基于全信号取点率的结构健康监测

赵乃志 陈桂凤

1.辽宁科技学院 资源与土木工程学院，辽宁本溪 117004；2.扬州工业职业技术学院 建筑工程学院，江苏扬州 110168

一、引言

对于管道结构，超声导波时间反转检测法要比直接导波检测法获得更大的缺陷反射系数，时间反转法的时间聚焦效应使得这些分散于不同导波模态的监测能量均聚集在缺陷位置，使监测能量得到较大增加[1]。但是由于软件和仪器信息存储容量限制，如果对接收到的信号做全信号的分析，对数据的处理和仪器的运算都带来比较大的困难。

本文提出基于采点率的信号处理方法，既能反应整个信号的缺陷特征，又能有效减少运算量，同时又可以保证健康监测的精度。为确保选取的信号包含缺陷反射回波信息，分别采用不同取点率对这种方法进行验证。

二、系统原理

取点率定义为所选取得点数和全信号点数的比值，用v来表示。即每间隔几个点选一个点，这样既能反应整个信号的缺陷特征，又能有效减少运算量[2]。

根据时间反转导波监测的理论分析结果，每个存在的波源都会导致时间反转波场在源位置的聚焦，并且聚焦位置信号能量的大小，既与缺陷被动波源产生的激励能量大小相关，也与研究的时间反转波场中包含哪些导波模态，以及这些模态的幅值相关。[3]

实际监测过程中，缺陷的特征是不受人为控制的，因此，在缺陷位置发生的反射和模态转换现象也是不可控的。既然无法控制缺陷被动波源产生的激励能量大小，就只能通过选择不同的导波模态信息来改变时间反转波入射至缺陷的能量。应尽可能完整地获取缺陷波源产生的波形信息，用于时间反转激励信号的生成。[4]

三、试验系统

根据试验的目的我们建立了一套管道系统来验证信号不同的取点率对管道检测结果的影响。

实验系统如图1所示，由任意信号发生器、示波器、PZT压电陶瓷传感器（激发起和接收器）、试验用的管材，还有相应的导线组成。

管道结构的缺陷采用人工刻痕的方法，在管道外壁人工刻长度60mm的轴向裂纹，如图2所示。

信号发生器为RIGOL DG10×2系列双通道函数/任意波形发生器。该设备可输出5种基本波形和任意波形。任意波形的频率特性为1μHz到5MHz，完全满足本实验的要求。同时具有丰富的调制功能，输出各种调制波形：调幅、调频、调相、线性和对数扫描及脉冲串模式。如图3所示，本次试验中所采用的激励信号为10波峰脉冲信号，激励频率为75kHz。[5]

本次试验选取的激励信号为L(0, 2)模态信号，频率为70kHz，其波形图如图3所示。以长为60mm轴向裂纹缺陷为例，选取不同的取点率下的时间反转激励信号，在管道一段激励频率70kHz的五峰波激励信号。

四、试验结果与分析

选择管端部的24个节点同时加载，记录与各激励节点相邻的24个观测节点上的轴向位移时程曲线，将它们进行叠加得到直接导波监测方式的模拟监测结果，如图4所示。

从图4为L(0, 2)模态信号可以看出，激励L(0, 2)模态导波后，无论是直接监测信号，还是时间反转信号接收到的信号都含有丰富的信息，不仅含有入射波包、末端反射波包，而且还有表征裂纹的缺陷回波包。

本次试验采用时间反转方法，可以将更多的监测能量聚焦在缺陷位置，增强监测能力，应尽可能完整地获取缺陷波源产生的波形信息，用于时间反转激励信号的生成，导波模态会随着波的传播最终在缺陷位置发生聚焦。因此，采点率v的大小是决定时间反转导波激励信号的关键。

为确保选取的信号包含缺陷反射回波信息，针对整个全信号分别采用不同取点率进行分析。图5为全信号在不同取点率下生成的时间反转激励信号时，在接收端得到监测信号。不同取点率接收到的缺陷信号如图6所示。

从图5可以看出不同取点率得到的监测信号的缺陷反射信号以在同一管道的相同位置出现的相同缺陷形成的被动波场也是不同的，获得的波形信息量不同，因此在实际的监测过程中选择合适的取点率对于监测效果的好坏是十分重要的。

图6可以看出，经过时间反转聚焦以后，随着取点率的增加，回波信号所包含的导波模态信息也就越多，缺陷反射回波幅值与激励波包幅值的差距就越小。

图7为取点率与缺陷反射系数关系。从图7可以看出，当取点率为0.20时，缺陷反射系数为0.0950，比未采用时间反转方法时提高了近4.3倍。随着取点率的增加，所包含的导波模态信息越多，缺陷反射回波幅值与激励波包幅值的差距就越小。当取点率为0.50时，在另一端接收传感器接收到的回波信号波形信息几乎全被用于时间反转激励信号的生成，此时，缺陷反射系数高达0.8090，比之前几乎提高了10倍。

五、结论

对于管道结构时间反转检测法要比直接导波检测法获得更大的缺陷反射系数，且该反射系数随着取点率的增加而增大。随着取点率的增加，更多的转换模态信息被用于生成时间反转激励信号，时间反转法的时间聚焦效应使得这些分散于不同导波模态的监测能量均聚集在缺陷位置，使监测能量得到较大增加。所以在实际的监测过程中选择合适的取点率也可以得到比较好的检测效果。