《一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统及监测方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统及监测方法.pdf（14页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102520052 A (43)申请公布日 2012.06.27 CN 102520052 A *CN102520052A* (21)申请号 201110403483.6 (22)申请日 2011.12.07 G01N 27/61(2006.01) (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市白下区御道街 29 号 (72)发明人 左洪福 徐一鸣 陆晓华 陈志雄 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 张惠忠 (54) 发明名称 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线 监测系统及监测方法 (57) 摘要 本发明公。
2、开了一种基于静电感应的金属表面 接触损伤在线监测系统及监测方法， 该系统包括 由静电感应头、 屏蔽罩、 绝缘部件、 电荷放大电路 组成的静电传感器， 由计算机及信号处理程序、 信 号调理采集硬件组成的信号采集分析系统， 以及 传感器安装架组成的辅助部件， 传感器由静电感 应头、 屏蔽罩、 绝缘部件、 电荷放大电路组成。 利用 这套系统可以在线监测金属表面接触损伤， 判断 金属表面是否发生接触损伤， 以及判断损伤发生 的程度， 该监测系统和方法， 属于直接监测损伤表 面， 可以替代已经普遍使用的振动信号监测、 温度 监测等二次影响参数的监测系统和方法。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页。
3、 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页 1/2 页 2 1. 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统， 包括由静电感应头 （2） 、 屏 蔽罩 （8） 、 绝缘部件 （10） 、 电荷放大电路 （9） 组成的静电传感器， 由计算机及信号处理程序 （5） 、 信号调理采集硬件 （6） 组成的信号采集分析系统， 以及传感器安装架 （7） 组成的辅助 部件， 其特征在于 ： 所述传感器由静电感应头 (2)、 屏蔽罩 （8） 、 绝缘部件 （10） 、 电荷放大电路 （9） 等组成， 静电感应。
4、头 (2) 为圆盘形， 圆盘背面有金属杆将信号引出至电荷放大电路 （9） ， 屏蔽罩 （8） 为圆筒形， 一端封闭， 一端不封闭， 屏蔽罩 （8） 封闭的一端上引出电荷放大之后的静电信号， 信号屏蔽与屏蔽罩 （8） 接触等势， 屏蔽罩 （8） 不封闭的一端用于安装电荷放大电路 （9） 、 感 应头 (2) 和绝缘部件 （10） 。 2. 一种采用权利要求 1 所述的监测系统对金属表面接触损伤的在线监测方法， 采用静 电传感器对金属表面接触损伤进行探测， 其特征在于 : 步骤如下 ： a. 监测时依靠传感器安装架 （7） ， 将传感器感应头 (2) 靠近被监测面安装， 且两者之间 垂直距离 h 。
5、为 1 2mm ； b. 传感器感应头 (2) 采集被检测面的静电信号， 并对所得信号调理放大滤波处理 ； c. 将调理后的静电信号与与背景噪声引号进行对比， 接触损伤所对应静电信号幅值 u 为背景噪声信号的 2 3 倍以上， 即可判断为发生接触损伤。 3. 一种采用权利要求 1 所述的监测系统对金属表面接触损伤的在线监测方法， 采用静 电传感器对金属表面接触损伤进行探测， 其特征在于 : 步骤如下 ： a. 监测时依靠传感器安装架 （7） ， 将至少两个传感器等间距排列， 传感器感应头 (2) 靠 近被监测面安装， 且两者之间垂直距离 h 为 1 2mm ； b. 采集相邻两个传感器的静电信。
6、号， 并对所得信号调理放大滤波处理， 得到两个静电 信号幅值 和； c、 确定接触损伤部位与两个传感器的距离 ： 其中， 、为损伤与两个传感器之间的水平距离。 4. 一种采用权利要求 1 所述的检测系统对金属表面接触损伤的在线监测方法， 其特征 在于 ： 包括以下步骤 ： a. 监测时依靠传感器安装架 （7） ， 将传感器感应头 (2) 靠近被监测面安装， 且两者之间 垂直距离 h 为 1 2mm ； b. 传感器感应头 (2) 采集被检测面的静电信号， 并对所得信号调理放大滤波处理 ； c.对2分钟时间内的信号取得调和平均值V1、 四分位差V2、 峭度V3、 均值V4、 样本极差 V5、 歪。
7、度 V6 以及标准差 V7 七个统计指标， 利用因子分析方法对指标数据进行降维 ； d. 利用模式识别方法， 对降维后的数据进行识别分类， 实现对金属表面接触损伤的定 量监测。 5. 根据权利要求 4 所述的在线监测方法， 其特征在于 ： 所述的因子分析方法模型为 ： 权 利 要 求 书 CN 102520052 A 2 2/2 页 3 其中，为 m 个公共因子， 是变量所独有的特殊因子， 均为 不可观测到隐变量，为变量在公共因子上的得分， 反映了 公共因子对变量的重要程度。 6. 根据权利要求 4 所述的在线监测方法， 其特征在于 ： 所述的模式识别方法采用支持 向量机， 其决策函数输出表示。
8、为 ： 其中为 Lagrange 系数 ；为核函数， 核函数种类很多， 如多项式核函数 ： ，q为常数 ； b 为拟合常数， 将因子得分作为输入， 决策函数输出即 为损伤定量指标。 权 利 要 求 书 CN 102520052 A 3 1/5 页 4 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统及监 测方法 技术领域 0001 本发明的基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统及监测方法， 涉及金属 表面接触损伤的综合检测， 属于传感器测量仪器领域。 背景技术 0002 现有的对金属表面接触损伤进行检测或者监测的方法有数十种， 最常用的包括 ： 射线检测、 超声检测、 涡流检测、 声发射等几。
9、种。 0003 射线检测是利用各种射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收衰减程度 不同， 依据所得图像对被检件的质量、 尺寸、 特性进行评定， 不足之处在于对平面缺陷的检 测灵敏度较低， 检测成本高 ； 超声检测对确定缺陷大小、 位置等有综合优势， 设备轻便， 可做 现场检测 ； 磁粉检测是利用磁粉的聚集显示铁磁材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检 测方法， 可用于表面与近表面质量的检测， 其优点主要有 : 可以直观显示缺陷的形状、 位置 和大小， 并能大致确定缺陷的性质， 检测灵敏度高， 工艺简单， 检测速度快， 费用低廉 ； 涡流 检测是利用电磁感应原理， 通过测定被检试件内感生涡流的。
10、变化来发现缺陷的无损检测方 法， 对导电材料表面和近表面缺陷的灵敏度较高。 0004 以上诸多检测方法， 没有哪一种是万能的， 且能够实现在线监测的方法并不多。 利 用静电感应技术实现对金属表面的接触损伤进行在线监测， 属于直接测量故障部位和产 物， 能够实现实时监测部件表面状态， 将给维修计划带来宽裕的准备时间， 并从使预知维修 成为可能。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种使用简单， 性能可靠， 基于静电感应的金属表面接触 损伤在线监测系统及监测方法。利用这套系统可以在线监测金属表面接触损伤， 判断金属 表面是否发生接触损伤， 以及判断损伤发生的程度， 该监测系统和方法， 属于直。
11、接监测损伤 表面， 可以替代已经普遍使用的振动信号监测、 温度监测等二次影响参数的监测系统和方 法。 0006 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是 ： 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测系统， 包括由静电感应头、 屏蔽罩、 绝 缘部件、 电荷放大电路组成的静电传感器， 由计算机及信号处理程序、 信号调理采集硬件组 成的信号采集分析系统， 以及传感器安装架组成的辅助部件， 其特征在于 ： 所述传感器由静电感应头、 屏蔽罩、 绝缘部件、 电荷放大电路组成， 静电感应头为圆盘 形， 圆盘背面有金属杆将信号引出至电荷放大电路， 屏蔽罩为圆筒形， 一端封闭， 一端不封 闭， 屏蔽罩封闭。
12、的一端上引出电荷放大之后的静电信号， 信号屏蔽与屏蔽罩接触等势， 屏蔽 罩不封闭的一端用于安装电荷放大电路、 感应头和绝缘部件。 0007 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测方法， 适用于监测金属表面是否 说 明 书 CN 102520052 A 4 2/5 页 5 发生接触损伤， 包括以下步骤 ： a. 监测时依靠传感器安装架， 将传感器感应头靠近被监测面安装， 且两者之间垂直距 离 h 为 1 2mm ； b. 传感器感应头采集被检测面的静电信号， 并对所得信号调理放大滤波处理 ； c. 将调理后的静电信号与与背景噪声引号进行对比， 接触损伤所对应静电信号幅值 u 为背景噪声信号的。
13、 2 3 倍以上， 即可判断为发生接触损伤。 0008 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测方法， 包含多个传感器， 适用于 对金属表面损伤位置进行定位， 包括以下步骤 ： a. 监测时依靠传感器安装架， 将至少两个传感器等间距排列， 传感器感应头靠近被监 测面安装， 且两者之间垂直距离 h 为 1 2mm ； b. 采集相邻两个传感器的静电信号， 并对所得信号调理放大滤波处理， 得到两个静电 信号幅值 和； c、 确定接触损伤部位与两个传感器的距离 ： 其中， 、为损伤与两个传感器之间的水平距离。 0009 一种基于静电感应的金属表面接触损伤在线监测方法， 适用于对金属表面损伤程 度进。
14、行定量识别， 包括以下步骤 ： a. 监测时依靠传感器安装架， 将传感器感应头靠近被监测面安装， 且两者之间垂直距 离 h 为 1 2mm ； b. 传感器感应头采集被检测面的静电信号， 并对所得信号调理放大滤波处理 ； c.对2分钟时间内的信号取得调和平均值V1、 四分位差V2、 峭度V3、 均值V4、 样本极差 V5、 歪度 V6 以及标准差 V7 七个统计指标， 利用因子分析方法对指标数据进行降维 ； d. 利用模式识别方法， 对降维后的数据进行识别分类， 实现对金属表面接触损伤的定 量监测。 0010 所述的因子分析方法模型为 ： 其 中，变 量为 测 量 的 数 据 变 量 ；为 公。
15、 共 因 子 ； 为变量在公共因子上的得分 ； 是变量 所独有的特殊因子。 0011 所述的模式识别方法决策函数输出表示为 ： 说 明 书 CN 102520052 A 5 3/5 页 6 其中为 Lagrange 系数 ；为核函数， 核函数种类很多， 如多项式核函数 ： ，q为常数 ； b 为拟合常数。将因子得分作为输入， 决策函数输出即 为损伤定量指标。 0012 对于金属表面接触损伤生成静电的现象， 经过研究发现 ： a. 在金属表面因摩擦损 伤形成新生表面， 同时发射出的电子， 光子， 离子和中性粒子， 周围空气分子被电离， 静电因 此而产生。 b.金属表面擦伤和白层的形成， 都会使得。
16、金属表面产生静电。 因此， 当金属表面 接触损伤发生时， 靠近损伤部位的传感器感应头可以感应到损伤对应的静电信号， 通过对 比损伤对应的静电信号和背景噪音信号， 可以判别金属表面是否发生接触损伤。 此外， 利用 多个传感器和相应的软件算法， 可以实现对接触损伤部位的定位 ； 还可以对不同程度表面 接触损伤的静电信号进行特征提取， 对单位时间内的信号取得七个统计指标后利用因子分 析方法降维， 降维之后的数据利用模式识别的方法进行分类， 可以实现对金属表面接触损 伤的定量监测。 0013 本发明可以用于对金属表面接触损伤进行在线监测， 损伤识别精度为 1 毫米级， 损伤定位精度为 0.5 毫米， 。
17、系统硬件结构紧凑， 能够承受一般高低温、 振动较大、 有一定电 磁干扰的工作环境。 本发明主要用于有滚动接触现象存在的机械设备的金属表面接触损伤 监测， 在机械设备接触表面出现毫米级损伤的时候就实现诊断和预防， 分析损伤位置和程 度， 防止损伤进一步增大影响机构安全性。 附图说明 0014 图 1 为金属表面接触损伤在线监测系统的配置图。 0015 图 2 为传感器的结构示意图。 0016 图 3 为传感器安装位置示意图一。 0017 图 4 为传感器安装位置示意图二。 0018 图 5 为传感器安装位置示意图三。 0019 图 6 为传感器安装位置示意图四。 0020 图 7 为传感器安装位。
18、置示意图五。 0021 图 8 为传感器安装位置示意图六。 0022 图 9 为金属表面接触损伤定位的原理图。 0023 图 10 为金属表面接触损伤在线监测的原理图。 0024 图中标号名称 ： 1、 静电传感器， 2、 传感器感应头， 3、 金属接触对之一， 4、 金属接触 对之二， 5、 计算机及信号处理程序， 6、 信号调理采集硬件， 7、 传感器安装架， 8、 屏蔽罩， 9、 电 荷放大电路， 10、 绝缘部件。 具体实施方式 0025 结合附图对系统的具体实施介绍如下 ： 1系统的组成如图 1 所示， 由静电传感器 （包括 ： 静电感应头 2、 屏蔽罩 8、 绝缘部件 10、 电荷。
19、放大电路 9） ， 信号采集分析系统 （包括 ： 计算机及信号处理程序 5、 信号调理采集硬 件 6） ， 以及传感器安装架 7 等辅助部件组成， 其中采集硬件中的信号采集卡采用 NI 公司 说 明 书 CN 102520052 A 6 4/5 页 7 WLS9234 数字采集卡， 计算机采用基于 windows 平台的通用 PC。 0026 传感器是系统的核心器件， 传感器的结构如图2由静电感应头2、 屏蔽罩8、 绝缘部 件 10、 电荷放大电路 9 组成。 0027 传感器的安装方式以静电感应头尽量靠近被监测面为原则， 静电感应头的安装方 式如图 3、 4、 5、 6、 7 以及 8 （但。
20、不局限于所列几种） ， 有多种方式安装位置， 传感器可以垂直于 监测面、 平行于监测面， 也可以同时采取多个传感器监测。 0028 2监测金属表面是否发生接触损伤的原理如下 ： 当接触损伤发生时， 可以从时域信号中可以看出与接触对运动周期相对应的静电周期 信号， 且损伤部位信号相对背景噪音信号幅值高出几十倍以上。但由于静电信号中含有大 量非平稳信号， 故在此采用时域参数进行分析， 或者采用短时傅立叶变换 （STFT） 方法分析 静电信号。 0029 3. 监测金属表面发生接触损伤位置的方法和原理如下 ： 参照如图 3、 4、 5、 6、 7 以及 8， 采用多个 （2 个或者更多） 相同的静电。
21、传感器， 沿 x 方向等 间距安装， 其他试验条件不变。 按照静电感应模型， 当损伤引起的静电荷经过多个传感器附 近时， 传感器输出电压信号的波形相位相同， 波形类似。 0030 3.1 x方向的损伤定位方法 若相邻两个传感器 （#2 和 #3） 之间有表面损伤引起的静电荷经过， 设静电荷距离两个 传感器在x方向的距离分别为d1、d2， 则根据两个传感器测得的电压关系， 可以对表面损伤 在x方向进行定位。 0031 由可得在静电荷沿y方向经过传感器感应面附近时， 测量信号输出电压极大值 为 ： 故 #2 和 #3 两个传感器输出的电压极大值与d1、d2的关系为 ： 3.2 y方向的损伤定位方法。
22、 任何一个传感器一个周期中静电极值的相位对应板件损伤在平行于运动方向上的位 置 （简称为 y 方向的位置） 。其中静电信号的尖峰对应于损伤中心位置， 结合摩擦磨损试验 台的位移传感器， 即可对表面损伤进行 y 方向定位， 且对于相邻的损伤也有很高的分辨率。 0032 4. 关于表面接触损伤程度的识别 4.1 选取指标及降维 对监测中不同损伤的典型静电感应信号， 采用调和平均值 V1、 四分位差 V2、 峭 度 V3、均 值 V4、样 本 极 差 V5、歪 度 V6、标 准 差 V7 这 7 个 统 计 指 标，其 中， ；，其 中 Q1的 位 置 =(n+1)/4， Q3的 位 置 =3(n+。
23、1)/4 ； 说 明 书 CN 102520052 A 7 5/5 页 8 ； ； N 为采样长度， 为标准差。 0033 指标数据之间存在大量的相关和冗余， 故在此采用因子分析方法降维， 将 7 类指 标以较少的公因子来表示， 达到压缩数据的作用。 0034 所述的因子分析方法模型为 ： 其 中，变 量为 测 量 的 数 据 变 量 ；为 公 共 因 子 ； 为变量在公共因子上的得分 ； 是变量 所独有的特殊因子。 0035 因子分析过程就是从原始数据中找到少数几个能够表达原始数据大部分信息的 公因子， 并利用这些公因子来代替原始数据的信息。 0036 4.2 接触损伤定量监测 接触损伤的监。
24、测识别方法决策函数输出表示为 ： 其中为 Lagrange 系数 ；为核函数， 核函数种类很多， 如多项式核函数 ： ，q为常数 ； b 为拟合常数。将因子得分作为输入， 决策函数输出即 为损伤定量指标。 说 明 书 CN 102520052 A 8 1/6 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 9 2/6 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 10 3/6 页 11 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 11 4/6 页 12 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 12 5/6 页 13 图 9 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 13 6/6 页 14 图 10 说 明 书 附 图 CN 102520052 A 14 。