本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于代數(shù)迭代重建算法(ART)的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)綜合運用了傳感器技術(shù)、信號處理和分析技術(shù)等，對結(jié)構(gòu)的實際情況進行實時監(jiān)測，為大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和耐久性提供了重要參考?；谔m姆波的無損檢測因其經(jīng)濟性有著廣泛的應(yīng)用，而且越來越多的被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。代數(shù)迭代重建算法(ART)在醫(yī)學計算機斷層掃描(CT)中已有廣泛的應(yīng)用，本專利把其引用于含孔鋁合金板的腐蝕損傷成像中。當鋁合金板存在腐蝕損傷時，獲取所需的波形，并運用適當?shù)財?shù)據(jù)處理分析方法對其進行處理分析，從而提取損傷特征，并通過代數(shù)重建法(Algebraic Reconstruction Techniques,ART)得到損傷的位置信息，實現(xiàn)了基于CT原理的鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷監(jiān)測研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(1)目的

本專利針對航空鋁合金腐蝕損傷難以實時有效監(jiān)測的問題，提出了一種基于代數(shù)迭代重建算法的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測方法，即基于斷層掃描的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測方法。本專利利用壓電傳感器陣列進行信號激勵與采集，并利用先進的信號處理方法和信號分析方法提取損傷特征量。

(2)技術(shù)方案

本發(fā)明針對鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的監(jiān)測，主要通過代數(shù)迭代重建算法實現(xiàn)對鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的實時監(jiān)測。

本發(fā)明一種基于代數(shù)迭代重建算法的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測方法，具體包括如下步驟來實現(xiàn)：

步驟一：

本專利選用材料鋁合金，牌號為Al-2024-T3，美國Steminc公司的壓電傳感器，并采用正方形陣列布局；其中，在每邊布置了四個壓電傳感器，16個壓電傳感器共組成了96條路徑，如圖2所示。本專利采用了一發(fā)一收的壓電傳感器收發(fā)方式；因為其激勵和接收壓電傳感器分布在測試區(qū)域的兩側(cè)，會有更少的邊界反射信號的干擾，所以一發(fā)一收布局會對遠距離損傷更為敏感；

步驟二：

本發(fā)明采用了50kHz的中心頻率的正弦波激勵信號，接收到的蘭姆波即Lamb波是一種多種模式同時存在的頻散波，在本發(fā)明中分析的為反對稱波；

步驟三：

針對壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)布局和選取的信號特征量，運用基于代數(shù)重建迭代(ART)的斷層掃描算法；基于代數(shù)重建迭代(ART)的斷層掃描算法原理是將板的待檢測區(qū)域均勻的劃分網(wǎng)絡(luò)；壓電傳感器采用一發(fā)一收的方法，每個壓電傳感器都分別作為發(fā)射和接收點；壓電傳感器發(fā)射的Lamb波從各個網(wǎng)格中經(jīng)過，根據(jù)各網(wǎng)格中的衰減系數(shù)值成像；當板材無缺陷時，各個網(wǎng)格中的衰減系數(shù)基本相同，當存在缺陷時，缺陷處網(wǎng)格中的衰減系數(shù)不同于無缺陷處的衰減系數(shù)，基于以上原理，對損傷進行成像；

對于代數(shù)重建迭代算法即ART算法，需要根據(jù)腐蝕損傷監(jiān)測的特點，對迭代算法進行優(yōu)化，包括迭代次數(shù)的選擇，基于半收斂判斷的終止條件；

步驟四：

本發(fā)明采用氫氟酸溶液腐蝕鋁合金板來制造腐蝕損傷，當腐蝕損傷在Lamb波傳播的路徑上時，信號直達波的相位發(fā)生了改變；

本發(fā)明通過分析Lamb波的信號相位變化進行損傷定位成像；Lamb波的幅值為5V，放大倍數(shù)為10，ART算法迭代次數(shù)選為10；

步驟五：

為了使得成像結(jié)果更為平滑，試驗采用了均值濾波處理，對于每個待處理的當前網(wǎng)格，都會選擇一個模板，該模板為其鄰近的若干個網(wǎng)格所組成，用模板的均值來替代原像素的值，其公式為

式中，M為該網(wǎng)格與其周圍的網(wǎng)格總數(shù)，f(x,y)為在第x行第y列的像素值，s為所有的網(wǎng)格，g(x,y)為求得的最終像素值。

試驗成像損傷定位結(jié)果與實際損傷位置相一致，試驗結(jié)果證明本損傷定位方法能準確的定位出兩個損傷。

其中，步驟一中所述的“美國Steminc公司的壓電傳感器”，它是指SMD07T05R412WL壓電陶瓷圓盤，其具體參數(shù)如表1所示。

表1

其中，步驟二中所述的“激勵信號”，它是指針對激勵信號的選取，壓電傳感器的激勵信號由任意信號發(fā)生器產(chǎn)生，信號可由下面的表達式描述：

式中，f_c為信號的中心頻率，N為信號的波峰數(shù)，A為信號的幅度，H(t)為Heaviside階梯函數(shù)。

其中，步驟三中所述的“ART算法”是指代數(shù)重建迭代算法，

整個成像方法即為解一個如下公式所示的靜不定方程，

Ax＝b

式中，A表示需要檢測區(qū)域的真實形態(tài)，x為檢測成像結(jié)果，b為A的投影；

設(shè)b_i是第i條射線經(jīng)過被測區(qū)域的衰減值，則有公式：

式中，X(s)為衰減系數(shù)；設(shè)X(s)在第j個網(wǎng)格上為常數(shù)，L_ij為第i條射線在第j個網(wǎng)格中的實際長度；

Lamb波的傳播路徑實際就是每個網(wǎng)格中各條射線實際走的長度L_ij；該L_ij求解的具體思路：

(1)以網(wǎng)格左上角為原點，建立坐標軸，各網(wǎng)格點坐標和壓電傳感器坐標已知，壓電傳感器數(shù)為m；

(2)根據(jù)發(fā)射和接收壓電傳感器的坐標建立該射線的直線方程，求出直線與各個網(wǎng)格的交點；

(3)求解后一點與前一個點的距離，即可得L_ij；

則有公式：

b_i＝Σ_jL_ijx_j

式中，L_ij組成的矩陣成為A矩陣；最終求解的方程：

式中m為射線的條數(shù)，n為網(wǎng)格的數(shù)量；代數(shù)重建迭代算法采用ART代數(shù)重建迭代算法求解以上方程，基本思想是先給出一個初始估計值(i＝1,2,…,m)，然后根據(jù)求出一次近似投影值再根據(jù)求得二次投影值如此繼續(xù)，直到滿足預設(shè)條件后停止，公式如下：

x^k,0＝x^k,

x^k+1＝x^k,m

式中，λ_k為松弛系數(shù)，其作用為控制變量每次迭代的變化的，主要影響迭代的收斂速度；λ_k一般取值在0和1之間，其值越小代表兩次迭代變化越小，這樣計算穩(wěn)定，但是計算速度慢；圖4表示了在松弛系數(shù)λ_k＝1時的x的一次迭代；

通過以上步驟，針對鋁合金板結(jié)構(gòu)，通過多個壓電傳感器的布局優(yōu)化及信號監(jiān)測，采集不同壓電傳感器并通過信號處理提取特征參數(shù)，能定量表征出鋁合金構(gòu)件的腐蝕損傷程度，解決了能對鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷的實時監(jiān)測的功能。

(3)本發(fā)明的優(yōu)點

本發(fā)明提供了一種代數(shù)迭代重建算法的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的監(jiān)測方法。本方法通過選擇實驗材料，選擇壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)布局，選取激勵信號，最終開展試驗后通過代數(shù)迭代重建算法來進行成像，以此來對腐蝕損傷進行監(jiān)測，對腐蝕區(qū)域進行定位和定量，定量結(jié)果較為準確，腐蝕損傷面積相對誤差不超過20％。并通過與實驗原始圖像對比證實了此方法的有效性。本專利具有準確性高，分析速度快等特點。本專利將斷層掃描的算法用到航空鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測為本專利的創(chuàng)新點。

附圖說明

圖1(a)：壓電傳感器左視圖示意圖。

圖1(b)：壓電傳感器主視圖示意圖。

圖2：壓電傳感器信號路徑圖。

圖3：監(jiān)測方法圖。

圖4：ART算法示意圖。

圖5：基于氫氟酸溶液的腐蝕健康信號與損傷信號。

圖6：壓電傳感器布局圖。

圖7：本發(fā)明所述方法流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明一種基于代數(shù)迭代重建算法的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測方法，見圖7所示，其具體實施步驟如下：

步驟一：

本專利選用材料Al-2024-T3，其密度，楊氏模量和泊松比分別為2.78g/cm3，73.1GPa，0.33。其尺寸設(shè)計為500mm*500mm*2mm。

本專利選用美國Steminc公司的壓電傳感器。壓電傳感器的尺寸和外觀如圖1、2所示。

本專利根據(jù)待測的鋁合金材料和壓電傳感器的幾何特征，從線性陣列、矩形陣列、圓形陣列和平行陣列中選擇矩形陣列。圖4為壓電傳感器的正方形陣列布局。其中，在每邊布置了四個壓電傳感器，16個壓電傳感器共組成了96條路徑。

步驟二：

對于壓電傳感器的收發(fā)方式，目前可被分為兩類：脈沖-回聲(pulse-echo)布局和一發(fā)一收(pitch-catch)布局。對于脈沖-回聲布局，激勵壓電傳感器和接收壓電傳感器必須要在測試區(qū)域的同側(cè)。因為邊界反射信號的疊加的干擾，所以這種布局不適用于遠距離檢測損傷。而對于一發(fā)一收布局，因為其激勵和接收壓電傳感器分布在測試區(qū)域的兩側(cè)，會有更少的邊界反射信號的干擾，所以一發(fā)一收布局會對遠距離損傷更為敏感。本專利采用一發(fā)一收的方式。

接收到的Lamb波是一種多種模式同時存在的頻散波。本專利分析的為反對稱波(A0)。

步驟三：

針對壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)布局和選取的信號特征量，運用基于代數(shù)重建迭代(ART)的斷層掃描算法。

基于代數(shù)重建迭代算法(ART)的斷層掃描算法原理是將板的待檢測區(qū)域均勻的劃分網(wǎng)絡(luò)，如圖3中的網(wǎng)格。壓電傳感器采用一發(fā)一收，每個壓電傳感器都分別作為發(fā)射和接收點。壓電傳感器發(fā)射的Lamb波從各個網(wǎng)格中經(jīng)過，根據(jù)各網(wǎng)格中的衰減系數(shù)值成像。當板材無缺陷時，各個網(wǎng)格中的衰減系數(shù)基本相同，當存在缺陷時，缺陷處網(wǎng)格中的衰減系數(shù)不同于無缺陷處的衰減系數(shù)，基于以上原理，對損傷進行成像。

對于ART算法，需要根據(jù)腐蝕損傷監(jiān)測的特點，對迭代算法進行優(yōu)化，包括迭代次數(shù)的選擇，基于半收斂判斷的終止條件。

步驟四：

本專利采用氫氟酸溶液腐蝕鋁合金板來制造腐蝕損傷。圖5給出了兩組典型的氫氟酸腐蝕損傷對Lamb波傳播信號影響的測試結(jié)果。從圖5中健康和損傷信號的對比可以看出，當腐蝕損傷在Lamb波傳播的路徑上時，信號直達波的相位發(fā)生了改變。

試驗的壓電傳感器布局如圖6所示，為正方形布局，共16個壓電傳感器。試樣和壓電傳感器與本研究擬采用的材料一致。本專利通過分析Lamb波的信號相位變化進行損傷定位成像。Lamb為五周期的正弦調(diào)制波，中心頻率分別為100kHz，幅值為5V，放大倍數(shù)為10，ART算法迭代次數(shù)選為10。

步驟五：

為了使得成像結(jié)果更為平滑，試驗采用了均值濾波處理，對于每個待處理的當前網(wǎng)格，都會選擇一個模板，該模板為其鄰近的若干個網(wǎng)格所組成，用模板的均值來替代原像素的值。其公式為

式中，M為該網(wǎng)格與其周圍的網(wǎng)格總數(shù)，f(x,y)為在第x行第y列的像素值，s為所有的網(wǎng)格，g(x,y)為求得的最終像素值。

試驗時把損傷置于所測區(qū)域的右下方。試驗成像損傷定位結(jié)果與實際損傷位置相一致。

對于兩個損傷，試驗結(jié)果證明本損傷定位方法能準確的定位出兩個損傷。

通過實驗室分析結(jié)果，驗證了所提出的基于斷層掃描的鋁合金監(jiān)測方法的有效性。

基于斷層掃描的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測的應(yīng)用驗證是針對鋁合金板結(jié)構(gòu)，通過多個壓電傳感器的布局優(yōu)化及信號監(jiān)測，采集不同壓電傳感器并通過信號處理提取特征參數(shù)，定量表征出鋁合金構(gòu)件的腐蝕損傷程度，結(jié)合本專利腐蝕損傷的分析結(jié)果，驗證所提出方法的有效性和適用性。

其中，步驟一中所述的“美國Steminc公司的壓電傳感器”，它是指SMD07T05R412WL壓電陶瓷圓盤，其具體參數(shù)如表1所示。

表2

其中，步驟二中所述的“激勵信號”，它是指針對激勵信號的選取，壓電傳感器的激勵信號由任意信號發(fā)生器產(chǎn)生，信號可由下面的表達式描述：

式中，f_c為信號的中心頻率，N為信號的波峰數(shù)，A為信號的幅度，H(t)為Heaviside階梯函數(shù)。

其中，步驟三中所述的“ART算法”是指代數(shù)重建迭代算法，

整個成像方法即為解一個如下公式所示的靜不定方程，

Ax＝b

式中，A表示需要檢測區(qū)域的真實形態(tài)，x為檢測成像結(jié)果，b為A的投影。

設(shè)b_i是第i條射線經(jīng)過被測區(qū)域的衰減值，則有公式：

式中，X(s)為衰減系數(shù)。設(shè)X(s)在第j個網(wǎng)格上為常數(shù)，L_ij為第i條射線在第j個網(wǎng)格中的實際長度。

Lamb波的傳播路徑實際就是每個網(wǎng)格中各條射線實際走的長度L_ij。求解的具體思路：

(1)以網(wǎng)格左上角為原點，建立坐標軸，各網(wǎng)格點坐標和壓電傳感器坐標已知，壓電傳感器數(shù)為m。

(2)根據(jù)發(fā)射和接收壓電傳感器的坐標建立該射線的直線方程，求出直線與各個網(wǎng)格的交點。

(3)求解后一點與前一個點的距離，即可得L_ij。

則有公式：

b_i＝Σ_jL_ijx_j

式中，L_ij組成的矩陣成為A矩陣。最終求解的方程：

式中m為射線的條數(shù)，n為網(wǎng)格的數(shù)量。

采用ART代數(shù)重建法求解以上方程，基本思想是先給出一個初始估計值(i＝1,2,…,m)，然后根據(jù)求出一次近似投影值再根據(jù)求得二次投影值如此繼續(xù)，直到滿足預設(shè)條件后停止。公式如下：

x^k,0＝x^k,

x^k+1＝x^k,m

式中，λ_k為松弛系數(shù)，其作用為控制變量每次迭代的變化的，主要影響迭代的收斂速度。λ_k一般取值在0和1之間，其值越小代表兩次迭代變化越小，這樣計算穩(wěn)定，但是計算速度慢。圖4表示了在松弛系數(shù)λ_k＝1時的x的一次迭代。

通過以上步驟，基于斷層掃描的鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷監(jiān)測的應(yīng)用驗證是針對鋁合金板結(jié)構(gòu)，通過多個壓電傳感器的布局優(yōu)化及信號監(jiān)測，采集不同壓電傳感器并通過信號處理提取特征參數(shù)，定量表征出鋁合金構(gòu)件的腐蝕損傷程度，結(jié)合本專利腐蝕損傷的分析結(jié)果，驗證所提出方法的有效性和適用性。