CN115615819A - 用于以可听见方式检测被测样本的材料断裂前兆的系统 - Google Patents

用于以可听见方式检测被测样本的材料断裂前兆的系统 Download PDF

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Abstract

一种用于确定指示被测样本中材料断裂前兆的触发振幅的系统，该系统包括将被测样本发出的声发射转换成电信号的麦克风。负载被施加在被测样本上，并且当负载导致被测样本在材料断裂之前经历变形时，声发射被发出。控制模块与麦克风电通信，并且执行指令以监控麦克风产生的电信号并对麦克风产生的电信号进行滤波。控制模块基于快速傅立叶变换(FFT)将麦克风产生的电信号转换成各个频率分量。各个频率分量各自包括峰值强度。控制模块基于FFT的各个频率分量的峰值强度来确定触发振幅。

Description

用于以可听见方式检测被测样本的材料断裂前兆的系统
技术领域
本公开内容涉及一种用于基于可听见声音来确定指示被测样本中材料断裂前兆的触发振幅的系统和方法。本公开还涉及一种用于通过相机捕捉被测样本的图像的系统，其中该系统响应于确定触发振幅已经出现，指示相机以不同的帧速率捕捉图像。
背景技术
图像处理系统变得越来越流行。然而，图像处理涉及存储和处理相对大量的数据，这又可能需要大量的处理和存储资源。影响存储大型图像文件所需内存量的一个因素是收集图像的相机的帧速率。帧速率表示为每秒帧数(fps)，并且表示相机每秒拍摄的帧数或图像的数量。提高帧速率会产生需要更多内存的较大图像文件，而降低帧速率会产生需要较少内存的较小图像文件。
因此，虽然图像处理系统实现了其预期目的，但是在本领域中需要一种降低图像处理系统的存储需求的方法。
发明内容
根据几个方面，公开了一种用于确定指示被测样本中材料断裂前兆的触发振幅的系统。该系统包括用于将被测样本发出的声发射转换成电信号的麦克风。负载被施加在被测样本上，并且当负载导致被测样本在材料断裂之前经历变形时，声发射被发出。该系统还包括与麦克风电通信的控制模块，其中控制模块执行指令以监控麦克风产生的电信号。控制模块执行指令来对麦克风产生的电信号进行滤波，以允许感兴趣范围内的频率并且衰减感兴趣范围之外的频率。控制模块基于快速傅立叶变换(FFT)将麦克风产生的电信号转换成各个频率分量，其中各个频率分量各自包括表示可听见声音的峰值强度。控制模块基于FFT的各个频率分量的峰值强度来确定触发振幅。
在一个方面，FFT的各个频率分量限定振幅轨迹。
在另一方面，控制模块通过使用核密度估计(KDE)函数分析振幅轨迹来确定触发振幅，其中，KDE函数创建振幅轨迹的平滑化估计，并且其中，振幅轨迹的平滑化估计包括多个峰值，每个峰值表示峰值振幅在FFT中出现的次数。
在另一方面，控制模块通过识别振幅轨迹的平滑化估计的最高峰值来确定触发振幅，其中最高峰值表示在FFT中最频繁出现的峰值振幅。
在又一方面，最高峰值表示由背景噪声产生的可听见声音。
在另一方面，控制模块通过识别振幅轨迹的平滑化估计的第二最高峰值来确定触发振幅，其中第二最高峰值表示在最高峰值之后在FFT中最频繁出现的峰值振幅。
在一个方面，第二最高峰值表示被测样本在材料断裂之前经历变形时发出的声发射。
在另一方面，控制模块通过确定最高峰值与第二最高峰值之间的谷值并选择对应于谷值的振幅值作为触发振幅来确定触发振幅。
在又一方面，感兴趣范围之外的频率表示背景噪声。
在一个方面，公开了一种用于确定指示被测样本中材料断裂前兆的触发振幅的方法。该方法包括通过麦克风将被测样本发出的声发射转换成电信号。负载被施加在被测样本上，并且当负载导致被测样本在材料断裂之前经历变形时，声发射被发出。该方法包括由控制模块监控麦克风产生的电信号。该方法还包括对麦克风产生的电信号进行滤波，以允许感兴趣范围内的频率并且衰减感兴趣范围之外的频率。该方法还包括基于快速傅立叶变换(FFT)将麦克风产生的电信号转换成各个频率分量，其中各个频率分量各自包括表示可听见声音的峰值强度。最后，该方法包括基于FFT的各个频率分量的峰值强度来确定触发振幅。
在一个方面，FFT的各个频率分量限定振幅轨迹，并且该方法进一步包括使用KDE函数分析振幅轨迹。KDE函数创建振幅轨迹的平滑化估计，并且振幅轨迹的平滑化估计包括多个峰值，每个峰值表示峰值振幅在FFT中出现的次数。
在另一方面，该方法进一步包括识别振幅轨迹的平滑化估计的最高峰值，其中最高峰值表示在FFT中最频繁出现的峰值振幅。
在又一方面，该方法进一步包括识别振幅轨迹的平滑化估计的第二最高峰值，其中第二最高峰值表示在最高峰值之后在FFT中最频繁出现的峰值振幅。
在还一方面，该方法进一步包括确定最高峰与第二最高峰值之间的谷值。
在一个方面，该方法进一步包括选择对应于谷值的振幅值作为触发振幅。
在另一方面，感兴趣范围之外的频率表示背景噪声。
在一个方面，公开了一种用于捕捉图像的系统。该系统包括被测样本，其中负载被施加在被测样本上，使得被测样本在材料断裂之前经历变形。该系统还包括捕捉被测样本的图像的相机，其中相机以第一帧速率和第二帧速率捕捉图像，并且第一帧速率小于第二帧速率。该系统还包括麦克风，该麦克风将被测样本发出的声发射转换成电信号，其中负载被施加在被测样本上，并且当负载导致被测样本在材料断裂之前经历变形时，声发射被发出。最后，该系统包括与麦克风和相机电通信的控制模块。控制模块执行指令来监控以第一帧速率捕捉图像的相机。控制模块执行指令以监控麦克风产生的电信号的触发振幅，其中麦克风产生的电信号指示声振幅。控制模块执行指令以确定麦克风产生的电信号指示触发振幅已经出现。响应于确定触发振幅已经出现，控制模块指示相机以第二帧速率捕捉被测样本的图像，其中触发振幅指示被测样本中材料断裂的前兆。
在一个方面，被测样本经历以下测试之一：开孔拉伸测试、极限拉伸强度测试、缺口拉伸测试、压缩测试和扭转测试。
在另一方面，被测样本由以下至少一种构成：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料、塑料、填充塑料和纤维增强聚合物。
在又一方面，第一帧速率为约五帧每秒(fps)，并且第二帧速率为约五十fps。
从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是图示了根据示例性实施例的用于确定被测样本中材料断裂前兆的系统的示意图，其中该系统包括与麦克风电子通信的控制模块；
图2是图示了根据示例性实施例的图1所示的控制模块的框图；
图3图示了根据示例性实施例的从图1所示的麦克风接收的电信号的示例性快速傅立叶变换(FFT)的曲线图；
图4图示了曲线图，其图示了根据示例性实施例使用核密度估计(KDE)函数确定的图3所示的FFT的平滑化估计；
图5是图示了根据示例性实施例的使用如图1所示的系统来确定触发振幅的方法的过程流程图；以及
图6是根据示例性实施例的用于通过相机捕捉被测样本的图像的系统的示意图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参考图1，图示了用于确定被测样本12中材料断裂前兆的示例性系统10。在所示的非限制性实施例中，系统10包括被测样本12、固定被测样本12的固定装置14、麦克风20和控制模块22。在所示的示例中，被测样本12是拉伸测试样本，其包括两个扩大端30和位于两个扩大端30之间的计量区段32，然而，被测样本12也可以包括其他构件。在实施例中，被测样本12由玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料、塑料、填充塑料或任何其他纤维增强聚合物(比如碳纤维增强聚合物(CFRP))中的至少一种构成，然而，应该理解，也可以使用其他类型的材料。
图1图示了包括两个抓握装置34的固定装置14，这两个抓握装置34夹紧并固定被测样本12的扩大端30，然而，应该理解，图1本质上仅仅是示例性的，并且也可以使用其他类型的夹具。固定装置14对被测样本12施加负载38。例如，图1将负载38图示为将被测样本12拉开的拉伸力。在一个实施例中，被测样本12经历开孔拉伸测试、极限拉伸强度测试、缺口拉伸测试、压缩测试或扭转测试，然而，应该理解，也可以使用被测样本12经历材料断裂的其他类型的测试。应该理解，在一些实施例中，被测样本12可能经历不可见的材料断裂。
在材料断裂之前，被测样本12发出声发射。具体地，在负载38导致被测样本12在负载38下断裂之前使被测样本12经历变形时，声发射被发出。麦克风20将被测样本12发出的声发射转换成电信号40(见图2)。麦克风20产生的电信号40指示声振幅。控制模块22与麦克风20电子通信，并且监控麦克风20产生的电信号40。如下所述，控制模块22确定电信号40的触发振幅，该触发振幅指示被测样本12将要断裂，这种断裂是由固定装置14施加的负载38引起的。换句话说，触发振幅指示被测样本12中材料断裂的前兆。
图2是图示了控制模块22的框图，其中控制模块22包括带通滤波器50、快速傅立叶变换(FFT)模块52、核密度估计(KDE)函数模块54和分析器模块56。控制模块22可以指诸如在片上系统中的电子电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)、执行代码的处理器(共享的、专用的或成组的)或者是它们的一部分，或以上这些中的一些或全部的组合。附加地，控制模块22可以是基于微处理器的，诸如具有至少一个处理器、存储器(RAM和/或ROM)以及相关联输入和输出总线的计算机。处理器可以在驻留在存储器中的操作系统的控制下操作。操作系统可以管理计算机资源，使得体现为一个或多个计算机软件应用的计算机程序代码(诸如驻留在存储器中的应用)可以具有由处理器执行的指令。在替代性实施例中，处理器可以直接执行应用，在这种情况下，可以省略操作系统。
参考图1和图2，控制模块22的带通滤波器50可以使用模拟部件(诸如电阻器、电感器和电容器)来实施，或者替代地作为数字滤波器来实施。控制模块22的带通滤波器50对麦克风20产生的电信号40进行滤波(见图1)。具体地，带通滤波器50允许感兴趣范围内的频率，同时衰减感兴趣范围之外的频率。感兴趣范围内的频率包括被测样本12发出的声发射以及被测样本12在材料断裂期间发出的声音。感兴趣范围之外的频率表示麦克风20可以检测到的背景噪声。应该理解，在感兴趣范围内的频率的具体值取决于变量，例如，被测样本12的材料和被测样本12经历的具体测试类型。
图3是曲线图60，图示了从带通滤波器50接收的电信号40的示例性FFT 62。曲线图60包括表示以赫兹为单位的频率的x轴和表示声振幅的y轴。参考图2和图3，控制模块22的FFT模块52将来自带通滤波器50的电信号40转换成各个频率分量66。如图3所示，各个频率分量66各自包括表示可听见声音的峰值振幅68。FFT 62的各个频率分量66限定振幅轨迹70。如下所述，触发振幅是基于FFT 62的各个频率分量66的峰值振幅68确定的。
控制模块22的KDE函数模块54使用KDE函数分析FFT 62的振幅轨迹70。图4是曲线图80，图示了FFT 62(图3)的振幅轨迹82的平滑化估计。曲线图80包括表示声振幅的x轴和表示样本数量的y轴。现在参考图2、图3和图4，KDE函数模块54执行KDE函数，该KDE函数产生FFT 62(图3)的振幅轨迹82的平滑化估计。振幅轨迹82的平滑化估计包括多个峰值84。振幅轨迹82的平滑化估计的每个峰值84表示峰值振幅68在FFT 62(图3)中出现的次数。
控制模块22的分析器模块56基于振幅轨迹82的平滑化估计来确定触发振幅。具体地，分析器模块56识别振幅轨迹82的平滑化估计的最高峰值84A。最高峰值84A表示在FFT62(图3)中最频繁出现的峰值振幅68。应该理解，图4所示的振幅轨迹82的平滑化估计的最高峰值84A表示由背景噪声产生的可听见声音。分析器模块56识别振幅轨迹82的平滑化估计的第二最高峰值84B。第二最高峰值84B表示在最高峰值振幅68A之后在FFT 62中最频繁出现的峰值振幅68。第二最高峰值84B表示当材料断裂之前经历变形时，被测样本12(图1)发出的声发射。
如图4所示，最高峰值84A和第二最高峰值84B被分成两个不同的组，并且谷值90位于两个峰值84A、84B之间。控制模块22的分析器模块56通过首先识别最高峰值84A与第二最高峰值84B之间的谷值90，并且然后选择对应于谷值90的振幅值作为触发振幅来确定触发振幅。如果两个峰值84A、84B之间没有明显的间隔，则应该理解声发射还没有发出。
图5是图示了使用图1所示的系统10来确定触发振幅的示例性方法100的过程流程图。现在参考图1至图5，方法100开始于框102。在框102中，控制模块22(图2)监控麦克风20产生的电信号40。方法100然后可以进行到框104。
在框104中，控制模块22(图2)的带通滤波器50对麦克风20产生的电信号40进行滤波。方法100然后可以进行到框106。
在框106中，控制模块22的FFT模块52将来自带通滤波器50的电信号40转换成各个频率分量66(见图3)。方法100然后可以进行到框108。
在框108中，控制模块22的KDE函数模块54使用KDE函数分析FFT 62(图3)的振幅轨迹70。方法100然后进行到框110。
在框110中，控制模块22的分析器模块56识别振幅轨迹82的平滑化估计的最高峰值84A(见图4)。方法100然后进行到框112。
在框112中，控制模块22的分析器模块56识别振幅轨迹82的平滑化估计的第二最高峰值84B。方法100然后可以进行到框114。
在框114中，控制模块22的分析器模块56通过识别最高峰值84A与第二最高峰值84B之间的谷值90来确定触发振幅。方法100然后可以进行到框116。
在框116中，控制模块22的分析器模块56选择对应于谷值90的振幅值作为触发振幅。方法100然后可以终止。
图6图示了用于通过相机204捕捉被测样本212的图像的系统200。在实施例中，相机204可以是立体相机，该立体相机被配置成捕捉被测样本212的三维图像，然而，也可以使用二维图像。如下所述，响应于确定触发振幅已经出现，系统200指示相机204以更快的帧速率捕捉图像。因此，由系统10(图1)确定的触发振幅可以用于启动硬件触发事件，该硬件触发事件启动外部动作(即，相机204的帧速率的改变)。尽管图6图示了系统200使用触发振幅来启动相机204的帧速率的改变，但是应该理解，触发振幅也可以用于启动其他事件。
在如图6所示的实施例中，系统200包括相机204、被测样本212、麦克风220和控制模块222。控制模块222与相机204和麦克风220电子通信。类似于如图1所示的实施例，负载238通过夹具214被施加在被测样本212上，其中负载238导致被测样本212在材料断裂之前经历变形。
相机204捕捉被测样本212的图像。具体地，相机204以第一帧速率和第二帧速率捕捉图像，其中第一帧速率小于第二帧速率。应该理解，在系统200确定触发振幅已经出现之前，相机204以第一帧速率捕捉图像。由于相机204捕捉的图像不是非常重要的，所以第一帧速率可能比第二帧速率慢得多。一旦控制模块222确定触发振幅已经出现，控制模块222就指示相机204以第二帧速率捕捉图像。第二帧速率大于第一帧速率，因为紧接在被测样本212发出声发射之后捕捉的图像是最令人感兴趣的。一旦声发射出现时以更快的帧速率收集图像会导致由控制模块222收集、处理和存储的图像减少。
继续参考图6，控制模块222监控以第一帧速率捕捉图像的相机204。控制模块222还监控麦克风220产生的电信号40(见图2)的触发振幅。在测试期间，控制模块222确定麦克风220产生的电信号40指示触发振幅已经出现。响应于确定触发振幅已经出现，控制模块222指示相机204以第二帧速率捕捉被测样本212的图像。
在一个非限制性示例中，第一帧速率为约五帧每秒(fps)，并且第二帧速率为约五十fps。在此示例中，相机捕捉图像的整个时间长度是大约五十四秒，并且一旦检测到触发振幅，相机204在测试开始大约五十秒后被指示切换到第二帧速率。因此，相机204仅在测试的最后四秒期间以第二帧速率捕捉图像。如果第二帧速率用于整个时间长度，则控制模块222将收集2700个图像。然而，由于相机204在测试开始五十秒时切换到第二帧速率50，所以仅收集了450个图像。因此，在本示例中，指示相机204切换到第二帧速率导致由控制模块222收集、处理和存储的图像减少约百分之八十三。相应地，所公开的系统200提供了一种用于减少由控制模块222存储和处理的图像数据的量的方法。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在处于本公开的范围内。这种变化不应被视为背离了本公开的方案和范围。

Claims (10)

1.一种用于确定指示被测样本中材料断裂前兆的触发振幅的系统，所述系统包括：
麦克风，其将由所述被测样本发出的声发射转换成电信号，其中负载被施加在所述被测样本上，并且当所述负载导致所述被测样本在所述材料断裂之前经历变形时，所述声发射被发出；
与所述麦克风电通信的控制模块，其中所述控制模块执行指令以：
监控所述麦克风产生的所述电信号；
对所述麦克风产生的所述电信号进行滤波，以允许感兴趣范围内的频率并且衰减所述感兴趣范围之外的频率；
基于快速傅立叶变换(FFT)将所述麦克风产生的所述电信号转换成各个频率分量，其中所述各个频率分量各自包括表示可听见声音的峰值强度；以及
基于所述FFT的所述各个频率分量的所述峰值强度来确定所述触发振幅。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述FFT的各个频率分量限定振幅轨迹。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制模块通过以下方式确定所述触发振幅：
使用核密度估计(KDE)函数分析所述振幅轨迹，其中，所述KDE函数创建所述振幅轨迹的平滑化估计，并且其中，所述振幅轨迹的平滑化估计包括多个峰值，每个峰值表示峰值振幅在所述FFT中出现的次数。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制模块通过以下方式确定所述触发振幅：
识别所述振幅轨迹的平滑化估计的最高峰值，其中所述最高峰值表示在所述FFT中最频繁出现的峰值振幅。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述最高峰值表示由背景噪声产生的可听见声音。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制模块通过以下方式确定所述触发振幅：
识别所述振幅轨迹的平滑化估计的第二最高峰值，其中所述第二最高峰值表示在所述最高峰值之后在所述FFT中最频繁出现的峰值振幅。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二最高峰值表示所述被测样本在所述材料断裂之前经历变形时发出的声发射。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制模块通过以下方式确定所述触发振幅：
在所述最高峰值与所述第二最高峰值之间确定谷值；以及
选择与所述谷值相对应的振幅值作为所述触发振幅。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感兴趣范围之外的频率表示背景噪声。
10.一种用于确定触发振幅的方法，所述触发振幅指示被测样本中材料断裂的前兆，所述方法包括：
通过麦克风将所述被测样本发出的声发射转换成电信号，其中负载被施加在所述被测样本上，并且当所述负载导致所述被测样本在所述材料断裂之前经历变形时，所述声发射被发出；
控制模块监控麦克风产生的电信号；
对所述麦克风产生的电信号进行滤波，以允许感兴趣范围内的频率，并且衰减所述感兴趣范围之外的频率；
基于快速傅立叶变换(FFT)将所述麦克风产生的所述电信号转换成各个频率分量，其中所述各个频率分量各自包括表示可听见声音的峰值强度；以及
基于所述FFT的所述各个频率分量的峰值强度来确定所述触发振幅。
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