基于模态耦合点的缺陷检测方法、系统、设备及存储介质

1.本发明涉及缺陷检测领域，尤其是涉及一种在梁结构中基于模态耦合点的缺陷检测方法。


背景技术：

2.随着工业化发展和科技进步，损伤识别和检测在各行各业中的重要性越来越凸显，尤其是航空航天、土木建筑、设备仪器等需要高精度制造的行业，结构中一些微小的损伤就可能造成严重后果，因此，对微小缺陷的感知识别研究具有重要的现实意义。
3.基于有缺陷结构自身动力学特性的改变反馈出缺陷的信息是缺陷检测技术的主要原理，比如固有频率、振型、应变能等在缺陷的影响下产生响应来反馈缺陷信息，但此类方法一般精度较差，受振动等因素的影响。模态耦合点缺陷检测方法也是通过频率响应来感知识别缺陷，之前的模态耦合主要针对梁结构中的对称和反对称模态进行研究，而梁作为工程中常见结构，在不同工况下可以产生四种基本模态，反对称(anti-symmetric，a)、对称(symmetric，s)、水平剪切(shear-horizontal，sh)和扭转(torsional)。因此，基于现实需要，考虑多种模态的耦合，提升对微小缺陷的检测灵敏度是很有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高灵敏度的缺陷检测方法。通过在梁中对称施加具有反馈的外力，实现不同模态耦合点，其对缺陷具有高灵敏度响应，有效提高检测精度。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.作为本发明的第一方面，提供一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，包括：
7.在无缺陷梁中确定实现模态耦合点对应外力的大小；
8.对被测梁施加在无缺陷梁中确定的模态耦合点对应外力，并进行透射计算，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断存在缺陷，分裂程度反映缺陷的大小。
9.进一步的，所述确定实现模态耦合点对应外力的大小的具体步骤包括：
10.在无缺陷梁表面施加偶数对的对称布置的外力，同一对外力包括两个方向相反的外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致；
11.获取速度差，速度传感器位置为对应的外力施加位置；
12.取同一对外力速度的差作为外力的反馈；
13.不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并。
14.进一步的，所述外力的间距和中心位置在保持结构整体对称性的前提下进行调节，具体步骤包括：
15.通过计算梁的速度分布，得到速度的极大值点；
16.将外力施加位置大致在速度极大值点附近；
17.对外力施加位置在速度极大值点附近范围进行微调，得到实现模态耦合点的外力
尽量小的外力分布位置。
18.进一步的，对待检测的梁施加的所述模态耦合点对应外力通过压电贴片实现，具体步骤包括：
19.所述压电贴片位置和速度差同在无缺陷梁中确定的外力情况一致，不同方向的外力通过改变极化方向实现；
20.不断增加电压，直至两共振频率合并得到模态耦合点对应的电压。
21.进一步的，对所述待测梁进行透射计算获得频率响应的具体步骤包括：
22.在被测梁的一端施加弯曲波或纵波激励，在被测梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变；
23.若被测梁存在缺陷，则在缺陷的影响下频率响应出现分裂的两个共振峰。
24.作为本发明的第二方面，提供一种基于模态耦合点的缺陷检测系统，包括：
25.模态耦合点对应外力确定模块，用于在无缺陷梁中确定实现模态耦合点对应外力的大小；
26.位置调节模块，用于在保持结构整体对称性的前提下调节外力的间距和中心位置；
27.压电贴片，用于施加等效外力，并增加施加直至达到两共振频率合并得到模态耦合点；
28.缺陷检测模块，用于对被测梁施加模态耦合点对应外力，并进行透射计算，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断存在缺陷，分裂程度反映缺陷的大小。
29.进一步的，所述模态耦合点对应外力确定模块包括：
30.外力施加单元，用于在无缺陷梁表面施加偶数对的对称布置的外力，并不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并；同一对所述外力包括两个方向相反的外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致；
31.速度反馈单元，用于获取外力施加位置速度差，并且取同一对速度的差作为外力的反馈。
32.进一步的，所述缺陷检测模块包括
33.激励模块，用于在被测梁的一端施加弯曲波或纵波激励；
34.响应接收模块，用于在被测梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变；
35.判断模块，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断被测梁存在缺陷。
36.作为本发明的第三方面，提供一种缺陷检测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述设备还包括压电贴片，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述缺陷检测方法的步骤。
37.作为本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的缺陷检测方法的步骤。
38.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
39.1)本发明提供一种适应不同振动模态的梁的缺陷检测方法，通过改变外力的方向可以实现不同的模态耦合点，并对缺陷产生响应。
40.2)本发明提供一种高灵敏度的微小缺陷检测方法。模态耦合点的响应和缺陷成平
方根关系，相对于传统的线性响应更具优势。
41.3)本发明提供一种具有较高调谐性缺陷检测方法。通过对外力或压电片布置位置的调整，可以调节模态耦合点对应的外力或电压大小。在更高频率范围实现模态耦合点可以实现更好的检测效果。
42.4)本发明提供一种针对整体梁结构的缺陷检测方法，无需进行局部扫描来感知缺陷。
附图说明
43.图1为本发明基于模态耦合点的缺陷检测方法的流程示意图；
44.图2为具有对称布置外力的梁示意图；
45.图3为具有对称布置压电贴片的梁示意图；
46.图4为施加不同方向对称外力的梁示意图；
47.图5为施加不同方向对称外力得到的频带图；
48.图6为外力中心位置对增益损耗强度γ的影响示意图；
49.图7为外力间距对增益损耗强度γ的影响示意图；
50.图8为长方体缺陷长度改变的频率响应谱；
51.图9为缺陷长度改变对应的频率分裂大小示意图；
52.图10为不同方向压电反馈得到的频带图。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
54.实施例1
55.如图1所示，为本发明的其中一种方式，提供一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，对梁施加偶数对的对称的外力，在本实例中的对称的外力施加有两对，外力通过压电贴片提供。通过外力调控，使得梁中的两个本征频率发生简并，且对应的两种共振模态趋于一致，称为模态耦合点，在缺陷的影响下，耦合点退化，透射计算的频率响应谱出现频率分裂，反映出缺陷信息。具体包括以下步骤：
56.s1：在无缺陷梁中确定实现模态耦合点所需外力的大小。在梁表面施加两对对称布置的外力，其具有速度差作为反馈，同一对外力包括两个方向相反的外力，如图2所示，外力施加位置在标号的线段处，速度检测位置也在标号的线段处，1、2和3、4分别为两对外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致。获取速度差的速度传感器位置为对应的外力施加位置，并且取同一对速度的差作为力的反馈。不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并，标志着实现了模态耦合点。具有反馈的外力公式如下：
[0057][0058][0059]
[0060][0061]
其中，(i＝1,2,3,4)为检测到的速度，ni(i＝1,2,3,4)为外力，γ为增益损耗系数，实际可直接增加外力大小直至两共振频率简并得到模态耦合点对应的外力大小。
[0062]
s2：外力的间距和中心位置在保持结构整体对称性的前提下进行调节，实现模态耦合点的外力一般需要尽量小。通过计算梁的速度分布，得到速度的极大值点，外力施加位置大致在极大值点附近，可以在速度极值点附近范围进行微调，最终得到满足需求的外力分布位置。
[0063]
s3：所述外力通过压电贴片实现，其位置和速度差(作为输入电压的反馈)同无缺陷梁中确定的外力情况一致，不同方向的外力通过改变极化方向实现。具有反馈的输入电压公式如下：
[0064][0065][0066][0067][0068]
其中，vi(i＝1,2,3,4)为输入电压。不断增加电压，直至两共振频率合并得到模态耦合点对应的电压。
[0069]
s4：在具有缺陷的梁中，施加无缺陷梁中确定的模态耦合点对应的外力，可通过压电贴片施加s3中模态耦合点对应的电压。进行透射计算，在梁的一端施加弯曲波或纵波激励，在梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变。在缺陷的影响下频率响应出现分裂的两个共振峰。
[0070]
本实施例中，梁的长宽高分别为300mm，20mm和5mm。施加的具有反馈的外力取x，y和z三种方向，如图4所示，目的是将梁的四种基本模态进行耦合，包括对称、反对称、水平剪切和扭转模态。如图5所示，从左至右分别是x，y和z方向外力下得到的频带图，两个本征频率的简并点处模态也完全耦合，模态耦合点对应的外力大小可由得到的增益损失系数γ与速度差的乘积得到。
[0071]
优化外力大小。图6和图7分别为外力中心位置(xc)和间距(a)对模态耦合点对应的增益损耗系数γ的影响，显示出有较大的调谐空间，可以通过调节外力间距和位置来优化实现模态耦合点所需外力大小。本实施例中最终取外力中心位置为75mm，间距为60mm。
[0072]
之后在有缺陷梁中进行透射计算。图8-9中c
x
为缺陷的长，显示了有缺陷梁通过透射计算得到的频率响应，展现出频率分裂特性，分裂值与缺陷的尺寸参数成平方根关系，本实施例中，选定的缺陷为长方体形，在取到的缺陷参数范围内，频率分裂的值在100hz到101hz量级，达到可探测水平，此探测水平对应的缺陷宽度在波长的4％左右，在更高频率下构造模态耦合点能够达到更高的检测灵敏度。
[0073]
图10所示为压电反馈机制下实现的模态耦合点，压电贴片上表面输入电压，下表面接地，调整极化方向为x，y和z方向以实现拉压变形或剪切变形进而实现三种方向的等效外力，模态耦合点对应的电压可由增益损失系数γ与速度差的乘积得到。压电反馈得到的模态耦合点同样可以实现对微小缺陷的响应。
[0074]
本发明提供一种基于模态耦合点的缺陷检测方法。在梁结构中构造模态耦合点是
通过施加对称外力来实现等效的增益和损耗，在这种具有平衡的增益损耗且几何对称结构中，调节外力大小，一些本征频率简并，同时模态实现耦合，耦合点对微小扰动具有高灵敏度的感知能力，具体表现为在缺陷的影响下，耦合点发生退化，即原本简并的频率再次发生微小的分裂，分裂程度可以反映缺陷的大小。基于此原理，通过压电片提供外力在梁中构造模态耦合点，在梁一端施加激励，另一端接收响应，得到分裂的频率响应。由于响应与缺陷的平方根关系，使得对微小缺陷的检测更具优势。
[0075]
实施例2
[0076]
作为本发明的第二方面，提供一种基于模态耦合点的缺陷检测系统，包括：
[0077]
模态耦合点对应外力确定模块，用于在无缺陷梁中确定实现模态耦合点对应外力的大小，包括：
[0078]
外力施加单元，用于在无缺陷梁表面施加两对对称布置的外力，并不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并；同一对所述外力包括两个方向相反的外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致；
[0079]
速度反馈单元，用于获取外力施加位置速度差，并且取同一对速度的差作为外力的反馈。
[0080]
具有反馈的外力公式如下：
[0081][0082][0083][0084][0085]
其中，(i＝1,2,3,4)为检测到的速度，ni(i＝1,2,3,4)为外力，γ为增益损耗系数；实际可直接增加外力大小直至两共振频率简并得到模态耦合点对应的外力大小。
[0086]
位置调节模块，用于在保持结构整体对称性的前提下调节外力的间距和中心位置；
[0087]
计算梁的速度分布，得到速度的极大值点，外力施加位置大致在极大值点附近，可以在速度极大值点附近范围进行微调，最终得到使得模态耦合点对应外力最小的外力分布位置。
[0088]
压电贴片，用于施加等效外力，并增加施加电压直至达到两共振频率合并得到模态耦合点；
[0089]
缺陷检测模块，用于对被测梁施加模态耦合点对应外力，并进行透射计算，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断存在缺陷，分裂程度反映缺陷的大小，包括：
[0090]
激励单元，用于在被测梁的一端施加弯曲波或纵波激励；
[0091]
响应接收单元，用于在被测梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变；
[0092]
判断单元，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断被测梁存在缺陷。
[0093]
本发明所需设备简单，可直接对梁结构整体中存在的缺陷进行检测，压电片间距和中心位置做为可调谐参数，使得此方法可以适应不同结构和工况，高频下构造的模态耦合点可实现更高的检测灵敏度，且模态耦合点对微小缺陷的响应更为显著，对细微缺陷的
检测更具优势。
[0094]
实施例3
[0095]
作为本发明的第三方面，本技术还提供一种缺陷检测设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；压电贴片。当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述缺陷检测方法。除了所述的处理器、存储器以及接口之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
[0096]
实施例4
[0097]
作为本发明的第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述缺陷检测方法。所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(smart media card，smc)、sd卡、闪存卡(flash card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0098]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，其特征在于，包括：在无缺陷梁中确定实现模态耦合点对应外力的大小；对被测梁施加在无缺陷梁中确定的模态耦合点对应外力，并进行透射计算，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断存在缺陷，分裂程度反映缺陷的大小。2.根据权利要求1所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，其特征在于，所述确定实现模态耦合点对应外力的大小的具体步骤包括：在无缺陷梁表面施加偶数对的对称布置的外力，同一对外力包括两个方向相反的外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致；获取速度差，速度传感器位置为对应的外力施加位置；取同一对外力速度的差作为外力的反馈；不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并。3.根据权利要求1所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，其特征在于，所述外力的间距和中心位置在保持结构整体对称性的前提下进行调节，具体步骤包括：通过计算梁的速度分布，得到速度的极大值点；将外力施加位置大致在速度极大值点附近；对外力施加位置在速度极大值点附近范围进行微调，得到实现模态耦合点的外力尽量小的外力分布位置。4.根据权利要求2所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，其特征在于，对待检测的梁施加的所述模态耦合点对应外力通过压电贴片实现，具体步骤包括：所述压电贴片位置和速度差同在无缺陷梁中确定的外力情况一致，不同方向的外力通过改变极化方向实现；不断增加电压，直至两共振频率合并得到模态耦合点对应的电压。5.根据权利要求1所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测方法，其特征在于，对所述待测梁进行透射计算获得频率响应的具体步骤包括：在被测梁的一端施加弯曲波或纵波激励，在被测梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变；若被测梁存在缺陷，则在缺陷的影响下频率响应出现分裂的两个共振峰。6.一种基于模态耦合点的缺陷检测系统，其特征在于，包括：模态耦合点对应外力确定模块，用于在无缺陷梁中确定实现模态耦合点对应外力的大小；位置调节模块，用于在保持结构整体对称性的前提下调节外力的间距和中心位置；压电贴片，用于施加等效外力，并增加施加直至达到两共振频率合并得到模态耦合点；缺陷检测模块，用于对被测梁施加模态耦合点对应外力，并进行透射计算，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断存在缺陷，分裂程度反映缺陷的大小。7.根据权利要求6所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测系统，其特征在于，所述模态耦合点对应外力确定模块包括：外力施加单元，用于在无缺陷梁表面施加偶数对的对称布置的外力，并不断增加外力大小，直至梁的两个本征频率简并；同一对所述外力包括两个方向相反的外力，所检测的速度方向和外力施加方向一致；
速度反馈单元，用于获取外力施加位置速度差，并且取同一对速度的差作为外力的反馈。8.根据权利要求6所述的一种基于模态耦合点的缺陷检测系统，其特征在于，所述缺陷检测模块包括激励模块，用于在被测梁的一端施加弯曲波或纵波激励；响应接收模块，用于在被测梁的另一端接收应变响应，频率响应的振幅定义为∈＝log
10
(∫∈
xx
dx)，其中∈
xx
为接收端获得的应变；判断模块，若频率响应出现分裂的两个共振峰，则判断被测梁存在缺陷。9.一种缺陷检测设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述设备还包括压电贴片，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述缺陷检测方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的缺陷检测方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种基于模态耦合点的缺陷检测方法、系统、设备及存储介质，该方法包括：在无缺陷梁中确定模态耦合点对应的外力大小，在有缺陷梁中施加同样的外力并通过响应谱的频率分裂反映缺陷信息，外力通过梁上两对对称布置的压电贴片提供，并以压电贴片对应位置的速度差做为反馈。与现有技术相比，本发明所需设备简单，可直接对梁结构整体中存在的缺陷进行检测，压电片间距和中心位置做为可调谐参数，使得此方法可以适应不同结构和工况，高频下构造的模态耦合点可实现更高的检测灵敏度，且模态耦合点对微小缺陷的响应更为显著，对细微缺陷的检测更具优势。陷的检测更具优势。陷的检测更具优势。


技术研发人员：金亚斌 李文君 李岩
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/1