文摘
结构和机器非常容易受到一些几乎不可见的缺陷;声发射(AE)技术是一种有效的检测缺陷和检查这些缺陷的生长和位置。本文提出了一种新的方法来预测AE源的位置。AE源的动态应变信号通过光纤布喇格光栅(FBG)传感器。复杂Morlet小波变换被用来从AE提取窄带信号波。它提出了重心基于坐标定位算法可以用来预测AE源的坐标。验证测试的基础上,设计了AE检测系统进行一个500毫米×500毫米×2毫米铝合金板。实验结果表明,该方法是可行的。
1。介绍
结构性能的退化是视为一个巨大的威胁安全与结构和机器的性能。结构健康监测(SHM)利用多种传感器连接到或嵌入到监控结构检测外观、位置和严重程度的伤害。因此,SHM的损伤检测和结构破坏。各种方法已经研究了结构损伤检测。这些方法可以分为两类:基于模型的和ieee方法。前发展合适的模型和分析变化与损伤模型;后者提取特征和建立这些特性和潜在的损害之间的关系(1- - - - - -3]。声发射(AE)是一种有效的损伤诊断[ieee意味着实现4]。
AE波产生的能量释放是由于传播裂纹或摩擦结构。AE技术是用来探测、定位和评估的缺陷。获得AE浪潮,一些AE传感器已被广泛应用,如压电传感器(压电)和电容AE传感器(5- - - - - -8]。然而,传统的AE传感器结构复杂等缺点,弱antielectromagnetic干扰,不适合用于分布式测量。目前,光纤布喇格光栅(FBG)传感器预期作为替代因其优异的性能。光纤光栅传感器可以很容易地嵌入到监控结构没有破坏作用,由于其体积小,重量轻9]。此外,光纤光栅传感器不受电磁干扰(10]。此外,远程分布式测量可以实现通过使用光纤光栅传感器(11]。因此,一些学者做过一些研究声发射源定位使用光纤光栅传感器(12,13]。Yu et al。14]研究了光纤光栅传感器的有效长度从AE源复合镀层。Yu et al。15]AE源识别方法提出了一种基于代数重建算法和三维成像技术。
最近,越来越多的AE源定位方法开发了基于智能算法(16,17]。程等。18)一个优化的小波神经网络应用于实现旋转机械的AE源位置。Sadegh et al。19)应用遗传算法和人工神经网络提取特征的AE信号监测轴颈轴承的润滑条件。然而,在这些研究中使用的智能算法,需要大量的训练样本,含铅低效和本地化过程的复杂性。此外,AE源定位在平板状结构通常需要大量的传感器。特别是,这些方法通常只准确在凸区域包围传感器。
基于之前的研究,本文提出了一种新颖的AE检测系统基于光纤光栅传感器和一个新的AE源位置的方法。收集的AE信号的光纤光栅传感器粘贴在结构表面。重心的方法用来预测定位基于坐标位置。不同于上面提到的方法,该方法是基于开发只传感器之间的距离测量,而不是训练样本。AE源不需要谎言凸区域内形成的传感器。最后,AE源位置进行实验来验证这个新设计系统和定位算法。结果表明,它是一种有效和可行的方法,声发射源定位。
2。理论原则
2.1。光纤光栅AE传感原理
沿着光纤光栅产生的动态应变场AE波可以简化为一个时间cosine-Gauss功能: 在哪里AE的振幅波传播材料被监控,声发射波的波长,AE的角频率是波,是到达时间,声发射波的持续时间。
光纤光栅的波长交替主要归因于两个因素:一个是调制的光栅周期(几何效应),导致光纤光栅的轴向变形,另一个是光纤光栅的有效折射率的变化(光弹性效应)。
考虑到几何效应和光弹性效应,光纤光栅的有效折射率的表达在AE获得波: 在哪里 ,和光纤光栅的光弹性系数,泊松比(20.]。
基于上面的提到的理论中,光纤光栅的光谱特性在AE波进行了模拟和分析。当声发射波的波长是100毫米,光栅的长度是10毫米,AE波的振幅15με,50με,100年με,150年με,300με,分别。之间的关系反射率和波长的光纤光栅图所示1。光纤光栅的中心转向波长越长增加的时候大于 。结果还表明,波长和中部之间有良好的线性关系 。的最大反射率光纤光栅反射光谱的变化保持不变 。
2.2。复杂Morlet小波变换
收集到的AE波通常包含一些mutation-shaped山峰或非平稳的组件。Morlet利用小波变换,提取AE的窄带信号波。
声发射波的连续小波变换可以被定义为 在哪里 的共轭复数小波扩展吗 通过缩放和移动母亲小波,缩放因子,是这种转变的因素。
上述函数的傅里叶变换的定义 在哪里和是带宽因子和复杂Morlet小波的中心频率,分别。小波是一个复杂的指数函数与高斯窗口的形状。因此,中心频率的窄带信号可以通过Morlet提取小波变换。带宽的范围是有限的 。复杂的Morlet可以构造小波滤波器 在哪里表示傅里叶反变换,和的傅里叶变换和 ,分别。
当考虑到传播距离 ,AE波 可以表达为 在哪里和波数。表示
声发射波的模块价值获得复杂Morlet小波变换
当 ,模块值最大是声发射波的群速度。因此,到达时间不同可以通过模块的高峰值值:
根据到达时间的差异和不同的距离,波速可以计算监控材料:
2.3。质心算法基于坐标位置
1827年,重心坐标是描述一个点的相对位置对其他点23- - - - - -26]。在飞机上,一个点和其他三个点 , ,和 ,点的质心坐标对点 , ,和可以被定义为{ , ,和},满足 在哪里 , , ,和欧几里得的坐标点吗 , , ,和 ,分别。
考虑一个AE事件发生在板上有三个传感器 , ,和附近,AE信号检测到的每个传感器。然后,重心坐标的绝对值 , ,和可以计算为 在哪里 , , ,和签署了相应区域的三角形吗 , , ,和 。这些区域可以根据解决 在哪里 , ,和AE源之间的距离测量吗和传感器和 ,分别。
在平面上,三个相邻的传感器 , ,和不共线避免的情况 。因此,它仍然是确定的符号模式获得质心坐标的质心坐标。此外,注意 。因此,鉴于 , ,和 ,确定问题的重心坐标的符号是等同于解决以下方程: 在哪里 , ,和取1或−1的值。可用的信息来确定信号模式应限于AE源之间的两两距离测量和传感器 , ,和 。
如图2,只有7可能签署模式( , ,和)的质心坐标(如模式(−−−1日1日1)不是一个可能的解决方案(15))。因此,飞机可分为7区:我(1,1,1),二(1−1−1),3(1 1−1),四(−1 1−1),V(−1, 1, 1),六世(−1−1 1),和七(1−1 1)。事实证明,有时信号模式可以唯一确定(15),但有时不能做到这一点。当符号模式不能解决(15),我们考虑在以下两种情况。
在第一种情况下,之一 , ,和等于零。也就是说,AE源位于线与三角形的三条边的一个由三个相邻传感器,根据(13)。不失一般性,说 。对于这种情况,我们可以采取 (没有普遍性)的损失。然后,其他两个迹象和可以根据以下标准确定。
在第二种情况下,之一 , ,和 ,说 ,满足 和 。对于这种情况,假设是一个锐角,符号模式( , ,和)可以按照下列标准决定的。
3所示。AE源位置的实验
在这个工作中,所有执行的实验是在6061铝合金板(铝合金)。铝合金板的尺寸是500 mm×500 mm×2毫米。实验装置图如图3。数据采样频率设置为2 MHz。三个光纤光栅是粘的预选点铝合金板,其坐标= 100毫米,200毫米;= 400毫米,200毫米;和= 250毫米,350毫米。规范化的铅笔芯断裂源(HSU)作为AE源。
根据节2。3,基于质心坐标定位方法需要AE源之间的距离测量 ,点 ,点 ,和点 。AE源位置几何图所示4。三个传感器之间的距离测量( , ,和)是已知的在实验之前,有三个未知的距离,dSA,d某人,dSC。
由于铝合金板的各向同性的特点,AE波以同样的速度向四面八方传播。如图4,AE波速测量实施点 。点放在行吗坐标是(200,200)。当有一个AE事件发生点 ,AE信号通过光纤光栅(和)如图5。光纤光栅信号的频率响应图所示6。众所周知,AE信号是宽带信号从50千赫到300千赫。的Morlet利用小波变换提取窄带信号与中央100 kHz的频率。如图7的模块值提取窄带信号获取和模块的第一高峰值用于计算时间差光纤光栅(和)。根据时差和距离测量之间的差异和 ,AE波速可以获得。为了减少测量误差,实验重复10次,结果如图所示8。基于上述方法,平均波速度是2454.1米/秒,估计误差小于0.25%。
阈值法是一种有效和简单的技术来获得到达时间。一开始,根据检测到的速度和AE波的到达时间点对点 , 是计算 。在图7,绝对的模块对应的值设置阈值。在接下来的实验中,当模块光纤光栅信号的值大于预先设定的阈值,这一刻是AE波的到达时间。根据这个过程,到达时间( , ,和)的AE波图4可以计算。
4所示。结果
影响是应用于板使用的钢球在随机选择的位置(400毫米,300毫米),如图4。海浪AE检测光纤光栅图所示9。复杂Morlet小波变换后,窄带信号如图10。根据窄带信号,AE信号的到达时间计算。基于计算的速度 ,AE源之间的距离测量 ,点 ,点 ,和点是 , , , , , ,分别。然后,重心坐标的绝对值 , ,和计算。根据(15),(16)和(17),标志模式( , ,和)可以推导出(1−1 1);因此,影响正确的位置找到第七区。欧几里得坐标AE源的计算。
在每一个区,两个位置都是随机选择的验证结果提出位置的方法。结果呈现在图的位置11和表1。结果表明,平均和最大位置对应于水平方向上的错误,分别是3.6和7毫米。的平均和最大位置对应于垂直方向的错误是3.9和7毫米,分别。同时,标准差被用来计算AE源位置错误使用提出的定位方法。 在哪里 的欧几里得协调预测AE源和 是欧几里得实际AE源的坐标。位置错误的基础上,提出位置方法显示在图12。结果表明,平均和最大位置错误5.4和9.2毫米,分别。
5。结论
在本文中,我们介绍了一个简单的可实现的基于AE波AE源定位方法通过光纤光栅传感器。边缘滤波器基于方法的光纤光栅审讯系统用于满足高速信号解调的需要。实现重心基于坐标定位方法,Morlet小波变换用于速度和到达时间计算。然后,AE源位置方法提出了基于质心坐标。最后,影响与随机选择的位置进行实验验证所提出的定位方法。这项研究提供了一种简便、高效的结构的安全监测方法。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究支持由中国国家自然科学基金(批准号。61503218,61773241,61773241,41472260),山东建筑大学的博士研究基金会(没有。XNBS1423)。