專利名稱：一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統及監測方法
技術領域：
本發明的基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統及監測方法，涉及金屬表面接觸損傷的綜合檢測，屬于傳感器測量儀器領域。
背景技術：
現有的對金屬表面接觸損傷進行檢測或者監測的方法有數十種，最常用的包括 射線檢測、超聲檢測、渦流檢測、聲發射等幾種。射線檢測是利用各種射線對材料的透射性能及不同材料對射線的吸收衰減程度不同，依據所得圖像對被檢件的質量、尺寸、特性進行評定，不足之處在于對平面缺陷的檢測靈敏度較低，檢測成本高；超聲檢測對確定缺陷大小、位置等有綜合優勢，設備輕便，可做現場檢測；磁粉檢測是利用磁粉的聚集顯示鐵磁材料及其工件表面與近表面缺陷的無損檢測方法，可用于表面與近表面質量的檢測，其優點主要有可以直觀顯示缺陷的形狀、位置和大小，并能大致確定缺陷的性質，檢測靈敏度高，工藝簡單，檢測速度快，費用低廉；渦流檢測是利用電磁感應原理，通過測定被檢試件內感生渦流的變化來發現缺陷的無損檢測方法，對導電材料表面和近表面缺陷的靈敏度較高。以上諸多檢測方法，沒有哪一種是萬能的，且能夠實現在線監測的方法并不多。利用靜電感應技術實現對金屬表面的接觸損傷進行在線監測，屬于直接測量故障部位和產物，能夠實現實時監測部件表面狀態，將給維修計劃帶來寬裕的準備時間，并從使預知維修成為可能。
發明內容
本發明的目的在于提供一種使用簡單，性能可靠，基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統及監測方法。利用這套系統可以在線監測金屬表面接觸損傷，判斷金屬表面是否發生接觸損傷，以及判斷損傷發生的程度，該監測系統和方法，屬于直接監測損傷表面，可以替代已經普遍使用的振動信號監測、溫度監測等二次影響參數的監測系統和方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是
一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統，包括由靜電感應頭、屏蔽罩、絕緣部件、電荷放大電路組成的靜電傳感器，由計算機及信號處理程序、信號調理采集硬件組成的信號采集分析系統，以及傳感器安裝架組成的輔助部件，其特征在于
所述傳感器由靜電感應頭、屏蔽罩、絕緣部件、電荷放大電路組成，靜電感應頭為圓盤形，圓盤背面有金屬桿將信號引出至電荷放大電路，屏蔽罩為圓筒形，一端封閉，一端不封閉，屏蔽罩封閉的一端上引出電荷放大之后的靜電信號，信號屏蔽與屏蔽罩接觸等勢，屏蔽罩不封閉的一端用于安裝電荷放大電路、感應頭和絕緣部件。—種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測方法，適用于監測金屬表面是否發生接觸損傷，包括以下步驟
a.監測時依靠傳感器安裝架，將傳感器感應頭靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2mm ；
b.傳感器感應頭采集被檢測面的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理；
c.將調理后的靜電信號與與背景噪聲引號進行對比，接觸損傷所對應靜電信號幅值u 為背景噪聲信號的2 3倍以上，即可判斷為發生接觸損傷。 一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測方法，包含多個傳感器，適用于對金屬表面損傷位置進行定位，包括以下步驟
a.監測時依靠傳感器安裝架，將至少兩個傳感器等間距排列，傳感器感應頭靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2mm ；
b.采集相鄰兩個傳感器的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理，得到兩個靜電信號幅值"麗禾口以腫；
C、確定接觸損傷部位與兩個傳感器的距離
tI
2+ A2 fu 、2/3
(2+h2
XuIMAzj
其中，<、《為損傷與兩個傳感器之間的水平距離。一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測方法，適用于對金屬表面損傷程度進行定量識別，包括以下步驟
a.監測時依靠傳感器安裝架，將傳感器感應頭靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2mm ；
b.傳感器感應頭采集被檢測面的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理；
c.對2分鐘時間內的信號取得調和平均值Vl、四分位差V2、峭度V3、均值V4、樣本極差 V5、歪度V6以及標準差V7七個統計指標，利用因子分析方法對指標數據進行降維；
d.利用模式識別方法，對降維后的數據進行識別分類，實現對金屬表面接觸損傷的定量監測。所述的因子分析方法模型為
‘= aIlfl +aI2Z2 +-+aImfx + eI X2 = β2 / +a 22/-2 +■" + 《/m + ^a
= ！Jf1 + 2/2 + …+af7JM + ε
其中，變量A(S = IANJ)為測量的數據變量；J1J2,…Jm為公共因子； ^(1 = 1,2,-^^=1,2,-, )為變量*在公共因子Λ上的得分；弓是變量1么···,妁所獨有的特殊因子。所述的模式識別方法決策函數輸出表示為
f(x) = ZakK(^i)+b 2-1其中％為Lagrange系數；K(^xi)為核函數，核函數種類很多，如多項式核函數 4為常數；b為擬合常數。將因子得分、作為輸入，決策函數輸出即
為損傷定量指標。對于金屬表面接觸損傷生成靜電的現象，經過研究發現a.在金屬表面因摩擦損傷形成新生表面，同時發射出的電子，光子，離子和中性粒子，周圍空氣分子被電離，靜電因此而產生。b.金屬表面擦傷和白層的形成，都會使得金屬表面產生靜電。因此，當金屬表面接觸損傷發生時，靠近損傷部位的傳感器感應頭可以感應到損傷對應的靜電信號，通過對比損傷對應的靜電信號和背景噪音信號，可以判別金屬表面是否發生接觸損傷。此外，利用多個傳感器和相應的軟件算法，可以實現對接觸損傷部位的定位；還可以對不同程度表面接觸損傷的靜電信號進行特征提取，對單位時間內的信號取得七個統計指標后利用因子分析方法降維，降維之后的數據利用模式識別的方法進行分類，可以實現對金屬表面接觸損傷的定量監測。本發明可以用于對金屬表面接觸損傷進行在線監測，損傷識別精度為1毫米級， 損傷定位精度為0. 5毫米，系統硬件結構緊湊，能夠承受一般高低溫、振動較大、有一定電磁干擾的工作環境。本發明主要用于有滾動接觸現象存在的機械設備的金屬表面接觸損傷監測，在機械設備接觸表面出現毫米級損傷的時候就實現診斷和預防，分析損傷位置和程度，防止損傷進一步增大影響機構安全性。
圖1為金屬表面接觸損傷在線監測系統的配置圖。圖2為傳感器的結構示意圖。圖3為傳感器安裝位置示意圖一。圖4為傳感器安裝位置示意圖二。圖5為傳感器安裝位置示意圖三。圖6為傳感器安裝位置示意圖四。圖7為傳感器安裝位置示意圖五。圖8為傳感器安裝位置示意圖六。圖9為金屬表面接觸損傷定位的原理圖。圖10為金屬表面接觸損傷在線監測的原理圖。圖中標號名稱1、靜電傳感器，2、傳感器感應頭，3、金屬接觸對之一，4、金屬接觸對之二，5、計算機及信號處理程序，6、信號調理采集硬件，7、傳感器安裝架，8、屏蔽罩，9、電荷放大電路，10、絕緣部件。
具體實施例方式結合附圖對系統的具體實施介紹如下
1.系統的組成如圖1所示，由靜電傳感器(包括靜電感應頭2、屏蔽罩8、絕緣部件 10、電荷放大電路9)，信號采集分析系統(包括計算機及信號處理程序5、信號調理采集硬件6)，以及傳感器安裝架7等輔助部件組成，其中采集硬件中的信號采集卡采用OT公司WLS9234數字采集卡，計算機采用基于windows平臺的通用PC。傳感器是系統的核心器件，傳感器的結構如圖2由靜電感應頭2、屏蔽罩8、絕緣部件10、電荷放大電路9組成。傳感器的安裝方式以靜電感應頭盡量靠近被監測面為原則，靜電感應頭的安裝方式如圖3、4、5、6、7以及8 (但不局限于所列幾種)，有多種方式安裝位置，傳感器可以垂直于監測面、平行于監測面，也可以同時采取多個傳感器監測。2.監測金屬表面是否發生接觸損傷的原理如下
當接觸損傷發生時，可以從時域信號中可以看出與接觸對運動周期相對應的靜電周期信號，且損傷部位信號相對背景噪音信號幅值高出幾十倍以上。但由于靜電信號中含有大量非平穩信號，故在此采用時域參數進行分析，或者采用短時傅立葉變換(STFT)方法分析靜電信號。3.監測金屬表面發生接觸損傷位置的方法和原理如下
參照如圖3、4、5、6、7以及8，采用多個(2個或者更多)相同的靜電傳感器，沿χ方向等間距安裝，其他試驗條件不變。按照靜電感應模型，當損傷引起的靜電荷經過多個傳感器附近時，傳感器輸出電壓信號的波形相位相同，波形類似。3. 1 χ方向的損傷定位方法
若相鄰兩個傳感器(#2和#3)之間有表面損傷引起的靜電荷經過，設靜電荷距離兩個傳感器在χ方向的距離分別為J1、式，則根據兩個傳感器測得的電壓關系，可以對表面損傷在χ方向進行定位。由可得在靜電荷沿_7方向經過傳感器感應面附近時，測量信號輸出電壓極大值為
—KAqv1
“麗=—^2W^W
故#2和#3兩個傳感器輸出的電壓極大值與Clpd2的關系為
2 λ 2 f\ 2/3
_ I U2MiX I
《+ 對 χ^ΙΜ Σ /
3.2 方向的損傷定位方法
任何一個傳感器一個周期中靜電極值的相位對應板件損傷在平行于運動方向上的位置(簡稱為y方向的位置)。其中靜電信號的尖峰對應于損傷中心位置，結合摩擦磨損試驗臺的位移傳感器，即可對表面損傷進行y方向定位，且對于相鄰的損傷也有很高的分辨率。
4.關于表面接觸損傷程度的識別 4. 1選取指標及降維
對監測中不同損傷的典型靜電感應信號，采用調和平均值VI、四分位差V2、 峭度V3、均值V4、樣本極差V5、歪度V6、標準差V7這7個統計指標，其中，
1 ； ^2 = Q3 -Q1,其中 A 的位置=(n+l)/4，Q3 的位置=3(n+l)/權利要求
1.一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統，包括由靜電感應頭(2)、屏蔽罩(8)、絕緣部件(10)、電荷放大電路(9)組成的靜電傳感器，由計算機及信號處理程序 (5)、信號調理采集硬件(6)組成的信號采集分析系統，以及傳感器安裝架(7)組成的輔助部件，其特征在于所述傳感器由靜電感應頭O)、屏蔽罩(8)、絕緣部件(10)、電荷放大電路(9)等組成， 靜電感應頭(2)為圓盤形，圓盤背面有金屬桿將信號引出至電荷放大電路(9)，屏蔽罩(8) 為圓筒形，一端封閉，一端不封閉，屏蔽罩(8)封閉的一端上引出電荷放大之后的靜電信號， 信號屏蔽與屏蔽罩(8)接觸等勢，屏蔽罩(8)不封閉的一端用于安裝電荷放大電路(9)、感應頭(2)和絕緣部件(10)。
2.一種采用權利要求1所述的監測系統對金屬表面接觸損傷的在線監測方法，采用靜電傳感器對金屬表面接觸損傷進行探測，其特征在于步驟如下a.監測時依靠傳感器安裝架(7)，將傳感器感應頭( 靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2匪；b.傳感器感應頭( 采集被檢測面的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理；c.將調理后的靜電信號與與背景噪聲引號進行對比，接觸損傷所對應靜電信號幅值u 為背景噪聲信號的2 3倍以上，即可判斷為發生接觸損傷。
3.一種采用權利要求1所述的監測系統對金屬表面接觸損傷的在線監測方法，采用靜電傳感器對金屬表面接觸損傷進行探測，其特征在于步驟如下a.監測時依靠傳感器安裝架(7)，將至少兩個傳感器等間距排列，傳感器感應頭(2)靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2mm ；b.采集相鄰兩個傳感器的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理，得到兩個靜電信號幅值"臓禾口“臓；C、確定接觸損傷部位與兩個傳感器的距離ι ！ , Zr3+ HU2MAXd2 + h {iilMAT J其中，<、之為損傷與兩個傳感器之間的水平距離。
4.一種采用權利要求1所述的檢測系統對金屬表面接觸損傷的在線監測方法，其特征在于包括以下步驟a.監測時依靠傳感器安裝架(7)，將傳感器感應頭( 靠近被監測面安裝，且兩者之間垂直距離h為1 2匪；b.傳感器感應頭( 采集被檢測面的靜電信號，并對所得信號調理放大濾波處理；C.對2分鐘時間內的信號取得調和平均值VI、四分位差V2、峭度V3、均值V4、樣本極差 V5、歪度V6以及標準差V7七個統計指標，利用因子分析方法對指標數據進行降維；d.利用模式識別方法，對降維后的數據進行識別分類，實現對金屬表面接觸損傷的定量監測。
5.根據權利要求4所述的在線監測方法，其特征在于所述的因子分析方法模型為
6.根據權利要求4所述的在線監測方法，其特征在于所述的模式識別方法采用支持向量機，其決策函數輸出表示為
全文摘要
本發明公開了一種基于靜電感應的金屬表面接觸損傷在線監測系統及監測方法，該系統包括由靜電感應頭、屏蔽罩、絕緣部件、電荷放大電路組成的靜電傳感器，由計算機及信號處理程序、信號調理采集硬件組成的信號采集分析系統，以及傳感器安裝架組成的輔助部件，傳感器由靜電感應頭、屏蔽罩、絕緣部件、電荷放大電路組成。利用這套系統可以在線監測金屬表面接觸損傷，判斷金屬表面是否發生接觸損傷，以及判斷損傷發生的程度，該監測系統和方法，屬于直接監測損傷表面，可以替代已經普遍使用的振動信號監測、溫度監測等二次影響參數的監測系統和方法。
文檔編號G01N27/61GK102520052SQ20111040348
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者左洪福, 徐一鳴, 陸曉華, 陳志雄 申請人:南京航空航天大學