北京工业大学-机结构微间隙超声测量方法研究.ppt 33页

机械结构端面超声评价方法研究 小波奇异性检测理论 若函数在某处有间断或某阶导数不连续，则称函数在此处具有奇异性，该点称为奇异点。 信号奇异性分两种情况：一种是信号在某一时刻，其幅值发生突变，引起信号的非连续，幅值突变处称为第一类间断点；另一种是信号外观很光滑，幅值没有突变，但信号的一阶导数有突变发生，一阶导数不连续，称为第二类间断点。 在薄液体层厚度检测时，检测信号中奇异点位置表示液体层界面突变处，因此，可以通过小波变换提取出检测信号中奇异点位置，从而实现薄液体层厚度测量的目的。 液体层厚度超声测量试验系统 液体层厚度超声测量试验系统 小波变换奇异点提取方法 改进前后小波变换模极大值处理结果 小波变换模极大值平均图中两条最高的模极大值平均线分别表示水层上下表面所对应的时刻。 式中 ——采样时间间隔0.002微秒； ——采样点差 第一条和第二条平均线对应的采样点分别为179和343，水的纵波波速为1480m/s，由公式可得，水层的厚度为242.72um，与实际厚度250um相比，相对误差为2.91%。 小波变换函数对厚度测量的影响 不同类型小波函数小波变换模极大值 小波变换函数对厚度测量的影响 不同类型小波函数小波变换模极大值平均值 小波变换函数对厚度测量的影响 厚度250um水层不同小波函数测量结果 小波变换尺度对厚度测量的影响 不同尺度小波变换模极大值 小波变换尺度对厚度测量的影响 不同尺度小波变换模极大值平均值 小波变换尺度对厚度测量的影响 厚度250um水层不同尺度测量结果 不同厚度水层测量结果 不同水层厚度超声信号时域波形 不同厚度水层测量结果 不同水层厚度超声信号小波变换系数图 不同厚度水层测量结果 不同水层厚度超声信号小波变换模极大值 不同厚度水层测量结果 不同水层厚度超声信号小波变换模极大值平均值 不同厚度水层多次测量结果 不同厚度水层多次测量结果 不同厚度水层测量结果 不同水层厚度测量误差图 不同类型液体层厚度测量结果 不同液体层超声信号时域波形和小波变换系数图 不同类型液体层厚度测量结果 不同液体层小波变换模极大值及平均值 不同类型液体层厚度测量结果 250um厚不同液体介质层测量结果 小结 改进的小波变换奇异点提取方法，可有效消除干扰噪声的影响，更有利于信号奇异点的提取； 研究了小波变换参数对液体层反射回波信号奇异点提取的影响，结果表明，选用Mexican Hat小波函数、在128尺度范围内可以更准确的实现薄液体层厚度测量； 进行了不同液体层厚度、不同液体层介质的厚度测量试验，结果表明，改进的小波变换奇异点提取方法可用于薄液体层厚度测量。 1.14 247.16 167 320 153 1480 水 0.64 248.40 270 426 156 920 硅油 误差 （%） 测量值 （um） 采样点差 采样点2 采样点1 纵波速度 （m/s） 介质 * *北京工业大学工学硕士学位论文答辩 * * 国家自然科学基金 提纲 机械结构微间隙超声测量方法研究 基于声谐振的微间隙测量方法 基于小波分析的微间隙测量方法 机械结构微间隙超声测量方法-研究背景 轴承 静压导轨 机械密封 机械结构微间隙超声测量 基于声谐振的微间隙测量方法 Y x=L x=0 X T1 T2 T3 R1 R2 介质1 介质2 介质3 三层结构：不锈钢-水-不锈钢 谐振频率 谐振频率阶数 中间介质声速 基于声谐振的微间隙测量方法 检测系统 不锈钢 超声波传感器(纵波) 塞尺 示波器 塞尺 脉冲发生接收器 3 4 5 6 7 8 9 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Frequency (MHz) Reflection Coefficient 93.8um 120.6um 147.4um 174.2um 201um 227.8um 二阶谐振频率 一阶谐振频率 谐振频率 基于声谐振的微间隙测量方法 标定试验 理 论 曲 线： 标定试验拟合曲线： 测量试验结果 序号 标准值 谐振频率(MHz) 测量值 误差 1 100 7.49 102.74 2.74% 2 110 6.475 118.24 7.49% 3 120 6.02 126.85 5.71% 4 130 5.985 127.57 1.87% 5 140 5.53 137.68 1.66% 6 150 5.11 148.58 0.94% 7 160 4.445 169.98 6.24% 8 170 4.515 167.43 1.51% 9 180 4.235 178.10 1.05% 10 190 3.99 188.64 0.71% 11 200 7.49 200.54 0.27% 12 210 7.035 213.01 1.43% 13 220 6.475 230.75 4.89% 14 230 6.65 224.92 2.21% 15 240 6.055 246.17 2.57% 16 250 5.985 248.95 0.42% 中间流体层与端面处多次反射回波叠加波形畸变，从而引起信号的奇异性(信号突变)。信号小波变换的模在信号突变点取得极大值，如果考虑多尺度分析，则随着尺度增大，噪声引起的小波变换模极大值点逐速减少，而突变点引起的模极大值点则得以显露。 基于小波分析的微间隙测量方法 压电传感器： 中心频率5MHz 钢块： 直径70mm，高5mm 脉冲激励\接收仪参数： 模式P\E，能量100uJ， 高通截止频率1MHz， 低通截止频率20MHz， 增益40dB 改进前 改进后 水层厚度：250um 水层厚度：250um 0.54 248.64 168 320 153 Mexican hat 81.65 45.88 31 183 152 Morlet 26.69 316.72 214 358 144 Meyer 79.87 50.32 34 182 148 Sym4 误差 （%） 测量值 （um） 采样点差 采样点2 采样点1 小波类型 128 32 64 256 水层厚度：250um 32 64 128 256 水层厚度：250um 62.11 94.72 64 153 89 256 1.14 247.16 167 320 153 128 81.74 454.36 307 460 153 64 80.46 48.84 33 186 153 32 误差 （%） 测量值 （um） 采样点差 采样点2 采样点1 变换尺度 100um 150um 200um 250um 100um 150um 200um 250um 1.33 148 100 280 180 9 2.32 146.52 99 278 179 8 1.33 148 100 273 173 7 2.32 146.52 99 272 173 6 4.29 143.56 97 270 173 5 1.33 148 100 273 173 4 1.33 148 100 293 193 3 0.64 150.96 102 273 171 2 1.63 152.44 103 288 185 1 150 误差（%） 测量值（um） 采样点差 采样点2 采样点1 序号 标定厚度（um） 77.6 177.6 120 300 180 9 49.68 50.32 34 214 180 8 49.68 50.32 34 208 174 7 52.64 47.36 32 205 173 6 49.68 50.32 34 208 174 5 52.64 47.36 32 206 174 4 51.16 48.84 33 228 195 3 51.16 48.84 33 205 172 2 6.56 106.56 72 291 219 1 100 误差（%） 测量值（um） 采样点差 采样点2 采样点1 序号 标定厚度（um） 2.91 242.72 164 343 179 9 1.14 247.16 167 346 179 8 17.71 205.72 139 313 174 7 0.64 251.6 170 343 173 6 0.048 250.12 169 343 174 5 0.048 250.12 169 342 173 4 18.9 202.76 137 332 195 3 0.64 251.6 170 341 171 2 3.01 257.52 174 360 186 1 250 误差（%） 测量值（um） 采样点差 采样点2 采样点1 序号 标定厚度（um） 3.06 193.88 131 310 179 9 3.8 192.4 130 310 180 8 3.06 193.88 131 304 173 7 3.06 193.88 131 304 173 6 2.32 195.36 132 305 173 5 2.32 195.36 132 306 174 4 3.06 193.88 131 325 194 3 2.32 195.36 132 303 171 2 1.58 196.84 133 318 185 1 200 误差（%） 测量值（um） 采样点差 采样点2 采样点1 序号 标定厚度（um） 不同水层厚度多次测量结果偏差图 *