基于激光測振儀的薄鋼板損傷無損檢測方法

姚 晨, 陳海衛,李麗霞

(1.江南大學 機械工程學院， 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室， 無錫 214122)

基于激光測振儀的薄鋼板損傷無損檢測方法

姚 晨1,2, 陳海衛1,2,李麗霞1，2

(1.江南大學 機械工程學院， 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室， 無錫 214122)

基于非接觸式激光測振儀的主動蘭姆波檢測技術，分析了薄鋼板損傷的無損檢測方法。試驗采用單壓電片激勵，激光測振儀周向陣列接收的檢測方式。根據蘭姆波在鋼板中的傳播特性，繪制出相應的頻散曲線，確定試驗最佳激勵參數，進而結合橢圓定位原理和概率成像算法，對激光測振傳感器周向陣列采集到的多組信號進行損傷成像。結果表明，該無損檢測方法可以有效地檢測出損傷，實現損傷的二維成像定位。

激光測振儀；概率成像算法；蘭姆波；損傷定位

蘭姆波具有遠距離傳播、低損耗、對微小損傷敏感等特點，廣泛應用于薄板類結構的無損檢測中[1]。測量蘭姆波的離面位移，是分析板中蘭姆波傳播模式，評價檢測系統性能的核心問題。

在“一發一收”檢測方式中，傳統方法應用壓電片接收蘭姆波，其存在以下缺點：① 壓電片粘貼復雜；② 壓電片的附加負載，影響薄板的振動屬性[2]。近年來，許多學者利用激光測振儀接收蘭姆波，實現了薄板損傷的蘭姆波檢測；Pohl等[3]利用激光測振儀研究了復合板中蘭姆波的傳播特性，其無需耗時安裝和調節傳感器，可識別板中蘭姆波模式。Lamboul等[4]利用激光測振儀對復合板沖擊損傷進行了試驗研究，用能量圖法檢測板中損傷。何存富等[5]利用激光測振儀有效地檢測出了鋁板中蘭姆波的面內位移和離面位移。

筆者基于蘭姆波主動檢測技術[6]，采用壓電片激勵，激光測振儀定量接收的方式進行了薄鋼板檢測試驗。針對1 mm厚的鋼板，對比分析了有損傷和無損傷兩種狀況的激勵響應信號；并通過橢圓定位原理和損傷的概率成像算法，進行了損傷定位和檢測系統評價。

1 蘭姆波頻散特性

在自由邊界條件下，薄板類結構中傳播的蘭姆波，是超聲無損檢測中常用的一種導波形式。壓電片在板中激勵的蘭姆波是種復雜的結構應力波，由縱波和橫波復合而成。根據Rayleigh-Lamb方程[7]，蘭姆波傳播模式可以分為對稱模式Si和反對稱模式Ai(i=0,1,2,…)，各個傳播模式都有明顯的頻散效應。

1 mm鋼板中蘭姆波的群速度頻散曲線如圖1所示。其中板的密度7 930 kg·m-3,橫波波速3 200 m·s-1，縱波波速5 970 m·s-1。從圖1可以看出，對某一頻率，鋼板中至少存在兩種蘭姆波傳播模式，且每種模式都有截止頻率。在低頻情況下，蘭姆波傳播模式趨向于低階，即S0和A0模式。蘭姆波在傳播過程中，遇損傷和薄板邊界時會發生一定程度的模式轉換和能量衰減。通過分析接收信號的模式，提取特征信號參數，運用橢圓定位原理，即可實現損傷的檢測。

圖1 1 mm厚鋼板中蘭姆波的群速度頻散曲線

2 橢圓定位原理和概率成像算法

2.1 橢圓定位原理

驅動器(位置A)，接收傳感器(位置S)和損傷(位置D)在板中的位置，如圖2所示。由驅動器激勵出的蘭姆波在板中傳播，最后被傳感器接收。如果板中存在損傷(位置D處)，蘭姆波遇到損傷后會發生散射，散射信號以損傷位置D為中心，周向繼續傳播，然后被傳感器接收。根據傳感器檢測到的直達波和損傷回波，使用下式計算出損傷回波傳播路徑d：

式中：cg為蘭姆波群速度；Δt為損傷回波與直達波的傳播時間差。

因此，損傷回波的傳播路徑是確定的，損傷位置則處在以驅動器(位置A)和傳感器(位置S)的位置為焦點，d為長軸的橢圓軌跡上。

圖2 損傷的橢圓定位示意

2.2 概率成像算法

概率成像算法是結合傳感網絡技術的一種算法，能準確識別出損傷的位置信息[8]。首先建立一個與薄鋼板大小一致的二維虛擬網格(K×K)，其網格點可表示為Pij(i=1,2，…，K,j=1,2，…，K)，如圖3(a)所示。理論上，驅動器(位置A處)與任意一個傳感器(位置Sm(m=1,2，…，24)處)可以生成一條橢圓軌跡Em(m=1,2，…，24)。對某一條橢圓軌跡，如果網格點位置恰好與橢圓軌跡重合，則該點存在損傷的概率最大(100%)；如果網格點離橢圓軌跡越遠，則該點存在損傷的概率越小。Pij到Em的距離可定義為：

圖3 概率成像算法示意

式中：Rij為網格點Pij的位置矢量；Qm為Em位置矢量，如圖3(b)所示。

網格點Pij存在損傷的概率密度滿足高斯分布函數：

式中：σm為(Lij)m的標準差。

在實際應用中，采用傳感器周向陣列的方式對鋼板進行多路徑檢測，以提高檢測的可靠性和檢測精度。對每條檢測路徑，網格點有獨立的概率密度值?；诙鄠鞲衅鲾祿诤戏椒ǎ瑢鞲衅麝嚵薪邮招盘栕骶堤幚?，實現板中損傷的二維成像檢測。網格點Pij的一組概率密度值[a1,a2,…,am]，則幾何均值(Pij)g可定義為：

3 試驗研究

檢測系統由任意波形發生器(ET 3325)，單點激光測振傳感器(Polytec OFV-505)，激光測振控制器(Polytec OFV 5000)，功率放大器(KH 7602M)，計算機，鋼板(長×寬×厚為800 mm×800 mm×1 mm)和壓電片(直徑×厚度為φ10 mm×2 mm)組成。

圖4 檢測系統與測試點布局示意

如圖4所示，ET 3325作為信號激勵模塊，產生激勵信號。一路信號輸出給激光測振控制器，另一路信號輸出給功率放大器，然后加載在壓電片兩端。由壓電片在鋼板中激勵蘭姆波，激光測振傳感器接收傳播信號。如圖4(b)所示，所有傳感器測試點表面粘貼反光帶，并將激光束垂直打在鋼板測試點正中心位置，以提高檢測精度。其中激光測試點Pi(xi,yi)，壓電片和矩形通孔損傷(長×寬為12mm×3mm)三者位置關系滿足下式：

3.1 激勵頻率優化

激勵信號是經Hanning調制的5個周期的正弦波信號[9]，正弦波中心頻率200 kHz，峰峰值10 V。在薄鋼板無損傷狀況下，由壓電片激勵，激光測振傳感器分別在距離壓電片50 mm的A點和100 mm的A′點采集傳播信號，得到的信號如圖5所示。根據A和A′兩點的距離和該頻率下蘭姆波的傳播速度，可以看出波包1和波包2是A0模式直達波,同時在傳播過程中幅值有明顯的衰減情況。結果表明，在該試驗條件下，激光測振儀離面檢測時，只存在單一的A0模式，且傳播距離越遠，幅值衰減越大。

圖5 無損傷鋼板不同測試點的接收信號

圖6 無損傷鋼板的掃頻信號峰值分布

對無損傷薄鋼板進行掃頻，以確定最佳激勵頻率。掃頻范圍為60 kHz～420 kHz。由壓電片激勵，A點接收。試驗得到該頻率范圍下蘭姆波A0模式的幅值分布，如圖6所示。由圖可看出，在200 kHz附近，A0模式的峰值達到最大值。在此確定200 kHz為壓電片激勵頻率。

3.2 板中損傷成像定位

在薄鋼板無損傷和有損傷兩種狀況下，壓電片激勵，在A點接收信號，得到的信號如圖7所示。

圖7 有無損傷鋼板相同測試點的對比信號

根據損傷中心位置到A點的距離與該頻率下蘭姆波的傳播速度可以計算出損傷回波的位置，如圖7中圓圈所示的位置。可以看出，試驗結果和理論結果十分吻合。

對周向傳感器陣列接收到的多組信號，計算損傷回波時間延遲，運用橢圓定位原理和概率成像算法進行損傷成像，如圖8所示。圖中綠色加號是驅動器位置，紅色星號是傳感器測試點位置，白色圓圈是試驗得到的損傷位置，實心白點是損傷的實際中心位置。比較圖8(a)，(c)與圖8(b)，(d)可以看出：該試驗條件下，50 mm傳感器測試點檢測精度較高，5周期蘭姆波激勵信號的損傷檢測精度較高。同時，圖8(b)中5周期蘭姆波激勵，50 mm激光測試點接收的檢測精度最高，可達5 mm。

圖8 損傷的二維成像圖

4 結論

用壓電片激勵，激光測振儀接收的方式，運用橢圓定位原理和概率成像算法對1 mm損傷鋼板進行試驗,得到以下結論：

(1) 壓電激勵頻率200 kHz，單一A0模式的幅值最大。

(2) 5周期蘭姆波對損傷的定位精度比3周期蘭姆波的損傷定位精度高。

(3) 適當的概率成像算法能較好地實現損傷的二維成像定位。

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NDT Method for Thin Plate Damage Based on Laser Vibrometer

YAO Chen1,2, CHEN Hai-wei1,2, LI Li-xia1,2

(1.College of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;2.The Key Laboratory for Advanced Food Manufacturing Equipment Technology of Jiangsu Province,Wuxi 214122, China)

This paper studies nondestructive testing method of locating defect in thin plate-like structure based upon the active lamb wave detecting technique with the aid of laser vibrometer. In the experiment, lamb wave is actuated by single piezoelectric transducer (PZT) and received by laser vibrometer. Firstly, the propagation property of lamb wave in thin steel plate was explored, the relevant dispersion curves were drawn, and finally the experimental actuation parameters were optimized. By integration of elliptic imaging theory and probability imaging algorithm, it is effective to get two-dimensional images of defect in plate-like structure from signals received by omnidirectional multi-sensor array. The result shows that this kind of nondestructive method can locate man-made damage and get two-dimensional images of defect in an effective way.

Laser vibrometer; Image algorithm; Lamb wave; Damage location

2016-06-22

姚 晨(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為超聲無損檢測。

陳海衛，E-mail: jndxchw@163.com。

10.11973/wsjc201702002

TG115.28;TB559

A

1000-6656(2017)02-0005-04