一种基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统的制作方法

本实用新型涉及振动时效技术领域，特指一种基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统及方法。

技术背景

振动时效技术的效果评价是振动时效技术研究的关键问题之一。目前振动时效技术的效果评价方法主要包括：参数曲线评定法、残余应力测量法、精度稳定性检测法以及动应力判据法。

(1)参数曲线评定法

参数曲线评定法是根据振动时效过程中参数发生有规律的变化现象总结出来的，能够对振动时效的效果进行定性评价，所用的评价准则主要包括：振动时效过程中振幅时间曲线出现上升后变平、上升后下降然后变平；振动时效处理后扫频曲线的共振峰值比振动时效处理前升高；振动时效处理后扫频曲线的共振频率比振动时效处理前降低；振动时效处理后扫频曲线的带宽比振动时效处理前变窄。参数曲线评定法虽然是一种在线、直观、快速便捷的方法，但是采用参数曲线评定法评价振动时效效果时，只在工件上布置单个加速度传感器，由于加速度传感器采集回来的加速度信号容易受到外界因素的干扰，并且当加速度传感器出现故障时，会导致采集回来的信号并不是工件真实的加速度信号，而这些情形的出现都会导致参数曲线评定法无法准确可靠的评价振动时效效果。

(2)残余应力测量法

为了准确的评价振动时效调控残余应力的效果，就需要准确地评估工件振动时效前后的残余应力，然而工件表层的残余应力分布情况，特别是一些复杂工件表层残余应力的分布状态，很难采用理论计算的方法进行分析求解，所以采用实验测量的方法评估工件表层残余应力的大小具有重要的现实意义。目前残余应力的实验测量方法主要包括：有损的机械测量法和无损的物理测量法，能够定量的评估工件振动时效处理前后的残余应力。机械测量法主要包括小孔法、切条法等；物理测量法主要包括X射线法、超声波法等。残余应力测量法属于离线的评价方法，只能在振动时效过程结束后对时效效果进行评价，并且残余应力测量法费用高，耗时长，在节奏快的生产现场不易应用。

(3)精度稳定性检测法

精度稳定性检测法是通过检测工件振动时效处理后的精度来评价振动时效技术的效果，能够对振动时效技术的效果进行定性评价，主要包括长期放置精度法、加动载荷后精度法等。长期放置精度法是将经过振动时效处理后的工件长期放置并且定期检测工件的尺寸稳定性，具体操作流程是在放置15天时第一次检测，以后每隔30天检测一次，总的放置时间应该在半年以上；加动载荷后精度法是检测经过振动时效处理后的工件在动载荷作用后的尺寸精度的变化量。精度稳定性检测法也属于定性的评价方法，其中长期放置精度法测试过程耗时长，有很大的局限性。加动载荷后精度法虽然快速，但对测量设备精度要求高、操作困难，很难普及。

(4)动应力判据法

上海交通大学的陈立功教授团队提出了动应力判据法，因为动应力作为振动时效过程中最重要的参数，必然与振动时效效果存在某种相关性。他们研究发现动应力与残余应力释放效果之间存在定量的非线性相关性，并通过数学回归分析和曲线拟合得到它们之间的近似函数关系DP-CH方程，可以在振动时效过程中在线检测动应力，实时定量判断振动时效的效果。但是动应力判据法是根据现场应用经验对动应力与时效效果关系的近似，评价精度低，且动应力测量与评估困难，振动时效技术国家标准尚未对其进行规定，此外影响动应力判据的因素很多，如材料微观组织、外界条件。因此，动应力判据法并不完善，还需进行大量的试验来建立动应力判据形式。

目前虽然存在着一些振动时效技术的效果评价方法，但是现有评价方法无法对振动时效效果进行在线、可靠评价，因此有必要对振动时效效果在线评价方法开展进一步的研究和探索。针对现有振动时效效果评价方法存在的不足，本实用新型提出一种基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统及方法，即建立基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统，用于对振动时效效果进行在线、可靠评价。

技术实现要素：

针对现有振动时效效果评价方法存在的不足，本实用新型提出一种基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统及方法，即建立基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统，用于对振动时效效果进行在线、可靠评价。

基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、激振器、加速度传感器组、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在工件的表面上，工件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激励信号；任意波形发生卡输出的正弦激励信号经由功率驱动器输入到激振器，驱动激振器产生振动；

加速度传感器组中的加速度传感器安装在工件上，加速度传感器组中的加速度传感器与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与示波器连接，示波器与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机系统连接；

上位机系统包括存储加速度传感器组采集到的加速度信号存储模块，基于方差贡献率的数据层融合算法编写模块，加速度信号融合模块，融合后的加速度信号存储模块，显示融合后的加速度信号的显示模块。

进一步，加速度传感器为压电式加速度传感器。

进一步，支撑装置为弹性元件。

进一步，加速度传感组中包含的加速度传感器数目S为正整数，且S≥3。

本实用新型的技术构思是：由上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、激振器、加速度传感器组、电荷放大器、示波器、数据采集卡以及支撑装置组成基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统。

本实用新型的有益效果如下：

1、参数曲线评定法评价振动时效效果时，只在工件上布置单个加速度传感器，由于加速度传感器采集回来的加速度信号容易受到外界因素的干扰，并且当加速度传感器出现故障时，会导致采集回来的信号并不是工件真实的加速度信号，而这些情形的出现都会导致参数曲线评定法无法准确可靠的评价振动时效效果，而本实用新型以多传感器技术和信息融合技术为基础，构建基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统能够克服传统参数曲线评定法评价振动时效效果时存在的不足，从而实现对振动时效效果进行在线、可靠评价。

2、相比于残余应力测量法、精度稳定性检测法以及动应力判据法，本实用新型提出的方法能够实现对振动时效效果进行在线、可靠评价。

3、本实用新型提出的基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统及方法对振动时效效果进行评价时不会对工件产生损伤，属于无损的评价方法。

4、本实用新型提出的基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统对振动时效效果进行在线评价时，都是通过上位机系统进行控制，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作效率。

5、本实用新型提出的基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统及方法能够实现对振动时效效果进行在线、可靠评价，为研究振动时效效果的评价方法提供了新的思路。

附图说明

图1基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统示意图。

图2基于方差贡献率的数据层融合模型示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本实用新型：

基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、激振器、加速度传感器组、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在工件的表面上，工件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激励信号；任意波形发生卡输出的正弦激励信号经由功率驱动器输入到激振器，驱动激振器产生振动；

加速度传感器组中的加速度传感器安装在工件上，加速度传感器组中的加速度传感器与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道与示波器连接，示波器与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机系统连接；

上位机系统包括存储加速度传感器组采集到的加速度信号存储模块，基于方差贡献率的数据层融合算法编写模块，加速度信号融合模块，融合后的加速度信号存储模块，显示融合后的加速度信号的显示模块。

进一步，加速度传感器为压电式加速度传感器。

进一步，支撑装置为弹性元件。

进一步，加速度传感组中包含的加速度传感器数目S为正整数，且S≥3。

本实用新型采用的传感器均为加速度传感器，为同类型传感器，因此加速度信号只需要在数据层进行融合，本实用新型采用的是基于方差贡献率的数据层融合算法。

设某加速度传感器以某一采样频率在采样时间t内采集到工件的一个加速度信号数据序列M(k)，其离散的k个数据值分别为m₁,m₂,…,m_k。定义数据值m_i对在时间t内采集的数据序列的方差贡献率为

式中：分别为离散信号M(k)的均值和方差。

当有S个同类的加速度传感器在一定时长内同时采集k个加速度数据时，设加速度传感器s采集的第q个数据为m_sq，根据方程(1)，其方差贡献率可以表示为

式中：μ_s、分别为s加速度传感器采集到的k个离散信号的期望值和方差。根据不同测点加速度信号某时刻数据的方差贡献率，加速度传感器s采集的第q个数据m_sq分配的融合系数λ_sq为

则数据融合后q点的值为

基于方差贡献率的数据层融合模型首先对S个加速度传感器在第q个数据点进行融合，得到M_q，然后对q＝1,2,…,k进行遍历，即可以得到融合后信号的时程曲线。

基于多加速度传感器信息融合的振动时效效果在线评价方法包括以下步骤：

(1)、将工件与激振器固定连接；通过具有弹性的支撑装置对工件进行支撑，以便激振器对工件进行激振；将加速度传感器组中的加速度传感器安装在工件上；接通上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；接通任意波形发生卡与功率驱动器之间的信号连线；接通功率驱动器与激振器之间的信号连线；接通加速度传感器组中的加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与示波器之间的信号连线；接通示波器与数据采集卡之间的信号连线；接通数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；接通上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、激振器、电荷放大器、示波器和数据采集卡的电源；

(2)、上位机系统控制任意波形发生卡对工件进行扫频振动，从而确定振动时效的激励频率；

(3)、缓慢调节功率驱动器的增益旋钮使功率驱动器输出恒定的电流，驱动激振器对工件进行振动时效处理；

(4)、在上位机系统中的基于方差贡献率的数据层融合算法编写模块中编写基于方差贡献率的数据层融合算法程序；在加速度信号融合模块中对存储加速度传感器组采集到的加速度信号存储模块中存储的加速度信号进行数据融合；将融合后的加速度信号存储到融合后的加速度信号存储模块，并通过融合后的加速度信号的显示模块进行显示；

(5)、采用融合后的加速度信号的幅值对振动时效效果进行评价，当上位机系统显示的融合后的加速度信号的幅值稳定时，停止对工件进行振动时效处理。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。