[发明专利]基于庞加莱截面突变特性的超声导波缺陷检测方法

权利要求书

1.基于庞加莱截面突变特性的超声导波缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：搭建管道超声导波实验装置；

S2：测试不同损伤程度管道获取超声导波检测信号，并截取回波信号作为待检信号；

S3：基于杜芬方程的分岔特性确定非线性系统的临界状态，并将该状态设定为导波信号的检测系统，将步骤S2中截取的待检信号输入到检测系统；

S4：绘制检测系统的庞加莱截面，通过庞加莱截面的突变特性识别待检信号中是否含有缺陷回波；

S5：如果庞加莱截面没有发生突变，则管道无缺陷；

S6：如果庞加莱截面发生突变，则管道存在缺陷；

S7：构造胞空间，计算庞加莱截面上的点所占据的胞元数定义为损伤指标，并标定出损伤指标与损伤程度之间的关系，对管道缺陷大小进行评估；

步骤S3中所述基于杜芬方程的分岔特性确定非线性系统的临界状态，并将该状态设定为导波信号的检测系统具体如下：

a)选取杜芬方程，如下式：

其中，k为阻尼系统，Fcosωt为策动力项，F为策动力幅值，ω为策动力圆频率；

b)基于杜芬方程分岔特性，设置非线性检测系统参数：

选择杜芬方程由周期态向混沌态转变的临界态为检测系统，利用检测系统对超声导波信号敏感性，同时对噪声信号有免疫性，识别缺陷回波，检测系统参数设定方法如下：

(1)ω设定与超声导波检测信号一致，同时兼顾非线性微分方程的求解步长，对ω进行量纲变化，设置ω的量纲为rad/μs；

(2)当ω确定后，检测系统运动状态由k，F共同决定，为了减小计算量，在小范围内寻找到系统关于F的混沌阈值，k的取值不宜过大，取k＝0.4；

(3)确定ω和k之后，F就成为控制系统状态的重要参数，设定F的取值范围为F∈(0，1)，增量步长为0.00005，计算时长为800个外激励周期，画出检测系统随F的位移分岔图，选取检测系统由周期态向混沌态过渡的临界状态时F的值作为检测系统参数；此时系统参数为ω＝0.439823，k＝0.4，F＝0.55655；

(4)将步骤S2中截取的待检信号输入到检测系统中，将式(1)改进如下：

其中，s(t)为待检测信号；

(5)采用四阶龙格-库塔方法求解式(2)，时间步长设为2×10^-7，初值设为(0,0)，并绘制系统的庞加莱截面图；

所述超声导波检测信号的中心频率为70kHz；

缺陷信号检测采用了杜芬系统的庞加莱截面作为损伤指标，具有计算速度快、观察直观的特点；所述庞加莱截面具有噪声免疫能力，在超声导波识别中，对于噪声影响具有较大的容错能力；

步骤(3)中所述检测系统由周期态向混沌态过渡的临界状态有多个，选择由周期一向混沌态转变时的临界状态作为检测系统，并以该状态时的F取值作为检测系统参数；

步骤S4中所述通过庞加莱截面的突变特性识别待检信号，当待检信号中存在缺陷回波时，庞加莱截面发生突变，如果只有噪声信号，庞加莱截面不发生改变；

步骤S7中，所述构造胞空间为构造200*150胞空间，以庞加莱截面上的点占据的胞元数定义为损伤指标，通过标定可实现管道缺陷大小评估。

2.管道超声导波实验装置，应用于权利要求1所述的基于庞加莱截面突变特性的超声导波缺陷检测方法，其特征在于：包括任意信号发生器、低频功率放大器、示波器、管道试样、激发传感器、接收传感器、PC机以及支座，支座将管道试样悬空架起，管道试样两端自由，所述管道试样一端截面上粘有压电环作为激发传感器使用，在管道试样上靠近激发传感器的位置，16片均布管道试样一周的压电片并联作为接收传感器使用，激励信号由任意信号发生器产生，激励信号表达式为：

其中，A表示幅值，fc表示中心频率；

由信号发生器产生的信号分两路，一路在示波器上进行显示作为参照，另一路经低频放大器放大后传到激发传感器，在管道试样中产生特定频率的超声导波信号，超声导波信号在传播过程中遇到缺陷或端面将会发生反射，回波信号由接收传感器接收，接收到的信号在示波器上进行显示和存储，然后传送至PC机上。

3.根据权利要求2所述的管道超声导波实验装置，其特征在于：所述管道试样为5m长的无缝钢管，其外径为88mm，厚4mm。

4.根据权利要求2所述的管道超声导波实验装置，其特征在于：所述激发传感器采用PZT5材料。