別采用不同取點率進行分析。圖5為全信號在不同取點率下生成的時間反轉激勵信號時，在接收端得到監測信號。不同取點率接收到的缺陷信號如圖6所示。

從圖5可以看出不同取點率得到的監測信號的缺陷反射信號以在同一管道的相同位置出現的相同缺陷形成的被動波場也是不同的，獲得的波形信息量不同，因此在實際的監測過程中選擇合適的取點率對于監測效果的好壞是十分重要的。

圖6可以看出，經過時間反轉聚焦以后，隨著取點率的增加，回波信號所包含的導波模態信息也就越多，缺陷反射回波幅值與激勵波包幅值的差距就越小。

圖7為取點率與缺陷反射系數關系。從圖7可以看出，當取點率為0.20時，缺陷反射系數為0.0950，比未采用時間反轉方法時提高了近4.3倍。隨著取點率的增加，所包含的導波模態信息越多，缺陷反射回波幅值與激勵波包幅值的差距就越小。當取點率為0.50時，在另一端接收傳感器接收到的回波信號波形信息幾乎全被用于時間反轉激勵信號的生成，此時，缺陷反射系數高達0.8090，比之前幾乎提高了10倍。

五、結論

對于管道結構時間反轉檢測法要比直接導波檢測法獲得更大的缺陷反射系數，且該反射系數隨著取點率的增加而增大。隨著取點率的增加，更多的轉換模態信息被用于生成時間反轉激勵信號，時間反轉法的時間聚焦效應使得這些分散于不同導波模態的監測能量均聚集在缺陷位置，使監測能量得到較大增加。所以在實際的監測過程中選擇合適的取點率也可以得到比較好的檢測效果。