CN105021706B - 一种砂轮破碎状态预警识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种砂轮破碎状态预警识别装置及方法，装置包括依次相连的声发射传感器、前置放大器、信号处理器、A/D采集卡和控制器，声发射传感器首先采集待检测砂轮回转过程中的声发射信号，声发射信号经过前置放大器、信号处理器、A/D采集卡预处理后输入控制器中，并在控制器中进行数字滤波处理；然后控制器将经过滤波后的信号按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值和能量值，接着将当前时间窗内的信号幅值和能量值与设定好的比较阈值H₀和进行比较，判断砂轮的状态。本发明能够检测识别砂轮裂纹成核状态，并对砂轮破碎提前做出判断和预警，极大地提高检测的灵敏度。

Description

一种砂轮破碎状态预警识别装置及方法

技术领域

本发明涉及砂轮制造与应用技术，尤其涉及一种砂轮破碎状态预警识别装置及方法。

背景技术

砂轮是硬脆性复合材料，砂轮的内在质量如应力扩展、裂纹成核等，关系到砂轮使用的安全性，尤其对于高速、超高速磨削，砂轮破碎和断裂会造成严重的财物损失和人身伤害。回转强度是各种砂轮最重要的一项技术参数，为此，国内外对砂轮回转强度的检测均制定了强制性检验标准，砂轮出厂前务必对其进行规定的检验转速检测，并在检验转速到达后维持规定的时间。同时，为了全面了解砂轮的高速回转性能，砂轮制造商通常会定期随机抽检砂轮回转破碎时的最高速度，以检测其回转强度。

砂轮回转强度的检测是在密闭环境中，在专用砂轮回转强度试验机上进行的。目前采用的砂轮破碎状态检测识别方法主要有以下三种：振动检测、光电检测和音量检测。振动检测是利用加速度传感器检测砂轮破碎时砂轮防护腔体振动状态的变化来判断砂轮是否出现破碎，这种方法要求砂轮破碎时，防护腔体由于受到冲击而产生的振动必须远远大于腔体的正常振动及设备自身共振产生的振动，但是，某些砂轮，如超硬材料砂轮，破碎时一般为局部工作层破碎，其碎块很小，对回转强度试验机防护腔体的冲击力有限，导致这种方法无法准确检测到小碎块的破碎状态；光电检测是利用光电传感器检测被检砂轮形状的完整性来判断识别砂轮是否破碎，这种方法要求被检砂轮具有较好的反光性，且要求砂轮的破碎必须为整体破碎，造成这种检测方法具有一定的局限性；音量检测是利用音量传感器检测砂轮破碎时砂轮防护腔体由于受到冲击而产生的 噪音信号来判断砂轮是否破碎，这种方法容易受到外部噪声的干扰，所以这种方法应用时需要保证特定的工作环境和条件。同时，这三种检测方法均在砂轮破碎后对砂轮破碎状态进行事后判断，且灵敏度低，在检测过程中存在一定的时间滞后，易造成较大破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种砂轮破碎状态预警识别装置及方法，能够检测识别砂轮裂纹成核状态，并对砂轮破碎提前做出判断和预警，极大地提高检测的灵敏度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种砂轮破碎状态预警识别装置，包括依次相连的声发射传感器、前置放大器、信号处理器、A/D采集卡和控制器，所述声发射传感器、前置放大器、信号处理器、A/D采集卡和控制器之间通过信号传输线相连，所述声发射传感器用于采集砂轮回转过程中的声发射信号，并输出模拟电压信号给前置放大器，所述前置放大器用于对采集到的信号进行放大，并将放大后的信号输出给信号处理器，所述信号处理器内设置有模拟滤波器，用于滤除或减弱噪声信号，并将滤波后的信号输出给A/D采集卡，所述A/D采集卡用于将采集到的模拟信号转换为数字信号，并输出给控制器，所述控制器用于对输入信号进行相关特征参数的分析计算，判断砂轮是否出现破碎，控制器内还设置有数字滤波器，用于对A/D采集卡输出的信号进行数字滤波处理；

所述砂轮破碎状态预警识别装置首先测试与待检测砂轮相同类型、相同尺寸的砂轮在回转过程中形成微裂纹时产生声发射信号的特征参数H_m及砂轮破碎时产生声发射信号的特征参数将H_m和设置为比较阈值；然后采集待检测砂轮回转过程中的声发射信号，采集到的声发射信号经过预处理后输入控制器 中，并在控制器中进行数字滤波处理；接着将经过滤波后的信号按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值H_i和能量值最后将比较阈值H₀和与当前时间窗内的信号幅值H_i和能量值进行比较，判断砂轮的状态。

所述控制器的输出端分别连接有显示器、存储器和报警装置。

所述声发射传感器通过耦合剂安装在砂轮主轴壳体上，且声发射传感器与砂轮之间在砂轮轴向的间距小于等于100mm。

所述声发射传感器外设置有密闭外壳。

砂轮破碎状态预警识别方法，依次包括以下步骤：

(1)根据砂轮破碎时声发射传感器采集到的信号频谱分析结果设置声发射传感器的采样频率f，根据背景噪声信号的频谱分析结果设置模拟滤波器和数字滤波器的滤波带宽和截止频率；

(2)测试与待检测砂轮相同类型、相同尺寸的砂轮在回转过程中形成微裂纹时产生声发射信号的特征参数H_m及砂轮破碎时产生声发射信号的特征参数 将H_m和设置为比较阈值，下标m和n均仅为区分作用，并非变量；

(3)启动信号采集，利用声发射传感器采集声发射信号，采集到的信号经过前置放大器进行放大、信号处理器进行模拟滤波和A/D采集卡进行A/D转换等预处理后，转换为数字信号输入控制器；

(4)控制器对A/D采集卡输出的信号进行数字滤波后，按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值H_i和能量值下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗；

(5)将步骤(2)得到的比较阈值H_m和与步骤(4)得到的当前时间窗内的信号幅值H_i和能量值进行比较，判断砂轮的状态，

若H_i<H_m且则判断砂轮处于正常状态；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现轻微裂纹，报警装置发出警报；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现破碎，报警装置发出警报。

还包括步骤(6)，具体为：

(6)控制器将检测结果输送至显示器和存储器分别进行显示和存储，并将结果反馈给回转强度试验机，回转试验机利用反馈信号识别出砂轮出现微裂纹或破碎的状态，并及时做出主轴制动等保护系统的反应。

所述步骤(4)中，每个时间窗内的信号幅值H_i表示该段时间窗内信号波形的最大振幅值，其表达式为H_i＝max{a₁，a₂，……a_i}，其中，a₁，a₂，……a_i表示该段时间窗内所有信号波形的幅值，下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗。

所述步骤(4)中，每个时间窗内的信号能量值取值为该段时间窗内信号总能量与时间窗长度ΔT的比值，由于声发射信号能量的变化率正比于采样信号的均方电压值V_ms随时间的变化率，则时间窗内信号段的总能量E∝V_ms·ΔT，其中ΔT为选取的单个时间窗的长度，于是每段时间窗内采样信号的能量值可利用其均方电压值V_ms进行表征，即

其中，f表示声发射信号的采样频率，ΔT表示该段时间窗的长度，X_i表示该段时间窗内采样信号的电压值，V_ms表示该段时间窗内采样信号的均方电压值，下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗，下标ms仅为区分作用，并非变量。

砂轮在回转过程中，结合剂断裂会释放出弹性波，即产生声发射信号，声发射是一种材料或构件在受内力或外力作用而产生塑性变形或断裂时，以瞬态弹性波的形式释放应变能的现象，声发射检测的频率很宽，灵敏度很高，利用 声发射传感器对砂轮回转过程中的信号进行采集监测，当砂轮出现裂纹和破碎时，必然会引起采集信号的变化，提取出采集信号的特征参数并分析，能够准确地识别出砂轮出现轻微裂痕或破碎的状态。由于在砂轮裂纹成核阶段即有声发射现象产生，因此本发明可以实现对砂轮回转破碎的事前预警，并具有较高的灵敏度；由于各类砂轮在产生裂纹和破碎时均释放声发射信号，因此本发明具有较强的通用性；由于砂轮破碎产生的声发射信号的频率避开了机械、电气等噪声信号分布的频域，方便信号的提取分析，因此本发明可取得较好的分析识别效果，对于提高砂轮安全性、减小砂轮回转碎裂的破坏作用具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明所述砂轮破碎状态预警识别装置的原理框图；

图2为本发明所述砂轮破碎状态预警识别方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的砂轮破碎状态预警识别装置包括依次相连的声发射传感器、前置放大器、信号处理器、A/D采集卡和控制器，声发射传感器、前置放大器、信号处理器、A/D采集卡和控制器之间通过信号传输线相连，声发射传感器通过耦合剂安装在砂轮主轴壳体上，且声发射传感器与砂轮之间在砂轮轴向的间距小于等于100mm，声发射传感器外设置有密闭外壳，防止污染和信号干扰，声发射传感器用于采集砂轮回转过程中的声发射信号，并输出模拟电压信号给前置放大器，前置放大器用于对采集到的信号进行放大，并将放大后的信号输出给信号处理器，信号处理器内设置有模拟滤波器，用于滤除或减弱噪声信号，并将经过滤波之后的信号输出给A/D采集卡，A/D采集卡用于将采集到的模拟信号转换为数字信号，并输出给控制器，控制器用于对A/D采集卡 输出的信号进行分析计算，判断砂轮是否出现破碎，控制器内设置有数字滤波器，用于对A/D采集卡输出的信号进行数字滤波处理，数字滤波器选用巴特沃斯数字滤波器，具有最平稳的通频带的频率响应特性。在控制器的输出端还分别设置有显示器、存储器和报警装置，显示器和存储器分别用于对采集到的数据和砂轮的状态进行显示和存储。

本发明所述砂轮破碎状态预警识别装置首先测试与待检测砂轮相同类型、相同尺寸的砂轮在回转过程中形成微裂纹时产生声发射信号的特征参数H_m及砂轮破碎时产生声发射信号的特征参数将H_m和设置为比较阈值；然后采集待检测砂轮回转过程中的声发射信号，采集到的声发射信号经过预处理后输入控制器中，并在控制器中进行数字滤波处理；接着将经过滤波后的信号按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值H_i和能量值最后将比较阈值H₀和与当前时间窗内的信号幅值H_i和能量值进行比较，判断砂轮的状态。

如图2所示，本发明所述的砂轮破碎状态预警识别方法依次包括以下步骤：

(1)根据砂轮破碎时声发射传感器采集到的信号频谱分析结果设置声发射传感器的采样频率f，使采样频率f满足奈奎斯特采样定理的要求，即采样频率必须大于声发射传感器采集到的信号最高频率的2倍；根据背景噪声信号的频谱分析结果设置模拟滤波器和数字滤波器的滤波带宽和截止频率，使模拟滤波器和数字滤波器的滤波带宽和截止频率所决定的通频带避开背景噪声的频带；

在砂轮回转中，机械震动和电气元件会引入一定的噪声信号，通常机械噪声信号的频带位于50kHz以下，电气噪声信号的频带高于1000kHz，在砂轮未发生破碎时，声发射传感器采集到的信号称为背景噪声，耦合剂断裂造成砂轮破碎时产生的声发射信号的频率与背景噪声信号的分布频域不相同，通过信号 处理器中的模拟滤波器和控制器中的数字滤波器的滤波处理，可以有效地减小噪声信号的干扰作用，获得有用的声发射信号；模拟滤波器和数字滤波器的滤波带宽和截止频率根据背景噪声信号的频谱分析结果确定，此为现有技术，不再赘述。

(2)测试与待检测砂轮相同类型、相同尺寸的砂轮在回转过程中形成微裂纹时产生声发射信号的特征参数H_m及砂轮破碎时产生声发射信号的特征参数 将H_m和设置为比较阈值，下标m和n均仅为区分作用，并非变量；

同类型、同尺寸的砂轮在同一环境中破裂时的声发射强度是相同的，因此可利用实验获得的经验数据来设置比较阈值H_m和

(3)启动信号采集，利用声发射传感器采集声发射信号，采集到的信号经过前置放大器、信号处理器和A/D采集卡预处理后，转换为数字信号输入控制器；

声发射传感器用于测量声发射信号，可将接收到的弹性波转化成模拟电压信号输出；前置放大器是模拟电路，对声发射传感器采集到的信号进行放大，可提高信噪比，并减小信号传输过程中的衰减作用；信号处理器包含模拟滤波器，通过带通选频将信号中夹杂的噪声信号滤除或减弱，以提取出所需要频段的信号；A/D采集卡将采集到的模拟信号转换为数字信号，并输入控制器以供分析处理。

(4)控制器对A/D采集卡输出的信号进行数字滤波后，按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值H_i和能量值下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗；

砂轮破碎时产生声发射信号，声发射信号连同背景噪声一起被声发射传感器接收，因此，砂轮破碎时采集信号的幅度和能量一定大于砂轮未破碎时采集 到的背景噪声信号的幅度和能量，因此可用信号幅值和能量值实现砂轮破碎的判断。

经过滤波后的信号，按等长的时间窗进行时域分段处理，每获得一个完整时间窗的信号段，则计算该时间窗内的信号幅值H_i和能量值信号幅值H_i和能量值直接反映了声发射信号的强度，且受其它因素影响较小，所以可将信号幅值H_i和能量值作为表征砂轮破碎状态的声发射信号特征参数。

每个时间窗内的信号幅值H_i取值为该段时间窗内信号波形的最大振幅值，其表达式为H_i＝max{a₁，a₂，……a_i}，其中，a₁，a₂，……a_i表示该段时间窗内所有信号波形的幅值。

每个时间窗内的信号能量值取值为该段时间窗内信号总能量与时间窗长度ΔT的比值，该段时间窗内信号总能量可用该段时间窗内信号检波包络线下的面积来表示，由于声发射信号能量的变化率正比于采样信号的均方电压值V_ms随时间的变化率，则时间窗内信号段的总能量E∝V_ms·ΔT，其中ΔT为选取的单个时间窗的长度，于是每段时间窗内采样信号的能量值可利用其均方电压值V_ms进行表征，即

其中，V_ms表示该段时间窗内采样信号的均方电压值，X_i表示该段时间窗内采样信号的电压值，f表示声发射信号的采样频率，ΔT表示该段时间窗的长度，时间窗的长度ΔT的取值过大会影响系统的反应速度，取值过小易造成误判断，由于ΔT的取值过大或过小都会影响系统的反应速度，故ΔT取砂轮破碎时产生的声发射信号的最大持续时间。

(5)将步骤(2)得到的比较阈值H_m和与步骤(4)得到的当前时间窗 内的信号幅值H_i和能量值进行比较，判断砂轮的状态，

若H_i<H_m且则判断砂轮处于正常状态；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现轻微裂纹，报警装置发出警报；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现破碎，报警装置发出警报。

由于砂轮形成微裂纹时产生的声发射信号持续时间较短、能量较小，而针对小信号的幅值进行监测较能量的监测更加敏感，因此可用信号幅值来判断砂轮是否出现轻微裂痕。

为防止外界脉冲干扰造成误判断的现象，可对信号幅值H_i和能量值进行累计判断，即针对连续的几个时间窗内的信号幅值H_i和能量值如果均满足相应的判断条件，再进行该条件对应状态的认定。

(6)控制器将检测结果输送至显示器和存储器分别进行显示和存储，并将结果反馈给回转强度试验机，回转强度试验机利用反馈信号识别出砂轮出现微裂纹或破碎的状态，并及时做出主轴制动等保护系统的反应。

Claims (4)

1.一种基于砂轮破碎状态预警识别装置进行砂轮破碎状态预警识别的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

(1)根据砂轮破碎时声发射传感器采集到的信号频谱分析结果设置声发射传感器的采样频率f，根据背景噪声信号的频谱分析结果设置模拟滤波器和数字滤波器的滤波带宽和截止频率；

(2)测试与待检测砂轮相同类型、相同尺寸的砂轮在回转过程中形成微裂纹时产生声发射信号的特征参数H_m及砂轮破碎时产生声发射信号的特征参数将H_m和设置为比较阈值，下标m和n均仅为区分作用，并非变量；

(3)启动信号采集，利用声发射传感器采集声发射信号，采集到的信号经过前置放大器进行放大、信号处理器进行模拟滤波和A/D采集卡进行A/D转换等预处理后，转换为数字信号输入控制器；

(4)控制器对A/D采集卡输出的信号进行数字滤波后，按等长的时间窗进行时域分段处理，并计算每个时间窗内的信号幅值H_i和能量值下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗；

(5)将步骤(2)得到的比较阈值H_m和与步骤(4)得到的当前时间窗内的信号幅值H_i和能量值进行比较，判断砂轮的状态，

若H_i＜H_m且则判断砂轮处于正常状态；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现轻微裂纹，报警装置发出警报；

若H_i≥H_m且则判断砂轮出现破碎，报警装置发出警报。

2.如权利要求1所述的一种砂轮破碎状态预警识别方法，其特征在于：还包括步骤(6)，具体为

(6)控制器将检测结果输送至显示器和存储器分别进行显示和存储，并将结果反馈给回转强度试验机，回转试验机利用反馈信号识别出砂轮出现微裂纹或破碎的状态，并及时做出主轴制动等保护系统的反应。

3.如权利要求2所述的一种砂轮破碎状态预警识别方法，其特征在于：所述步骤(4)中，每个时间窗内的信号幅值H_i表示该段时间窗内信号波形的最大振幅值，其表达式为H_i＝max{a₁，a₂，......a_i}，其中，

a₁，a₂，......a_i表示该段时间窗内所有信号波形的幅值，下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗。

4.如权利要求1、2或3所述的一种砂轮破碎状态预警识别方法，其特征在于：所述步骤(4)中，每个时间窗内的信号能量值取值为该段时间窗内信号总能量与时间窗长度ΔT的比值，由于声发射信号能量的变化率正比于采样信号的均方电压值V_ms随时间的变化率，则时间窗内信号段的总能量E∝V_ms·ΔT，其中ΔT为选取的单个时间窗的长度，于是每段时间窗内采样信号的能量值可利用其均方电压值V_ms进行表征，即

其中，f表示声发射信号的采样频率，ΔT表示该段时间窗的长度，X_i表示该段时间窗内采样信号的电压值，V_ms表示该段时间窗内采样信号的均方电压值，下标i＝1,2，……，表示第i个时间窗，下标ms仅为区分作用，并非变量。