专利名称：一种检测物体局部阻抗变化的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于受控敲击和分类器来检测物体局部阻抗变化方法及系统，更具体涉及基于受控敲击和分类器来检测螺栓松紧程度和检测复合材料损伤的方法和系统。
背景技术：
各种设备往往都会使用螺栓来实现零部件的连接。它虽然很普通，但其紧固程度却会直接影响整个设备的质量。某些关键部位的螺栓如果发生松脱，甚至会造成重大的安全事故。为了保证螺栓的连接质量，需要采用标准的检测方法来确定螺栓的摩擦系数、最大扭矩等参数，对一些精密设备还需要严格规定螺栓的拧紧力矩。设备在使用过程中由于受到振动、冲击、温度改变等外界因素的影响，螺栓的松紧程度很可能发生变化。因此需要采用一种无损检测方法来评估螺栓连接的实际状态。螺栓的松紧程度会直接影响当地的机械阻抗。在实际工程中，有经验的检测员常常用敲击的方法，根据声音的变化来判断螺栓是否松脱，但人工敲击检测损伤的方法过于依赖检测员的经验，不能广泛应用于实际工程中；而且由于每个检测员的经验不一样，导致检测结果会出现较大的差异，稳定性不佳。现有技术中关于敲击损伤识别方法的理论分析认为，敲击不同区域会发出不同的声音，是因为不同区域的敲击力发生了变化，因此根据敲击力的时域曲线的宽度或者频域曲线下的面积比就可以辨识出结构的损伤。为此，还用一个串联弹簧模型做了一个理论上的解释认为损伤的出现会导致结构局部刚度降低，从而使结构局部变软。但该方法检测结果尚不够理想，也无法定量识别出螺栓拧紧力矩或者结构损伤状态。无损检测，即采用非破坏性手段，利用声、光、电、热、磁和射线等技术探测材料、构件内部的孔隙、夹杂、裂纹、分层等影响其使用的缺陷及其位置。目前，复合材料无损检测方法主要有超声检测、射线检测和热成像检测等。每种技术都有其特定的应用范围和优缺点， 单一方法难以实现对所有类型缺陷的检测，通常需要多种方法相结合。因此，期望提供一种适于实用的物体状态检测方法，能够实时快速地检测出螺栓松紧状态和/或材料损伤状态，具有一定的精确性和稳定性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于受控敲击和分类器来检测物体局部阻抗变化的方法及系统，通过对待检测物体施加恒定的敲击力，从待检测物体的响应信号中提取特征信息，并结合模式识别方法实现无损检测，不仅能够对物体的局部异常进行定性识别，而且还可以对物体的局部异常进行定量识别。本发明提供的基于受控敲击和分类器来检测物体局部阻抗变化的方法，包括如下步骤a、使用敲击装置以固定敲击力对物体进行敲击；b、利用传感器感测由物体被敲击的目标区域传递到所述传感器的响应信号，其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；C、对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取该响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；所述方法还包括-在所述分类器的训练阶段d、对目标区域处于第I至第N阻抗状态的物体，分别在每一阻抗状态对所述目标区域重复步骤a-c以获取该阻抗状态下所述目标区域在所述特定频段的多个训练谱图数据，其中N为大于I的整数；e、将每一阻抗状态以及该阻抗状态下的所述多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练；并且-在所述分类器的检测阶段f、对目标区域处于待检测阻抗状态的物体，通过步骤a-c以获取该待检测阻抗状态下所述目标区域在所述特定频段的检测谱图数据；g、将待检测阻抗状况下的所述检测谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测阻抗状态分类到第I至第N阻抗状态之一。其中所述分类器可以为支持向量机、Bayes分类器、BP神经网络分类器、决策树算法或者简单的向量比较指标等。由于支持向量机方法具有严格的统计学习理论基础，在解决小样本、非线性和高维模式识别问题方面具有很多优势，因此所述分类器优选为支持向量机分类器。本发明提供的基于分类器来检测物体局部阻抗变化的方法至少具有如下优点通过检测物体被敲击后产生的响应信号，根据物体的阻抗状态与该响应信号之间存在紧密关系，基于模式识别方法来判别物体状态。该方法不但可以检测出物体是否受损， 还能比较准确的对物体受损情况进行定量识别，这是人工敲击检测所不能达到的效果。另一方面，本发明还提供一种基于受控敲击和分类器来检测螺栓松紧状态的系统，包括敲击装置，以固定敲击力对螺栓进行敲击；传感器，用于感测由所述螺栓传递到所述传感器的响应信号；其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；信号处理部件，用于对所述传感器所感测的响应信号进行处理以检测螺栓松紧状态，其特征在于，所述信号处理部件包括谱图处理装置，用于对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取所述响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；和松紧状态确定装置，基于分类器和谱图处理装置输出的所述谱图数据来检测螺栓松紧状态，其中，-将一螺栓的第I至第N松紧状态的每一松紧状态以及在该松紧状态下检测到的多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练，其中N为大于I的整数；并且-将一螺栓在待检测松紧状态下检测到的训练谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测松紧状态分类到第I至第N松紧状态之一。
所述传感器能够安装在被敲击的螺栓上，直接感测它被敲击后的响应信号。但是， 由于在被敲击的螺栓上安放传感器比较麻烦，所以优选将传感器集成在所述敲击装置上。本发明提供的螺栓连接状态检测系统，采用的设备便于使用，操作步骤比较简单， 在有充分采样样本的情况下对分类器进行训练之后，对螺栓连接状态进行检测时不仅简便迅速，而且能够实现定量检测的目的。另一方面，本发明还提供一种基于受控敲击和分类器来检测复合材料损伤的系统，包括敲击装置，以固定敲击力对复合材料进行敲击；传感器，用于感测由所述复合材料表面被敲击的目标区域传递到所述传感器的响应信号；其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；信号处理部件，用于对所述传感器所感测的响应信号进行处理以检测复合材料损伤，其特征在于，所述信号处理部件包括谱图处理装置，用于对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取所述响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；和损伤状态确定装置，基于分类器和谱图处理装置输出的所述谱图数据来检测复合材料损伤状态，其中，-将目标区域的第I至第N损伤状态的每一损伤状态以及在该损伤状态下检测到的多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练，其中N为大于I的整数; 并且-将目标区域在待检测损伤状态下检测到的训练谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测损伤状态分类到第I至第N损伤状态之一。所述传感器优选集成在所述敲击装置上；但是，所述传感器也能够安装在被敲击复合材料上，并尽量接近被敲击区域。本发明提供的复合材料损伤检测系统，采用的设备便于使用，操作步骤比较简单， 在有充分采样样本的情况下对分类器进行训练之后，对复合材料状态进行检测时不仅能简便迅速的确定所检测的部位是否有损伤，而且能够对损伤的类型进行分类。
图I为本发明所示敲击检测方法的简化力学模型；图2为本发明一实施例采用的敲击装置与传感器的示意图；图3为本发明实施例提供的螺栓松紧状态检测系统示意图；图4为本发明实施例提供的螺栓松紧状态检测的一组测试信号的功率谱密度曲线示意图；图5为本发明实施例中的螺栓拧紧力矩与功率谱图中的敏感尖峰频率的关系图；图6为本发明另一实施例提供的复合材料状态检测系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。螺栓的等效刚度和摩擦系数不但与材料性质、几何形状相关，还会随着螺栓拧紧力矩的变化而改变。复合材料的等效刚度和阻尼不仅与复合材料的材料性质、几何形状有关，还与复合材料的损伤类型、程度等有关。因此要准确描述螺栓或者复合材料在敲击力作用下的力学行为，必须涉及非常复杂的非线性动力学分析。而本发明的目的是检测螺栓的松紧程度或者复合材料的损伤状态，所以只是力求寻找对螺栓拧紧力矩或者复合材料损伤状态敏感的响应。在本发明中，螺栓或复合材料的局部阻抗(主要包括等效刚度，也包含阻尼和等效质量)是螺栓拧紧力矩或复合材料损伤类型的函数，而敲击装置的刚度是恒定的。如图 I所示，待测物体系统被简化为一个弹簧质量系统，其质量为Hi1,弹簧刚度ki (T)是拧紧力矩 T的函数。另外假设质量为Hl2的敲击装置在竖直方向的刚度为k2。以质量块的静平衡位置为参考状态，分别令敲击装置和待测物体系统的位移为U1和U2，可以建立如下的控制方程Iii1U1+(IiJk2) Ufk2U2 = Om2u2-k2u1+k2u2 = F (I)虽然实际系统中存在阻尼，但是我们只关心稳定状态下的强迫振动解，所以(I)式中没有考虑阻尼的影响。假设敲击力是由若干简谐分量叠加而成丫⑴
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其中A” Oi和仍分别为第i阶力的幅值、圆频率和初相位，t代表时间。在给定的拧紧力矩 T下，不难根据(I)式得到敲击装置的第i阶响应
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权利要求
1.一种基于受控敲击和分类器来检测物体局部阻抗变化的方法，包括步骤a、使用敲击装置以固定敲击力对物体进行敲击；b、利用传感器感测由物体被敲击的目标区域传递到所述传感器的响应信号，其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；C、对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取该响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；所述方法还包括-在所述分类器的训练阶段d、对目标区域处于第I至第N阻抗状态的物体，分别在每一阻抗状态对所述目标区域重复步骤a-c以获取该阻抗状态下所述目标区域在所述特定频段的多个训练谱图数据，其中N为大于I的整数；e、将每一阻抗状态以及该阻抗状态下的所述多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练；并且-在所述分类器的检测阶段f、对目标区域处于待检测阻抗状态的物体，通过步骤a-c以获取该待检测阻抗状态下所述目标区域在所述特定频段的检测谱图数据；g、将待检测阻抗状况下的所述检测谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测阻抗状态分类到第I至第N阻抗状态之一。
2.根据权利要求I所述的方法，用于检测螺栓松紧状态，其中所述物体为螺栓，所述阻抗状态表示螺栓的松紧状态。
3.根据权利要求I所述的方法，用于检测复合材料损伤状态，其中所述物体为复合材料，所述阻抗状态表示复合材料的损伤状态。
4.根据权利要求1，2或3所述的方法，其中所述分类器为支持向量机分类器。
5.根据权利要求1，2或3所述的方法，其中所述传感器集成在所述敲击装置上。
6.根据权利要求I，2或3所述的方法，其中所述传感器为加速度计，所述响应信号为加速度信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述信号谱图为功率谱密度图。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述松紧状态用螺栓的拧紧力矩表示。
9.根据权利要求I所述的方法，其中所述特定频段为对螺栓的拧紧力矩变化敏感的频段。
10.一种基于受控敲击和分类器来检测螺栓松紧状态的系统，包括敲击装置，以固定敲击力对螺栓进行敲击；传感器，用于感测由所述螺栓传递到所述传感器的响应信号，其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；信号处理部件，用于对所述传感器所感测的响应信号进行处理以检测螺栓松紧状态， 其特征在于，所述信号处理部件包括谱图处理装置，用于对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取所述响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；和松紧状态确定装置，基于分类器和谱图处理装置输出的所述谱图数据来检测螺栓松紧状态，其中，-将一螺栓的第I至第N松紧状态的每一松紧状态以及在该松紧状态下检测到的多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练，其中N为大于I的整数；并且 -将一螺栓在待检测松紧状态下检测到的训练谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测松紧状态分类到第I至第N松紧状态之一。
11.一种基于受控敲击和分类器来检测复合材料损伤的系统，包括敲击装置，以固定敲击力对复合材料进行敲击；传感器，用于感测由所述复合材料表面被敲击的目标区域传递到所述传感器的响应信号，其中所述响应信号为加速度信号、速度信号或者位移信号；信号处理部件，用于对所述传感器所感测的响应信号进行处理以检测复合材料损伤， 其特征在于，所述信号处理部件包括谱图处理装置，用于对传感器感测的响应信号进行变换处理以获取所述响应信号的信号谱图，并截取所述信号频谱在特定频段的谱图数据；和损伤状态确定装置，基于分类器和谱图处理装置输出的所述谱图数据来检测复合材料损伤状态，其中，-将目标区域的第I至第N损伤状态的每一损伤状态以及在该损伤状态下检测到的多个训练谱图数据提供给所述分类器，对所述分类器进行训练，其中N为大于I的整数；并且 -将目标区域在待检测损伤状态下检测到的训练谱图数据提供给所述分类器，以将所述待检测损伤状态分类到第I至第N损伤状态之一。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其中所述传感器集成在所述敲击装置上。
全文摘要
本发明公开了一种基于受控敲击和分类器来检测物体局部阻抗变化的方法及系统，利用物体局部阻抗不同，被敲击后响应信号不同，结合模式识别方法进行分类。不仅可以用于检测螺栓拧紧力矩，还可以用来检测复合材料的损伤状态。该方法采用的设备比较简单，方法简单实用，检测结果准确并且能够实现多类分类。
文档编号G01L5/24GK102590348SQ20121001822
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者向志海, 陆秋海, 黄俊涛 申请人:清华大学