[發明專利]基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法

有效

• 申請號: 201710587946.6
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107356678B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 林莉;何曉晨;金士杰;丁珊珊;羅忠兵
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

1.一種基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其特征是：采用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭及數字示波器構成的超聲信號采集系統，使用RQA方法分析采集得到的超聲背散射信號，經計算建立RQA量化指標遞歸度與孔隙率P二者之間的相關關系，即RR＝aP^-1，實現CFRP孔隙率的表征，具體的計算步驟如下：

(1)超聲背散射信號的采集

借助超聲C掃描系統，采用超聲反射法對CFRP層板進行掃查，根據所得掃描圖像選取顏色較為均勻的區域為待研究區域，然后，使用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭及數字示波器構成的超聲信號采集系統對超聲背散射信號進行采集，該超聲背散射信號作為待研究的時間序列；

(2)相空間重構

相空間重構是通過分析系統某一分量的時間序列數據來提取和恢復系統原來的規律；對于一個包含N點的超聲背散射信號{x_i}(i＝1，2，...，N)，應用Takens延遲嵌入定理重構后得到的相空間如式(1)所示：

式中，X_i為第i個相點，表示m維相空間中的一個狀態；m是嵌入維數，τ是延遲時間，重構后的相空間矢量數M＝N-(m-1)；最佳m的選取采用虛假近鄰法、預測誤差最小法以及改進的飽和關聯維數法(G-P算法)，最佳τ的選取采用線性自相關函數法、平均互信息法以及平均位移法；

(3)遞歸圖的建立

通過上述相空間重構得到向量X_i，每一個X_i是m維相空間中的一個點，代表系統在時刻i的狀態；計算上述相空間中任意兩點之間的距離，并設定參考閾值，得到遞歸矩陣R_ij(i，j＝1，2，...，M)，如式(2)所示：

R_ij＝Θ(ε-||X_i-X_j||) (2)

式中，ε為預設的參考閾值，一般取時間序列標準偏差的12-18％；|| ||表示范數；

Θ(x)為Heavside函數，即

將遞歸矩陣R_ij圖像化得到RP圖，圖像化的規則為：當R_ij＝1時，表示對應RP圖(i,j)位置上的一個黑點；當R_ij＝0時，表示對應RP圖(i,j)位置上的一個白點，RP圖就是通過黑點和白點描繪圖形以此反映待研究的時間序列特性；

(4)遞歸定量分析

遞歸定量分析方法中使用特征量對由黑點和白點構成的RP圖包含的黑點進行定量分析；該方法使用的量化指標包括遞歸度RR、確定性(Determinism，DET)、熵(Entropy，ENTR)，其中遞歸度RR指遞歸點(即黑點)占總點數的比值，數學表達式如式(4)所示：

(5)CFRP孔隙率獲取

從CFRP層板上將待研究區域切割下來，將切割好的待研究區域進行鑲嵌，鑲嵌時保證其上表面垂直于纖維束鋪設面，然后將待研究區域逐層磨削并拍攝每層的金相照片，獲得其連續切片照片；使用圖像處理軟件IPP統計每層金相照片的孔隙率，取所有孔隙率的平均值作為待研究區域的孔隙率；

(6)CFRP孔隙率與遞歸度之間相關關系的建立

建立上述步驟(4)中計算得到的遞歸度RR與步驟(5)中統計的孔隙率P二者之間的相關關系，即RR＝aP^-1，基于此，實現CFRP孔隙率的表征。