（机械工程专业论文）声发射检测技术在故障诊断中的应用研究.pdf

北京化工大学学位论文原创性声明 i m m i i i i y 2 13 8 3 6 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：盗堡日期： 关于论文使用授权的说明 矽胗r 、如 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期： 日期： 为| 、s - o x ，l v j ；0 学位论文数据集 中图分类号 t h l 6 5 3学科分类号 4 6 0 1 5 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 0 2 9 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名潘佳学号 2 0 1 0 0 1 0 0 2 9 获学位专业名称机械工程 获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 课题来源 纵向项目研究方向故障诊断 论文题目 声发射检测技术在故障诊断中的应用研究 关键词 声发射，故障诊断，主成分分析，粗糙集，神经网络 论文答辩日期 2 0 1 2 - 5 - 3 0 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位 学科专长 指导教师王华庆 教授、博导北京化工大学 故障诊断 评阅人1 何立东 研究员、博导北京化工大学 动力机械 评阅人2李国昌 高级工程师北京燕山石化 机械设备 答醉委员会主席何亚东 研究员、博导北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1李国昌 高级工程师北京燕山石化 机械设备 答辩委员2 薛平研究员、博导 北京化工大学聚合物加工 答辩委员3何立东研究员、博导 北京化工大学 动力机械 答辩委员4 颜廷俊教授北京化工大学 石油机械 答辩委员5张东胜 副教授北京化工大学 工程测试与测量 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 声发射检测技术在故障诊断中的应用研究 摘要 声发射检测技术作为近些年来发展起来的一种无损检测技术，正以其 特有的优势受到了广泛的关注。本文从不同方面研究了声发射检测技术在 故障诊断领域中的应用，主要内容如下： 对声发射及声发射技术相关理论的基本知识、概念和特点及声发射信 号的相关处理方法进行了介绍。阐述了常用声发射信号定位方法的原理， 并根据四传感器阵列平面定位原理结合m a t l a b 程序，实现了平面声发射 源定位。通过实验验证了定位程序的有效性，同时分析了影响定位精度的 因素。 研究了轴承声发射信号的不同处理与分析方法，实现了滚动轴承的故 障诊断。主要利用时域相关特征参数分析了轴承在不同状态下所产生声发 射信号的特征；通过传统傅里叶变换的方法，在频域处理与分析了轴承声 发射信号；针对小波分析在时频分析中的优势，采用小波分析对轴承声发 射信号进行分析。重点研究了基于b p 神经网络的智能诊断方法，提出了 一种基于主成分分析与粗糙集相结合的属性约简方法，并具体介绍了该方 法的实现过程，最后利用约简后的参数输入到b p 神经网络进行故障类型 识别。同时，通过对实验数据进行分析，验证了该方法能够有效提高神经 网络收敛速度和识别精度。 北京化工大学硕士学位论文 阐述了声发射技术分别在疲劳裂纹检测、压力容器检测和变压器局部 放电检测中的应用原理、特点与方法。结合实例详细介绍了声发射技术在 三种情况下的检测过程，从实际的角度证明了声发射技术在这几方面应用 的有效性。 关键词：声发射，故障诊断，主成分分析，粗糙集，神经网络 摘要 t h er e s e a r c ho ft h ea p p l i c a t i o no f a c o u s t i c e m i s s i o nt e s t i n gt e c h n o l o g yi nf a u l 月i n g d i a g n o s i s a b s t r a c t a sak i n do fn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ， a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n gt e c h n o l o g yg e t se x t e n s i v ea t t e n t i o nd u et oi t su n i q u e a d v a n t a g e s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n g t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ff a u l td i a g n o s i sf r o md i f f e r e n ta s p e c t s ，a n dt h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g e ，c o n c e p t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s r e l a t e dt oa c o u s t i ce m i s s i o n ，a c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r o c e s s i n g m e t h o d sr e l a t e dt oa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l t h ep r i n c i p l e so fl o c a l i z a t i o n m e t h o do fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lw e r ee x p o u n d e d t h el o c a l i z a t i o no f a c o u s t i ce m i s s i o ns o u r c ei np l a n ew a sr e a l i z e di nc o m b i n ew i t hm a t l a b p r o g r a m ，w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl o c a l i z a t i o nm e t h o dw i t hf o u r s e n s o r si np l a n e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h el o c a l i z a t i o np r o g r a mw a sv e r i f i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep r e c i s i o na n a l y z e da t t h es a m et i m e d i f f e r e n tp r o c e s s i n ga n da n a l y s i sm e t h o d sf o ra c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo f b e a r i n g sw e r er e s e a r c h e d ，a n dt h ef a u l td i a g n o s i so fr o l l i n gb e a r i n gw a s m 北京化工大学硕士学位论文 r e a l i z e d t h es y m p t o mp a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h et i m e d o m a i nw e r eu s e dt o a n a l y z et h ef e a t u r e so fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo fb e a r i n gi nd i f f e r e n ts t a t e s a n di tw a sp r o c e s s e da n da n a l y z e di nf r e q u e n c y d o m a i nt h r o u g ht h ef o u r i e r t r a n s f o r mm e t h o d o t h e r w i s e ，w a v e l e ta n a l y s i sa l s ow a su s e dt o a n a l y z e a c o u s t i ce m i s s i o n s i g n a l o f b e a r i n g ，b e c a u s e o fi t s a d v a n t a g e s i n t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s t h ei n t e l l i g e n c ed i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h eb p n e u r a ln e t w o r kw a se m p h a s i sr e s e a r c h e d t h i sp a p e rp r o p o s e da na t t r i b u t e r e d u c t i o nm e t h o db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h e p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i sa n dt h er o u g hs e t ，a n dt h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft h i sm e t h o dw a s i n t r o d u c e ds p e c i f i c a l l y a tl a s t ，t h ep a r a m e t e r sa f t e rr e d u c t i o nw e r ei n p u t t e dt o t h eb pn e u r a ln e t w o r ki no r d e rt or e c o g n i z et h ef a u l tt y p e a tt h es a m et i m e ， t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n td a t ac o u l ds h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ni m p r o v e t h e c o n v e r g e n c es p e e do fn e u r a ln e t w o r ka n dt h er e c o g n i t i o np r e c i s i o n e f f e c t i v e l y t h i p a p e rp o u n d e dt h ep r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s l h i s p a p e re x p o u n d e dt h ep r i n c i p l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t h o d so ft h e， a p p l i c a t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y , r e s p e c t i v e l yi nf a t i g u ec r a c k d e t e c t i o n ，p r e s s u r ev e s s e li n s p e c t i o na n dt h ep a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o no f t r a n s f o r m e r t h et e s t i n gp r o c e s s e so fa c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi nt h r e e c a s e sw e r ed e t a i l e di n t r o d u c e dc o m b i n e dw i t ht h e i n s t a n c e s ，w h i c hc o u l d v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea p p l i c a t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi n t h e s e a s p e c t s 摘要 k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ，f a u l t d i a g n o s i s ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，r o u g hs e t ，n e u r a ln e t w o r k v 北京化工大学硕士学位论文 v i 目录 目录 第一章绪论1 1 1机械故障诊断技术1 1 2 声发射与声发射技术1 1 2 1 声发射1 1 2 2 声发射检测2 1 3 课题研究背景和意义3 1 4课题来源及主要研究内容3 第二章声发射信号处理方法5 2 1经典信号处理方法5 2 1 1波形特征参数5 2 1 2 分析识别技术5 2 2高级信号处理技术6 2 2 i 模态声发射6 2 2 2 频谱分析7 2 2 3小波分析7 2 2 4模式识别7 2 3 本章小结8 第三章声发射定位技术与实现9 3 1独立通道定位9 3 2 线定位1 0 3 3 平面定位1 1 3 3 1 两传感器阵列的平面定位法一1 1 3 3 2三传感器阵列的平面定位法”1 1 3 3 3 四传感器阵列的平面定位法1 3 3 4m a t l a b 实现平面定位1 3 3 5本章小结1 6 i 北京化工大学硕士学位论文 第四章基于声发射信号的轴承故障诊断方法研究1 7 4 1时域分析法1 8 4 1 1时域分析方法简介1 8 4 1 2 时域特征参数分析1 9 4 1 3 时域分析方法在轴承诊断中的应用2 0 4 1 4 声发射特征参数分析“2 3 4 2 频谱分析法2 4 4 2 1轴承频谱分析的基本思想2 4 4 2 2 轴承元件的故障特征频率2 4 4 2 3 频谱分析方法在轴承诊断中的应用2 5 4 3 小波分析法2 7 4 4 智能诊断方法3 0 4 4 1 主成分分析( p c a ) 3 0 4 4 2 粗糙集( r s ) 3 6 4 4 3 神经网络( n n ) 3 9 4 5 本章小结4 9 第五章声发射技术在其它方面的应用5 1 5 1 声发射技术在疲劳裂纹检测中的应用5 1 5 2 声发射技术在压力容器检测中的应用5 7 5 3 声发射技术在变压器局部放电检测中的应用5 9 5 4 本章小结6 2 第六章结论6 5 参考文献。6 7 致谢7 l 研究成果及发表的学术论文7 3 作者和导师简介7 5 v i l l 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h em e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y l 1 2a c o u s t i ce m i s s i o na n da c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y 1 1 2 1a c o u s t i ce m i s s i o n 1 1 2 2a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n g 一2 1 3r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fs u b j e c t 3 1 4t h es o u r c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n to f s u b j e c t 3 c h a p t e r 2a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d 。5 2 1c l a s s i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d 5 2 1 1w a v ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m a t e r s 5 2 1 2a n a l y s i sa n dr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y 5 2 2a d v a n c e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d 6 2 2 1m o d a la c o u s t i ce m i s s i o n 6 2 2 2s p e c t r u ma n a l y s i s 7 2 2 3w a v e l e ta n a l y s i s 7 2 2 4p a t t e r nr e c o g n i t i o n 7 2 3c h a p t e rc o n c l u s i o n 8 c h a p t e r 3l o c a t i o nt e c h n o l o g yo fa c o u s t i ce m i s s i o na n dr e a l i z a t i o n 。9 3 1i n d e p e n d e n tc h a n n e ll o c a t i o n 9 3 2l m e a rl o c a t i o n 1 0 3 3p l a n a rl o c a t i o n 11 3 3 1p l a n a rl o c a t i o nm e t h o do f t w os e n s o r s 11 3 3 2p l a n a rl o c a t i o nm e t h o do f t h r e es e n s o r s - 11 3 3 3p l a n a rl o c a t i o nm e t h o do f f o u rs e n s o r s 1 3 3 4p l a n a rl o c a t i o no f m a t i ，a b 13 3 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 1 6 c h a p t e r4b e a r i n gf a u l td i a g n o s i sm e t h o d s b a s e do na es i g n a l 1 7 4 1t i m e - d o m a i na n a l y s i sm e t h o d 1 8 4 1 1i n t r o d u c t i o no f t h et i m e d o m a i na n a l y s i sm e t h o d 1 8 i x 北京化工大学硕士学位论文 4 1 2s y m p t o mp a r a m e t e r sa n a l y s i sm e t h o do f t h et i m e - d o m a i n 1 9 4 1 3a p p l i c a t i o no f t h et i m e - d o m a i na n a l y s i si nb e a r i n g sf a u l td i a g n o s i s 2 0 4 1 4a c o u s t i ce m i s s i o ns y m p t o mp a r a m e t e r sa n a l y s i s ”2 3 4 2s p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d 2 4 4 2 1b a s i ci d e ao f s p e c t r u ma n a l y s i sf o rb e a r i n g s 2 4 4 2 2f e a t u r ef r e q u e n c yo f b e a r i n g sf a u l t 2 4 4 2 3a p p l i c a t i o no f t h es p e c t r u ma n a l y s i si nb e a r i n g sf a u l td i a g n o s i s ”2 5 4 3w a v e l e ta n a l y s i sm e t h o d 2 7 4 4i n t e l l i g e n c ed i a g n o s i sm e t h o d 3 0 4 4 1p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) “3 0 4 4 2r o u g hs e t ( r s ) 3 6 4 4 3n e u r a ln e t w o r kf n n ) 3 9 4 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 4 9 c h a p t e r5a p p f i c a f i o no f a et e c h n o l o g yi nt h eo t h e rf i e l d s 5 1 5 1a p p l i c a t i o no f t h e a et e c h n o l o g yi nc r a c kd e t e c t i o n 一5 1 5 2a p p l i c a t i o no f t h ea e t e c h n o l o g yi np r e s s u r ev e s s e ld e t e c t i o n 5 7 5 2a p p l i c a t i o no f t h ea et e c h n o l o g yi nt r a n s f o r m e rp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o n 5 9 5 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 6 3 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 。6 5 r e f e r e n c e s 6 7 t h a n k s 7 1 r e s e a r c hr e s u l t sa n da c a d e m i c p a p e r sp u b l i s h e d 7 3 i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n dt u t o r 7 5 x 第一章绪论 1 。1 机械故障诊断技术 第一章绪论 机械故障诊断技术作为研究热点与前沿问题，给各个国家在许多方面都带来了不 可低估的效益。总体看来，美国的机械故障诊断技术在世界范围内处于首屈一指的地 位。他们一些公司所生产的监测产品能够代表现如今诊断技术的最高水平，这些产品 不但拥有完备的监测功能，还有着很强的诊断功能。7 0 年代初英国创建了机器保健与 状态监测协会，并在此后的十年中，在发展和普及机械故障诊断技术方面作了许多工 作，促进了人们对这方面的认识。另一方面，欧洲部分国家的诊断技术发展也有着各 自的特点。例如，瑞典在轴承监测技术及红外热像技术方面，挪威在船舶诊断方面以 及丹麦在振动、噪声监测方面等都有着独到的见解【l - 3 1 。 中国的诊断技术萌芽于7 0 年代末，直到1 9 8 3 年南京召开的首届设备诊断技术专 题座谈会才标志着该领域的开始。尽管开始的比较晚，但是通过最近几十年来的不断 努力，以及多次由政府相关部门举办的国外相关领域专家来华讲座，使得我国在这些 方面已经追上了国外的步伐，并且在部分理论研究层面已和国外站在同一水平线上。 如今我国在某些设备的诊断研究上有着自己的优势与特点，生产了拥有自主产权的监 测诊断产品。全国各行各业对关键性设备上安装故障诊断系统，尤其是智能故障诊断 专家系统都十分重视。 目前，在众多诊断方法中以振动为基础的诊断理论基础最坚实、涉及的领域 最宽广、研究的最为透彻。与此同时，最近几年来以声发射信号为基础的诊断技 术的发展和人工智能的深入研究也为机械故障诊断增加了新的生命力。另一方 面，故障诊断的专家系统不但在理论上取得了巨大的发展，还在实际应用中得到 了相当的成果。其中，人工神经网络作为人工智能的一个重要组成部分，逐渐成 为机械故障诊断研究领域的热点。同时，随着计算机与互联网等技术的不断进步 与普及，故障诊断过程从原始的现场检测逐渐向远程在线监测转变。采用远程在 线监测能够更好地对设备进行实时分析，并且结合专家系统等技术能够更及时地 发现故障以及对故障做出处理，从而达到故障自愈的目的【4 墙】。 1 2声发射与声发射技术 1 2 1声发射 北京化工大学硕士学位论文 声发射是材料内局部源短时间内释放能量并产生瞬时弹性波的过程【9 】。通常情况 下，结构失效的重要原因在于应力状态下材料产生的变形和裂纹的延展。声发射源就 是指与上述断裂及变形因素相关的源。声发射现象普遍存在于自然界中，其信号频率 较为宽泛的遍布于次声到超声的范围内。同时，其幅值范围也很大从微米量级到 米量级，但只有当能量到达声频范围内时，人耳才能够听见。构件中绝大部分声发射 现象来自于材料内部的微观形变或者大范围的断裂，但通常所产生声发射信号的能量 都很低，需要通过专业的仪器来进行测量。声发射技术就是指这种通过使用电子仪器 对声发射信号进行检测、记录与分析，并对声发射源的位置进行判断的技术 1 0 , 1 1 】。 1 2 2 声发射检测 图1 - 1 为声发射检测的原理图，声发射传感器能够检测到材料表面因位于材料内 部的声发射源所产生的弹性波而产生的位移，并将这种机械振动转换为电信号，放大 器再进一步将接收到的电信号放大，并传输到采集系统进行记录和处理。有很多像是 位错运动、断裂、裂纹萌生及扩展等因素，能够在固体材料的处理、加工和使用过程 中引起内应力的变化，进而产生声发射信号【1 2 】。 图1 - 1 声发射检测原理 f i g 1 - 1a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n gp r i n c i p l e 在实际检测中，通过耦合剂把声发射传感器固定在待检测工件或者材料的表面， 传感器能够接收到来自被检测物件内部的声发射信号，并且将微弱的声发射信号转换 成电信号，再通过前置放大器把微伏到毫伏量级的微弱电信号放大到百毫伏乃至伏特 量级的强电信号，再把经过放大后的声发射信号传送到处理系统进行运算和声发射特 征参数提取处理。而后可以根据具体情况对任意两个声发射特征参数进行相关性分 析，来得到缺陷活动强度、缺陷位置和程度等相关信息。同时，通过采集声发射信号 从声发射源到达各个固定点上传感器的时间差，由几何定位原理可以得到声发射源的 位置。另一方面，通过声发射仪器自带的外参数采集功能，可以在数据采集过程中同 2 第一章绪论 时采集载荷、温度、应力、应变等相关参数信息。利用这些参数信息同声发射特征参 数相结合进行相关性分析，进而能够得到缺陷随载荷、温度、应力等参数变化的信息， 这些信息对缺陷的有害性和延续性等问题的后续分析十分重要【1 3 】。 由于声发射检测的过程是传感器主动接收由缺陷所产生的声发射应力波，故影响 其监测范围的因素仅仅为传感器自身的接收半径、材料的声衰减指数以及监测通道的 个数。因此，声发射检测理论上可以不受到被检测件的形状、尺寸等因素影响，用于 监测任何复杂的结构件。但是，声发射又对材料十分的敏感，因而材料声发射特性的 不同会对声发射检测的结果构成一定影响。尽管如此，声发射检测基本上适用于实际 生产中的绝大部分金属材料【l 钔。 1 3 课题研究背景和意义 无损检测是指以不影响或不破坏所检测对象的使用性能为前提，对所检对象中缺 陷存在与否进行检测，并通过缺陷的数量、大小及位置等信息，对被检测对象的状态 进行推断的全部技术的总称【l5 1 。声发射检测作为新增无损检测方法，对材料内部裂纹 产生和扩张等缺陷所产生的声信号进行检测，常用于在役设备中缺陷和缺陷发展的检 测。近些年来，声发射检测以其具有实时采集与分析功能、安全环保和良好的敏感性 等优势备受关注。声发射方法提出了一种全新的对缺陷的理解，它能够对材料及其内 部存在的缺陷或处于变化状态的潜在缺陷进行检测。与其它常规检测方法的主要区别 在于能够实时动态监测、检测和判断构件结构是否完整以及动态分析材料断裂等行 为。对于无损检测，声发射技术在解决构件或材料产生损伤的时间以及判断损伤的性 质、位置和严重程度等问题方面发挥着其重要的作用【1 6 r 7 1 。 1 4课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目( 2 0 1 2 c b 0 2 6 0 0 0 ，高 端压缩机组高效可靠及智能化基础研究) ，国家自然科学基金( 5 1 0 7 5 0 2 3 ，机械故障 无线传感网络监测及智能诊断方法研究，2 0 1 1 1 2 0 1 3 。1 2 ) ，中央高校业务费项目 ( z z l l 2 4 ，基于a e 信号的低速重载设备早期故障识别方法研究，2 0 1 1 1 2 0 1 2 1 2 ) ， 北京市优秀人才培养资助项目( 2 0 1 0 d 0 0 9 0 1 6 0 0 0 0 0 3 ，低速重载装备早期故障预示及 监测关键技术研究，2 0 1 0 1 0 - 2 0 1 1 1 0 ) 。 论文对声发射及声发射检测与定位技术的相关概念、理论作了简述，实现了声发 射源的定位功能；利用时域分析、频谱分析及小波分析方法对轴承声发射信号进行了 处理与分析，实现了滚动轴承的故障诊断：对主成分分析、粗糙集和神经网络的原理 北京化工大学硕士学位论文 以及三者相结合的方法在智能故障诊断中的应用研究做了详尽的阐述；并且通过实验 实例对基于主成分分析、粗糙集和b p 神经网络相结合的混合智能诊断技术的应用作 了研究；同时结合现场实例对声发射技术在其他方面的应用做了介绍，具体工作如下： ( 1 ) 在声发射信号定位方法部分中，介绍了传统的声发射信号定位方法，实现 了基于m a t l a b 的四探头阵列平面声发射源定位，并通过实验进行了验证，同时分 析了定位误差产生的原因。 ( 2 ) 在声发射信号处理与分析部分中，阐述了声发射信号处理与分析的方法及 特点。利用时域相关特征参数分析了轴承在不同故障状态下所产生声发射信号的特 征，找出了对滚动轴承故障识别较为敏感的参数；通过传统傅里叶变换的方法，在频 域分析处理了轴承故障声发射信号，根据不同故障的故障特征频率对故障类型进行了 判断；并针对小波分析在时频分析中的优势，选择小波分析实现声发射信号处理。 ( 3 ) 在声发射信号智能诊断部分中，提取了声发射信号时域特征参数，应用主 成分分析和粗糙集方法对所提取的特征参数进行约简，并利用b p 神经网络对约简后 的特征参数进行分类，从而实现智能诊断。 ( 4 ) 在声发射技术在其它方面应用部分中，结合工程现场诊断实例阐述了声发 射技术在疲劳裂纹检测、压力容器检测和变压器局部放电检测中应用的原理、方法及 过程。 4 第二章声发射信号处理方法 第二章声发射信号处理方法 2 1经典信号处理方法 2 1 1 波形特征参数 图2 1 给出了包括幅度在内的各种常用突发型标准声发射信号简化波形参数的定 义【1 8 】。另一方面，连续型声发射信号参数主要有能量、振铃计数、有效值电压和平均 信号电平。 上冲时 赫 能爨包络线摄铃计数 o ，| 多幺z 名功 j j 。1 _ jj t ；一雌二 醚 ； 坠 f缛舀 擎 办： ， ； 一一 一 1 r ；矗j “! f7lf、f。厂弋厂、。 弋 u vu vv 一 7 v _ j 持续时间 图2 1 突发型标准声发射信号简化波形参数的定义 f i g 2 - 1d e f i n i t i o no fs i m p l i f i e dw a v e f o r mp a r a m e t e r so fs u d d e nt y p es t a n d a r da es i g n a l 2 1 2 分析识别技术 ( 1 ) 列表显示与分析法 列表显示即将各个声发射信号的特征参数、外参数变量等按时间顺序直接进行排 列和显示。通常使用声发射进行检测之前，通过对数据的列表进行查看来标定声发射 整个系统的灵敏程度和对模拟声发射源进行定位的精确程度。此外，精确分析声发射 源强度时也常常用到列表显示与分析的方法。 ( 2 ) 经历图分析法 经历分析是一种以时间或者外参数为横坐标，声发射特征参数为纵坐标做出曲线 图，通过对曲线变化趋势的分析来对声发射源的活跃状态进行判断的方法。图形分析 是最直观也是最常用的方法，采用此种方法对声发射的源进行分析能够对费利西蒂比 5 北京化工大学硕士学位论文 和凯塞效应等进行评定，以及起裂点的测量【1 9 1 。 ( 3 ) 单个参数分析法 早些时候的声发射检测设备仅仅能够采集到幅度、计数以及能量等较少的参数， 因此，通常只能使用单个参数分析的方法来对声发射的信号进行处理与评定，其中最 常用的方法有对幅值、振铃计数及能量进行分析。通常情况下，在对脉冲型声发射信 号的处理中常用振铃计数，而在对声发射信号进行定量测量时则要用到能量这个参 数。但是，若想更好地了解声发射源的相关信息则要用到幅值这个参数。 ( 4 ) 关联分析法 关联分析法是一种分别将任意两个不相同的声发射信号的特征参数作为横纵坐 标轴来绘图的方法，图中每个点分别对应一个事件或者撞击。采用此种方法能够通过 不同声发射源自身的特征，来区分不同的声发射源【2 0 】。 ( 5 ) 分布分析法 分布分析是一种将事件或者撞击计数作为纵轴，而将任意一个声发射特征参数作 为横轴来绘图，从而分析事件或者撞击计数与不同特征参数值之间的统计分布关系的 方法。同时，所选用作为横轴的参数决定了分布图的类型。在众多类型的分布图中， 最广泛被应用的要数幅度分布。 2 2 高级信号处理技术 在声发射经典信号处理方法的基础上，近几十年来人们还研究出了很多基于波形 分析的高级声发射信号处理技术以及以人工神经网络为代表的模式识别技术，用以进 一步分析发射源的特性。其目的在于对整个波形的物理本质进行分析，进而分析声发 射波形与源机制的相关性。在其分析过程中，信号处理的方法决定了是否能够完整、 准确地获取信号中所蕴含的信息。时域及频域的分析是以波形为基础的处理信号的两 个重要手段。小波变换是一种区别于以上两种分析方法的新发展起来的处理信号的方 法，其既能够表达时域信号特征，同时又能表达频域信号特征【2 l - 2 3 1 。 2 2 1 模态声发射 模态声发射是一