（化学工程专业论文）敲击法检测石墨电极质量中特征量选择研究.pdf

大连理工人学专业学位硕十学位论文 摘要 石墨电极是电炉炼钢或其他电冶金行业的重要导电材料，随着电炉炼钢和其他电冶 金行业的发展，石墨电极生产已经成为国民经济中不可缺少的部门之一。由于电炉炼钢 工业的技术发展很快，高功率、超高功率电炉和直流电炉的不断普及，对石墨电极的规 格和质量要求越来越高。 石墨电极生产具有工序多、周期长的特点，在各生产工序都要严格按生产技术规程 和生产检查规程，岗位操作规程检查。在工序检查中除对石墨电极取样进行理化指标分 析外，还要对石墨电极的内部结构进行检查，如果内部结构有缺陷的石墨电极半成品在 工序检查过程中未被发现，进入下一道工序，则产生废品的可能性会大大增加，造成成 品率的降低和生产成本的极大浪费。在压型、焙烧、石墨化工序检查人员通常使用小锤 对石墨电极半成品进行敲打，根据声音判断电极有无内部结构缺陷，例如内分、空头等， 主要由经长期工作的检查人员凭经验来判断产品好坏，这实际上就是一种非正规敲击法 无损检测。这种检测方法对检查人员的经验、能力、工作态度、操作稳定性等具有较强 的依赖性，并且到目前为止无正规的行业和企业标准进行规范，主要依靠检查人员的个 体行为进行判断，存在一定比例的误判，导致一定数量的不合格品进入到下工序，直接 影响产品的成品率和性能指标，给下游炼钢工业也会带来较大损失。 本论文将通过大量样本实验和生产实践中样本积累，研究敲击声特性与石墨电极质 量之间的关联性，对石墨电极的敲击信号进行小波分析，将小波特征作为神经网络输入 进行模式识别，寻找对电极质量特性最敏感的特征量集合，构成智能专家系统并设备化。 大幅度缩短检查人员的培训周期，且对操作者的经验和操作稳定性依赖小，为最终形成 敲击法石墨电极质量检测专家系统奠定基础。 关键词：石墨电极；敲击法检测；特征量选择 敲击法检测石墨电极质量中特征量选择研究 i nr a pl a we x a m i n a t i o ng r a p h i t ee l e c t r o d eq u a l i t y c h o i c er e s e a r c h a b s tr a e t c h a r a c t e r i s t i c q u a n t i t y t h eg r a p h i t ee l e c t r o d ei st h ee c t r i cs t e e l m a k i n go ro t h e re l e c t r o m e t a l l u r g yp r o f e s s i o n i m p o r t a n tc o n d u c t i n gm a t e r i a l ，a l o n gw i t ht h ee c t r i cs t e e l m a k i n ga n do t h e re l e c t r o m e t a l l u r g y p r o f e s s i o n sd e v e l o p m e n t ，t h eg r a p h i t ee l e c t r o d ep r o d u c t i o na l r e a d yb e c a m ei nt h en a t i o n a l e c o n o m y o n eo fe s s e n t i a l d e p a r t m e n t s b e c a u s et h ee c t r i cs t e e l m a k i n gi n d u s t r y s t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ti sv e r yq u i c k ，t h eh i g hp o w e r ，t h es u p e r e l e v a t i o np o w e re l e c t r i c s t o v ea n dt h ed i r e c t 。c u r r e n te l e c t r i cs t o v e su n c e a s i n gp o p u l a r i z a t i o n ，i sg e t t i n gh i g h e ra n d h i g h e rt og r a p h i t ee l e c t r o d e ss p e c i f i c a t i o na n dt h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t t l l eg r a p h i t ee l e c t r o d ep r o d u c t i o nh a st h ew o r k i n gp r o c e d u r et ob em a n y ，t h ec y c l i c a l l o n gc h a r a c t e r i s t i c ，i ne a c hp r o d u c t i o nw o r k i n gp r o c e d u r em u s ts t r i c t l ya c c o r d i n gt ot h e p r o d u c t i o nt e c h n i c a ls c h e d u l ea n dt h ep r o d u c t i o ni n s p e c t i o nr e g u l a t i o n s ，t h ep o s tw o r k i n g i n s t r u c t i o ni n s p e c t i o n b e s i d e st a k e sas a m p l ei nt h ew o r k i n gp r o c e d u r ei n s p e c t i o nt ot h e g r a p h i t ee l e c t r o d et oc a r r yo nt h ep h y s i c sa n dc h e m i s t r yt a r g e ta n a l y s i s ，b u tm u s tc a l t yo nt h e i n s p e c t i o nt og r a p h i t ee l e c t r o d e si n t e r n a ls t r u c t u r e ，i ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eh a st h ef l a w g r a p h i t i z e de l e c t r o d eh a l f - f i n i s h e dp r o d u c tn o tt od i s c o v e ri nt h ew o r k i n gp r o c e d u r e i n s p e c t i o np r o c e s s ，e n t e r st h en e x tw o r k i n gp r o c e d u r e ，w i l lt h e nh a v et h ew a s t ep r o d u c t p o s s i b i l i t yt oi n c r e a s eg r e a t l y ，w i l lc r e a t et h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t sr e d u c t i o nw i t ht h e p r o d u c t i o nc o s te n o r m o u sw a s t e i nt h ep r o f i l i n g ，t h er o a s t i n g ，t h eg r a p h i t i z e dw o r k i n g p r o c e d u r ei n s p e c t o r su s u a l l yu s et h el i t t l eh a m m e rt oc a r r yo nf o rt h eg r a p h i t ee l e c t r o d e h a l f - f i n i s h e dp r o d u c ts t r i k e ，a c c o r d i n gt os o u n dj u d g m e n te l e c t r o d ew h e t h e rt h e r ei si n t e r n a l s t r u c t u r ef l a w ，f o re x a m p l ei nm i n u t e ，s p a t i a lp r i m e ，m a i n l yb yt h ei n s p e c t o r sw h o p a s s e s t h r o u g ht h el o n gl a s t i n gw o r kd e p e n d i n go nt h ee x p e r i e n c ej u d g e st h ep r o d u c tq u a l i t y ，t h i si n f a c ti so n ek i n do f n o n - r e g u l a rr a pl a wn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n t h i se x a m i n a t i o nm e t h o d t oi n s p e c t o r s e x p e r i e n c e ，a b i l i t y ，t h ew o r k ，t h eo p e r a t i o ns t a b l ea n ds oo nh a st h es t r o n g d e p e n d e n c e ，a n ds of a rn o tr e g u l a rp r o f e s s i o na n dt h ee n t e r p r i s es t a n d a r dc a r r yo nt h e s t a n d a r d ，m a i n l yd e p e n d su p o ni n s p e c t o r s i n d i v i d u a lb e h a v i o rt oc a r r yo nt h ej u d g m e n t ，t h e e x i s t e n c ec e r t a i np r o p o r t i o nm i s c a r r i a g eo fj u s t i c e ，c a u s e st h ec e r t a i na m o u n tt h ed e f e c t i v e w o r k st oe n t e rt ou n d e rw o r k i n gp r o c e d u r e ，t h ei m m e d i a t ei n f l u e n c ep r o d u c t sr a t eo ff i n i s h e d p r o d u c t sa n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e x ，w i l la l s ob r i n gf o rt h ed o w n s t r e a ms t e e l m a k i n gi n d u s t r y l o s eg r e a t l y 一i i 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 t h e p r e s e n tp a p e rt h es a m p l ew i l la c c u m u l a t et h r o u g hi nt h em a s s i v es a m p l ee x p e r i m e n t a n dt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ，t h er e s e a r c hk n o c k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n db e t w e e nt h eg r a p h i t e e l e c t r o d eq u a l i t y sr e l a t e d n e s s ，w i l lc a l t yo nt h ew a v e l e ta n a l y s i st og r a p h i t ee l e c t r o d e sr a p s i g n a l ，w i l lc a r r yo nt h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nt h ew a v e l e tc h a r a c t e r i s t i ca st h en e u r a ln e t w o r k i n p u t ，w i l ls e e kt ot h ee l e c t r o d eq u a l i t yc o e f f i c i e n tm o s ts e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t ys e t t h ec o n s t i t u t i o ni n t e l l i g e n c e e x p e r ts y s t e ma n dt h ee q u i p m e n t l a r g es c a l er e d u c t i o n i n s p e c t o r s t r a i n i n gc y c l e ，a n di ss m a l lt oo p e r a t o r se x p e r i e n c ea n dt h eo p e r a t i o ns t a b i l i t y d e p e n d e n c e ，t of o r mt h er a pl a wg r a p h i t ee l e c t r o d eq u a l i t yd e t e c t i o ne x p e r ts y s t e mt ol a yt h e f o u n d a t i o nf i n a l l y k e yw o r d s ：g r a p h i t ee l e c t r o d e ；r a pl a we x a m i n a t i o n ；c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yc h o i c e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：敛童法捡塑互墨鱼拯厦量生挂征量垫捶塑窒 作者签名：丝叠：) 日期： 兰! s年垒月土日 人近理i ：人学冬, i k 。、f 节硕t ：学化论义 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：越童洼拴塑歪墨电拯厦量史挂征量选搔盟壅 作者签名：复龟芑瞳! ) 日期：逊 年二l 月鱼一日 导师签名：母焦l 日期：! 乒年月互日 人连理工大学专业学位硕十学位论文 1绪论 现国内广大炭素企业在石墨电极生产过程中的压型、焙烧、石墨化工序质量检查一 直使用小锤对石墨电极半成品进行敲打，根据声音判断石墨电极有无内部结构缺陷，主 要由检查人员凭经验来判断产品好坏。 石墨电极是电弧炼钢设备的重要导电材料，如果石墨电极内部存在缺陷，就有可能 在冶炼过程中发生断裂，致使整炉钢水报废，因此石墨电极的质量对下游产业钥铁 工业具有重要影响。 本论文是中钢集团吉林炭素股份有限公司和东北师范大学物理学院合作课题“石墨 电极敲击法无损检测神经网络专家系统研制”的内容之一。作者在该课题中主要负责样 品信号采集、特征量提取与选择及敲击方式设计等工作。 1 1研究内容和意义 对石墨电极的敲击信号进行小波分析，将小波特征作为神经网络输入进行模式识 别，构成智能专家系统并设备化。形成的设备操作方便，大幅度缩短检查人员的培训周 期，且对操作者的经验和操作稳定性依赖小，系统还可以为自控生产线提供触发信号， 并可为其他行业敲击法无损检测提供专家平台。 1 2 石墨电极 石墨电极是采用石油焦、沥青焦为骨料、煤沥青为粘结剂，经过原料煅烧、破碎磨 粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工等一系列工艺过程生产出来的 一种耐高温耐腐蚀的导电材料，也称为人造石墨电极( 以区别于使用天然石墨为原料生 产的天然石墨电极) ，一般简称“石墨电极 。石墨电极的问世，加速了电冶金工业的 发展，电弧炉炼钢、矿热电炉生产铁合金、工业硅、黄磷、刚玉，熔盐电解槽生产金属 镁、金属钠，溶液电解槽生产氢氧化钠，都需要使用大量的石墨电极，因此石墨电极已 成为发展电冶炼工业中不可缺少的导电材料。 石墨电极总产量的7 0 左右用于电炉炼钢，因此电弧炼钢技术的发展( 电炉的大型 化、单位炉容量电功率的提高和直流电弧炉的使用) 不断对石墨电极的品种、质量提出 新的要求，也推动了石墨电极生产技术和工艺装备的不断改进。图l l 为电弧炉用石墨 电极。 融m 法检测0j 墨电极质量中特征量选抒研究 图l 一1 电弧炉用石墨电极 f i g u r e i - 1 t h ea r c f u r n a c eu s e s t h e g r a p h i t ee l e c t r o d e 1 3 电弧炉与导电材料 电弧足两电极端头问的气体放电现象，利用电弧的热效应熔炼金属或其它物料的电 炉称为电弧炉，电弧炉能量集中，可以达到很高的温度( 摄氏数千度) ，电弧产生热量 可以看作是弧阻产生热量，由于弧阻值比较小，为了得到需要的热量，必须通过相当太 的工作电流，工作电压不高但工作电流很大是电弧炉的特点。在数千度的温度f ，只有 炭质或石墨质村料能作为电弧炉的导电材料，因为炭质或石墨质材料不仅电阻率比较 低，而且在3 0 0 0 。c 的温度下仍能维持较高的机械强度不软化，也不熔化，只是在石墨材 料表面碳直接升华为气态。 电弧炉有直接加热电弧炉和口j 接加热电弧炉两种类型，直接加热电弧炉为电孤在电 极与物料2 问产隹，直接加热物料，炼钢用三相电弧炉是虽常用的直接加热电弧炉。间 接加热电弧炉为电弧在两电极之问产生，不接触物料，靠热辐射加热物料，这种炉子噪 声大，效率低，渐被淘汰。近代电弧炼钢炉主要使用石墨电极为导电材料。现代炼钢所 用的三相交流电弧炉( 图1 - 2 ) ，是按照法国人埃鲁于1 8 8 8 - - 1 8 9 2 研制成功的直接加热 电弧炉的原理制造的，电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，三根炭电 极或石墨电极按等边二角形布置穿过炉盖上的电极孔插入炉膛，并由台炉用变压器通 过电缆、电极把持器向电极供电，使电极末端与金属炉料之间产生电弧，将电能转化为 加热炉膛和熔化钢水所需的热能。电弧炼钢炉生产灵活性大，炉内气氛可进行调节，对 熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。图1 - 2 为三相交流电弧炉炼钢示意圈。 大连理l 。大学专业学位硕士学位论文 图i 2 三相交流电弧炼钢炉示意图 f i g u r el - 2 t h r e ec r o s ss ”e a me l e c t r i ca r cs t e e l - s m e l t i n g f u r n a c es c h e m a t i cd r a w i n g 1 炉门：2 一墨电极：3 出钢口；4 - 熔池；5 - 倾炉摇架；6 - 倾炉川液压缸 f i r ed o o r s ；2 - g r a d h i r ee l e c t r o d e s ；3 t a ph o l e s ；4 - m o l t e nb a t h s ；5 一l e a n t h es t o v ec r a d l e ；6 一l e a n t h e s t o v e t ou s e t h e h y d r a u l i cc y l i n d e r 4 石墨电极的品种 141三种不同功率炼钢电炉使用的石墨电极 2 0 世纪8 0 年代初期国外把电弧炉炼钢按每吨炉容的变压器容量人小分为3 类：普 通功率电炉( r p 炉) 、高功率电炉( h p 炉) 和超高功率电炉( u h p 炉) 。2 0 t 以上的 普通功率电炉每吨炉容的变压器一般为3 0 0 k v a 左右，高功率电炉为4 0 0 k v a 左右。 4 0 t 以下的电炉每吨炉容的变压器容量达到5 0 0 6 0 0 k va 、5 0 8 0 t 的电炉达到4 0 0 5 0 0 k v a ，1 0 0 t 以上的电炉达到3 5 0 4 5 0 k v a ，称之为超高功率电炉。到了2 0 世纪8 0 年代中期，国外经济发达国家大量淘汰5 0 t 以下的中小型普通功率电炉，新建的电炉多 数是8 0 1 5 0 t 的高功率或超高功率大电炉，每吨炉容的变压器容量提高到8 0 0 k v a 8 0 年代后期一部分超高功率电炉又进一步提高到1 0 0 0 - - 1 2 0 0 k v a 。根据电弧炼钢功率 水平的分绒，使用的石墨电极也相应分为3 个品种：即普通功率石墨电极( 代号为r p 级) 、高功率石墨电极( 代号为h p 级) 、超高功率石墨电极( 代号为u h p 级) 。高功 率和超高功率电炉使用的石墨电极通过的电流密度明显增大，结果产生下列问题； 因电阻热和灼热气流导致电极温度升高，使得电极及接头的线膨胀量都增加了， 同时电极的氧化消耗也提高了。 敲击法检测孑隰电极质量中特征量选择研究 电极中心部位和电极外圆的温度差增大了，由温度差引起的热应力也相应提高， 电极容易产生裂纹和表面剥落。 电炉功率提高后导致电磁作用力增加，引起剧烈的振动，在剧烈振动下，电极 折断的几率上升了。 因此高功率和超高功率石墨电极的物理化学性能必须优于普通功率石墨电极，如电 阻率较低，体积密度较大及机械强度较高，线膨胀系数要小，抗氧化性能和抗热震性能 优良，才能适应高功率和超高功率电炉的使用要求。 1 4 2 石墨电极的物理化学性能指标 石墨电极质量的优劣主要取决于原料性能、生产装备和工艺技术三个方面。其中原 料性能是基本条件。普通功率石墨电极，采用普通级别的石油焦生产，石墨化温度低， 所以其物理化学性能也较差，如电阻率高、线膨胀系数大、抗热震性能差、允许通过的 电流密度较少。高功率石墨电极采用优质石油焦( 或低级别的针状焦) 生产，其物理化 学性能比普通功率石墨电极要好一些，如电阻率低，允许通过较大的电流密度。而超高 功率石墨电极使用高级别的针状焦生产，石墨化温度高达2 8 0 0 - 3 0 0 0 ，因此电阻率 更低，允许通过更大的电流密度，线膨胀系数更小，具有优良的抗热震性能。普通功率 石墨电极及高功率、超高功率石墨电极的物理化学性能见表1 - 1 。石墨电极在炼钢炉上 使用时将2 - 一，3 根电极垂直连接起来，通过炉盖上的电极孔插入炉膛，炉盖上方的电极 通过电极把持器、导电母线与变压器相连。上下两根电极的连接方式和接头形状、连接 状态是否j 下常，对电炉操作和电极消耗有重要影响。高功率和超高功率石墨电极连接用 的接头质量特别重要，接头坯料的电阻率及热膨胀系数必须和电极本体保持一定的差 值，为了加强电极连接的可靠性，接头上应配有接头拴，圆锥形接头连接如图卜3 所示。 表卜1三种不同功率电炉使用的石墨电极的物理化学性能指标 t a b l e1 1t h r e ek i n do fd i f f e r e n tp o w e re l e c t r i cs t o v e su s eg r a p h i t ee l e c t r o d e sp h y s i c a l c h e m i s t r yp e r f o r m a n c ei n d e x 抗拉强度电极 6 0 8 o 23 图卜3 圆锥形接头连接 f i g u r e1 - 3c o n ea r t i c u l a t e 1 石墨电极；2 一接头：3 石墨电极 1 g r a p h i t ee l e c t r o d e s ；2 a t t a c h m e n t s ；3 g r a p h i t ee l e c t r o d e s 1 5 石墨电极的生产特点和工艺流程 石墨电极生产有以下特点： 生产工序多，生产周期长，普通功率石墨电极的生产周期为4 5 天左右，超高功 率石墨电极的生产周期需7 5 天以上，而需要多次浸渍的接头生产周期更长。 能源消耗较高，1 吨普通功率石墨电极需要消耗电力6 0 0 0 k w h 左右，冶金焦粒及 冶金焦粉约1 吨和一定量的煤气、天然气或其他燃料。 一5 敲击法检测石墨电极质晕中特征鼍选择研究 生产石墨电极工序多，需要许多专用机械设备和特殊的窑炉，建设投资较大、 投资回收期较长。 石墨电极生产过程产生一定数量的粉尘和有害气体，因此需要采取完善的通风 收尘及消除有害气体的环境保护措施。 发展高功率和超高功率石墨电极生产必须有优质的原料，主要是针状焦和改质 沥青( 粘结剂) 及优质浸渍剂，因此需要炼油厂及焦化厂的协作和配合。 石墨电极的生产工艺流程图如图1 - 4 所示，生产主要有以下生产工序： 煅烧石油焦或沥青焦都需要进行煅烧，煅烧温度应达到1 3 0 0 。c 以上，充分除 去原料中挥发分，提高焦炭的真密度、机械强度和导电性。 破碎、筛分及配料将煅烧过的原料破碎及筛分成指定尺寸的骨料颗粒，一部 分焦炭磨成细粉，按照配方称量后集聚组成各种颗粒的于混合料。 混捏在加热状态下定量的各种颗粒的干混合料与定量的粘结剂混合、搅拌成 可塑性糊料。 成型在外部压力作用下( 模压成型或挤压成型) 或振动作用下( 振动成型) 将糊料压制成具有一定形状及较高密度的生电极( 生坯) 。 机械加工 0 成品检验、包装 图卜4 石墨电极生产工艺流稃图 f i g u r e1 - 4g r a p h i t ee l e c t r o d et e c h n i q u eo fp r o d u c t i o nf l o wc h a r t 人连理工大学专业学位硕士学位论文 焙烧将生电极置于专门设计的高温炉中，用填充料( 焦粉或河砂) 覆盖，逐 步加热到8 5 0 - 1 0 0 0 。c ( 产品实际受热温度) ，使粘结剂炭化，从而获得焙烧半成品。 浸渍为了提高产品的密度和机械强度，将焙烧半成品装入高压釜内，将液体 浸渍剂压入焙烧半成品的孔隙中，浸渍后应进行再次焙烧，为了得到高密度及高强度的 产品，浸渍及再次焙烧需反复进行2 3 次。 石墨化将焙烧半成品装入石墨化炉内( 需用保温料覆盖) ，用直接通电产生 高温的加热方法，使焙烧半成品转化为石墨晶质结构，从而获得人造石墨电极必须具有 的物理化学性能。 机械加工按照使用要求，对石墨化后的半成品进行表面车削、平端面及连接 用母螺丝的加工，另外再加工用于连接的接头( 外表车制公螺纹) 。 成品检验后经适当包装发给用户。 1 6 石墨电极的质量检查 生产中工序质量检查是长周期大生产中炭素制品生产保证和提高产品质量的重要 环节，也是发现问题，不断地提高生产技术水平的重要途径之一。煅烧、筛分、配料、 混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、加工等石墨电极生产工序的工序检查，要严格按生 产技术规程和生产检查规程，岗位操作规程检查。在工序检查中除对石墨电极取样进行 理化指标分析外，还要对石墨电极的内部结构进行检查，如果内部结构有缺陷的石墨电 极半成品在工序检查过程中未被发现，进入下一道工序，则产生废品的可能性会大大增 加，造成成品率的降低和生产成本的极大浪费。在压型、焙烧、石墨化工序检查人员通 常使用小锤对石墨电极半成品进行敲打，根据声音判断电极有无内部结构缺陷，例如内 分、空头等，主要由经长期工作的检查人员凭经验来判断产品好坏，这实际上就是一种 非正规敲击法无损检测。这种检测方法对检查人员的经验、能力、工作态度、操作稳定 性等具有较强的依赖性，并且到目前为止无正规的行业和企业标准进行规范，主要依靠 检查人员的个体行为进行判断，存在一定比例的误判，导致一定数量的不合格品进入到 下工序，直接影响产品的成品率和性能指标，给下游炼钢工业也会带来较大损失。 1 7 敲击法无损检测及国内外现状 无损检测n d t 、n d e ( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g & n o nd e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) ， 又称非破坏性检测，是利用材料的不同物理力学或化学性质在不破坏目标物体内部及外 观结构与特性的前提下，对目标物体相关特性( 如形状、位移、应力、光学特性、流体 性质、力学性质等) 进行测试与检验，尤其是对各种缺陷的测量。无损检测的最大特点 敲击法检测彳i 墨电极质量中特征量选择研究 是既不破坏材料的原有特性，而且能在短时间内获得期望的结果，以便操作人员迅速作 出判断，有利于连续生产和提高生产效率，还有利于作出正确的决策。 通常而言的无损检测技术，指射线检测( r t ) 、超声检测( u t ) 等等。由于炭 素产品对超声波衰减很大，无法使用超声探伤。射线检测设备昂贵，对于多台、多处检 测的实际需求而言，其经济成本企业根本无法接受。当前的石墨电极检测方法，是由经 长期培训的检测人员通过敲击工件来进行的。敲击法是古老而简单的无损检测方法，至 今仍然沿用。但它对操作者的经验和操作稳定性依赖过大，以前的技术环境使其不便仪 器化，做不出精确的判断，因而不被视为正规的无损检测技术。 上个世纪九十年代以来，关于敲击法检测的研究文献多见报道，但大多数停留在理 论研究和仿真试验阶段，用于生产实践的非常少，炭素产品检测中的应用迄今未见报道。 使用硬币、木棒、尼龙棒或专用的带弹性手柄的木槌，轻轻叩击待测工件，在工件上有 缺陷与无缺陷区域的回声将因自然频率不同而有差异，从而可以辨别缺陷的存在。这种 方法有点类似我们日常生活中用拍击法挑选西瓜、用敲击法挑选瓷器等。这种方法虽然 简便易行，但在很大程度上依赖检测人员的经验，另外在检测薄面板的大型构件时，掌 握不好就容易在工件表面产生小凹坑而影响工件的美观甚至影响构件的性能。这种方法 多用作其他无损检测方法的补充手段或粗略检查( 例如铁路车辆的车轴、弹簧等在行车 途中的检查) 。 目前已能制成自动轻击锤，将协调的冲击传送到被检物表面，从锤头上的力传感器 记录冲击本身产生的力。由于冲击力一时间特性依赖于被检物垂直于其表面的局部刚性 ( 主要指层压结构、胶接结构与复合材料等) ，在有缺陷( 如未粘合或脱粘) 处的局部 刚性减弱，则冲击持续时间增加，力的最高峰值减小，分析这些冲击参数即可大范围地 探查被检物中的缺陷。在混凝土构件的质量检查中常用的超声回弹仪实质上利用的就是 声冲击法，现代技术的混凝土超声回弹仪已经能够通过数字化处理和计算机软件分析来 判断混凝土构件的强度。 以往敲击法检测研究具有以下不足： 一是采用的分析算法陈旧，绝大多数只是运用傅立叶分析，而各种检测对象情况错 综复杂，其敏感特征不一定就是傅立叶特征； 二是对问题过于抽象化，仿真系统处理数据的泛化能力低，不能应用于实践； 三是对问题过于理想化，仿真系统几乎不考虑抗干扰问题，无法适应实际生产环境： 四是实时性不能满足生产实际的要求； 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 五是数据处理结果，需要专业人员人工判读，没有形成专家系统，运用这种分析设 备对产品进行敲击法检测只是将听觉信号转换为其它诸如曲线、数据等专业信息，检 测人员仍需长期的甚至更加专业的技术培训，对于大多数实际生产过程而言，无异于 画蛇添足。 9 0 年代初，东北师范大学王双维等人，根据不足一分钟的商业录像( 法国) 研制了 基于5 1 单片机的“汽车闸瓦粘接质量冲击测试仪”，效果理想，填补了国内空白。汽 车闸瓦粘接质量测试问题简单，只有一个固定的粘接面，且测量环境较理想，实时性要 求低。所以，该技术不能直接用于本课题，但可以作为本课题研究的前期基础。 随着人类科学技术的发展，许多新的信号处理方法应运而生，计算机( 包括单片 机) 硬件系统日新月异。因此，现代技术环境使许多以往不能实现的技术成为可能，敲 击法也面临着进入无损检测正规行列的时代。 敲击法检测石墨电极质量中特征龟选择研究 2 基本原理 2 1 模式识别 运用计算机为核心的敲击法炭素电极质量检测专家系统，从其原理角度属于模式识 别问题。 模式识别诞生于2 0 世纪2 0 年代，随着4 0 年代计算机的出现和5 0 年代人工智能技 术的兴起，在6 0 年代，模式识别迅速发展成为一门新的学科。模式识别所研究的理论 和方法在很多科学和技术领域中受到广泛重视，推动了人工智能系统的发展，拓展了计 算机的应用领域。近十几年来，模式识别研究取得了重要成果，在很多领域得到成功应 用。 我们在生活中时时刻刻都在进行模式识别。环顾四周，我们认出周围的物体是桌子、 椅子，能认出对面的张三、李四；听到声音我们能区分出是汽车驶过还是玻璃破碎，是 猫叫还是人语，是谁在说话，说的什么内容；闻到气味，我们能知道是炸带鱼还是臭豆 腐。敲击工件，有经验的人员可以分辨出工件是否有损伤甚至能够确定损伤位置。我们 所具备的这些模式识别的能力看起来极为平常，谁也不会对此感到惊讶。因此过去心理 学家也没有注意到模式识别的能力是个值得研究的问题，就像苹果落地一样见怪不惊。 只有在计算机出现后，当人民企图用计算机来实现人或物所具备的模式识别的能力时， 它的难度才逐渐为人们所认识。专业术语中的“模式识别 是指用计算机实现人的模式 识别能力。 什么是模式? 广义地说，模式就是存在于空间和时间内的可观察的客观事物，如果 我们可以区别它们是否相同或者相似，都可以称之为模式。但模式所指的并不是事物本 身，而是从事物获得的信息。因此，从这个意义上说，模式是通过对具体的客观事物进 行观测所获得的具有时间或空间分布的信息。信息进入计算机之前通常要经过取样和量 化，在计算机中具有时空分布的信息表现为数组即向量。数组中元素的序号可以对应时 间与空间，也可以对应其它的标识。例如，医生根据各项化验指标判断疾病种类的模式 识别过程中，各种化验项目并不对应实际的时间与空间。因此，对于上面所说的时间与 空间应做更广义的理解。人们为了掌握客观事物，按事物相似的程度组成类别。模式识 别的作用和目的就在于面对某一具体事物时将其正确地归入某一类别。通常把模式所属 的类别或同一类别模式的总体成为模式类。另外，在某种习惯上，也有人称模式类为模 式，而将个别具体的模式成为样本。在论文中，采用后一种表述方法，对模式进行识别 就是采用某种具体的技术方法和实现手段，将具体时间或空间分布的信息正确地归入某 人连理工人学专业学位硕十学位论文 一类别中。模式识别的概念还可以通过把特征空间加以划分( 或者从特征空间到决策空 间的映射) 来说明。在此，特征空问是指所有模式所在的空问，这时构成每个模式的定 量的或结构的描述称为模式的特征。假定从每个模式中测得n 个特征，这n 个特征构成 一个输入向量，称为特征向量，它是n 维特征空间( n 维坐标系) 中或输入模式空间( n 维坐标系) 中的一个点，模式识别就是把特征空间或输入样本空间的每个可能的点指定 到一个适当的模式类中，这也可以理解为把特征空间划分成一些互不相交的区域，而每 个子区域将与一特定的模式类相对应。如果我们将上述的n 维特征空间看作是全体输入 样本的集合，而所有模式类构成一个相应的类别空间，则模式识别的任务就是从输入样 本空间到类别空间的映射。 基本的模式识别系统主要由数据获取，预处理，特征参数集合的选择和提取，分类 决策几部分组成，如图2 一l 所示。 图2 1 模式识别过程 f i g u r e 2 1p a t t e r nr e c o g n i t i o np r o c e s s 在模式识别系统中，最关键的问题就是特征量的选择和提取。一般的，特征量的选 择和提取过程是，根据被识别对象产生出一组基本特征，它可以是计算出来的，也可以 是用仪表或传感器测量出来的，这样产生出来的特征叫做原始特征或叫做测量量。测量 量的数量可能很大，或者说样本是处于高维空间中，不便用于模式识别。通过映射( 或 变换) 的方法可以用低维空间来表示样本，这个过程叫特征提取。映射后的特征叫做二 次特征，它是原始特征的某种组合。所谓特征提取在广义上就是指一种变换。若y 是测 量空间，x 是特征空间，则变换a ：y x 就叫做特征提取器。特征量的选择就是从一组 特征中挑选出一些最有效的特征已达到降低特征空间维数的目的。 2 2 敲击响应 根据信号与系统理论，不同系统对同一输入信号的反应是不同的。专业上，把输入 信号称为对系统的激励，简称“激励”，把系统对激励的反应( 输出信号) 称为该系统 对这个激励的“响应 ，简称“响应”。由于不同系统的特性决定了对同一激励的不同 响应，因此，常用系统的响应来表征( 描述) 系统的性质甚至结构。为了对系统描述的 一致性，用来作为“激励”的信号必须统一，称为“标准激励 。这样，系统特性的一 种表述就是：“系统对标准激励的响应 。例如，用玻璃对白光的透射( 响应) 来表征 敲击法检测彳i 墨电极质量中特征晕选择研究 玻璃的颜色特性，从而有红玻璃、蓝玻璃、透明玻璃等。标准激励最常用的信号是冲击 信号和白噪声信号。之所以将它们作为标准激励，是因为它们在频域上属于广谱信号， 理论上，这两种信号所含的频率成分从零到无限大连续且均匀分布。冲击信号各频率成 份之间的相位差为零，白噪声信号各频率成份之间的相位差是随机的。系统对冲击信号 的响应又称为系统的“冲击响应”。敲击信号就是实际中比较理想的冲击激励，它在音 频范围内满足广谱条件是没有问题的。 同一个物理结构可能对应不同的系统。例如：同一电路网络，由于信号的输入端和 输出端不同，所对应的系统也不同。在本论文的问题中，同一工件不同的敲击点以及接 受信号传感器处于不同位置时都对应着不同的系统。 已知系统性质，可以分析出系统对各种激励的响应，称之为系统分析的正问题；也 可以通过已知激励及其响应，反推系统的性质，称之谓系统分析的逆问题。这时采用的 激励最好是广谱的，以防止分析片面。系统逆问题的分析方法主要有解析法、类比法( 实 践中常采用自适应技术) 等等。有时，只是对大量系统进行分类，并不关心系统的具体 性质，这种逆问题便可以归为模式识别问题。 综上所述，敲击法无损检测属于系统分析的逆问题。由于敲击信号在音频范围内基 本满足冲击激励条件，所以，敲击法检测就是利用系统的冲击响应对系统进行分类。对 于同种工件，质量( 有无损伤) 决定了系统特性，进而决定了冲击响应。同一敲击点的 冲击响应，取决于敲击点附近特性( 是否为损伤区) 。因此，敲击法测试完全符合系统 分析理论，在当今科学技术环境下，相应专家系统实现的可能性比较大。 2 3 信噪分离问题 实际生产环境中含有很多声音，构成了干扰测量的背景噪声。从噪声的时域特征可 分为平稳噪声、非平稳噪声( 冲击噪声、非冲击噪声) 等；从噪声的频域特性分为窄带 噪声和宽带噪声；从噪声的传输途径可分为声音噪声( 空气传播) 和振动噪声( 固体传 播) 。 信噪分离要根据信号和噪声的特性来进行。例如对于平稳噪声可采用自适应滤波， 又如非平稳噪声可应用神经网络，也可以考虑将激励( 敲击) 周期化；采集振动信号可 以大大降低声音噪声的影响等等。具体应用那种方法去噪，也是本课题的研究内容。 2 4 小波分析 小波变换的思想来源于伸缩与平移方法。小波概念的真正出现应算于1 9 8 4 年，法国 地球物理学家m o r l e t 在进行地震数据分析时提出的。随后他与法国物理学g r o s s m a n n 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 共同进行研究，发展了连续小波变换的几何体系，这使我们能够将一个信号分解成空间 和尺度( 即时间和频率) 的形式，同时又不失原有信号所包含的信息。小波分析中正交 函数系构造方法正是基于这种思想进行的。 1 9 8 6 年j a f f a r d 、l e m a r i e 、m e y e r 与从事信号处理的m a l l a t 合作，提出了多尺度 分析的思想；另一个具有突破性的进展是1 9 8 7 年，m a l l a t 巧妙地将计算机视觉领域内 的多尺度分析的思想引入n d , 波分析中，提出了多分辨率分析的概念，统一了在此之前 提出的各种具体小波的构造方法，给出了构造正交小波基的一般方法和与f f t 相对应的 快速小波变换算法叫a l l a t 算法，并将它应用于图像的分解和重构中。1 9 8 8 年， d a u b e c h i e s 发表了长篇论文，证明了具有有限支集正交小波基的存在，并且计算出不 同长度的离散小波基，引起了广大数学家、观察学家、物理学家甚至某些企业家的重视， 由此将小波分析的理论发展于实际应用推向了一个高潮。 小波基最大的特点是具有可变的时频乘积窗口，它采用了非均匀分布的分辨率；在 信号低频段采用高的频率分辨率和低的时间分辨率，在信号高频段则采用低的频率分辨 率和高的时间分辨率。这充分体现了自适应分辨率分析的思想。