結構損傷診斷

由韓國先進科學技術研究院（KAIST）科研團隊開發的激光超聲掃描系統，主要包括以下幾個部分：提供超聲激勵信號的Nd：YAG固體激光器、用于超聲傳感的PSV全場掃描式激光多普勒測振儀和用于掃描的檢流計。通過掃描激勵激光或測量激光（或同時進行），可以在目標表面生成超聲波場圖像并進行處理，以識別和定位復合材料或金屬結構中的裂紋等缺陷。

激光掃描系統還可獲取目標結構上的撞擊定位所需的訓練數據集。系統采用非接觸式方法，無需在目標結構安裝傳感器，能夠創建具有高時空分辨率的超聲波場圖像，具有廣泛的應用前景。

圖1 由KAIST科研團隊開發的激光超聲掃描系統

激光超聲掃描系統的研發

圖1顯示的是由KAIST開發的激光超聲掃描系統。對結構上的特定點進行激勵，掃描目標區域得出超聲波場圖像（圖2a）。或者反過來，給對目標區域進行掃描式激勵，測量固定點得出超聲波場圖像（圖2b）。此外，掃描系統還可以與貼片式壓電換能器搭配使用（圖2c）。

圖2:三種不同的掃描方案:（a）定點式激勵和掃描式測量，（b）掃描式激勵和定點式測量，（c）貼片式PZT激勵和掃描式測量

非接觸式分層檢測

     如圖3所示，使用激光超聲掃描系統來檢測波音公司提供的多層復合材料板中的隱形分層。超聲波在傳輸過程中遇到內部分層時，會在分層處產生波的散射和繞射，如（圖4左）所示。KAIST采用駐波濾波器以突出分層效果，如（圖4右）所示。

圖3 波音公司提供的多層復合材料板

圖4 使用波場圖像檢測分層（左），進一步圖形處理后（右）

激光超聲掃描系統用于撞擊定位

     接下來，如圖5所示，激光掃描系統用于精確定位鋁制機身所受撞擊位置，該飛機機身由美國俄亥俄州代頓的空軍研究實驗室提供。彎曲的測試段上裝有兩個垂直板和三個水平加強筋，這增加了試樣的復雜性，在機身內表面裝有7個PZT傳感器。首先，開啟激勵后，使用PSV系統測量撞擊位置的響應，得出撞擊位置與PZT傳感器之間的脈沖響應函數（IRF）。然后，將各種潛在撞擊位置和PZT傳感器的測量數據組成訓練數據集IRFs。

a）PSV系統  b）前視圖  c）后視圖  d）側視圖

圖5 鋁制機身的撞擊定位測試

圖6 真實撞擊試驗中得出的撞擊定位結果

紅色：可能的撞擊位置；黑色：實際的撞擊位置

     一旦實際的撞擊事件發生，則記錄撞擊響應并與訓練數據IRFs相對比。最后，從訓練數據集中選擇相關性最大的訓練數據IRF，并確定撞擊位置。如圖6所示，盡管被測樣本很復雜，相關圖成功地定位了撞擊事件。

總結與展望

與傳統貼片式傳感器不同，新研制的激光超聲掃描系統可非接觸式遠距離進行測試，無需基線數據即可自動檢測損傷，進行損傷診斷。正是因為不依賴于先前的基線數據，系統可將因溫度和加載條件的變化而產生的錯誤警報降到最低。

鳴謝

    本研究由韓國國家研究基金會國家研究實驗室計劃(2010-0017456)和位于俄亥俄州代頓的美國空軍研究實驗室資助

    同時感謝波音公司