一种摩擦副三点融合测温系统及测温方法与流程

本发明属于温度测试技术领域，具体是指一种摩擦副三点融合测温系统及测温方法。

背景技术：

当摩擦副处于接触运动状态时，由于接触表面的摩擦力做功必然会产生摩擦热。工况条件对于摩擦磨损性能的影响往往是由摩擦温升引起，许多材料的力学性能和润滑性能都随摩擦界面的温升而变化，进而影响其摩擦学行为。可以说，摩擦接触界面的温度直接影响着摩擦副的摩擦系数、热物特性和耐久性等各项重要性能，因此对于摩擦副接触界面温度的准确检测尤为关键。

目前，摩擦副测温系统多是借助于在摩擦副接触界面周围布置测温点，以近似获得对摩擦接触界面的温度信息。这些测温方法主要有以预埋测温法、预置测温法等为代表的接触式测温法和以红外测温法为代表的非接触式测温法。例如，检索发现：专利CN101319986A和CN201955162U采用预埋热电偶的方法对摩擦表面的温度进行测量；专利CN201859023U和CN202133538U设计的摩擦副温度测量装置中都采用将热电偶贴于摩擦副表面的预置测温法对摩擦副温度的进行测量；专利CN203231817U和CN204440188U采用了红外测温法实现对摩擦副接触界面温度的测量。然而，上述测温方法捕捉的仅仅是摩擦副附近某一位置或者是某几处位置的温度信息，并非直接来自摩擦表面的接触区域，因此测温结果与实际情况间具有一定偏差。例如，预埋测温法和预置测温法的温度测点与摩擦表面存在一定距离，测温结果常常偏低，且存在温度滞后的现象；红外测温法受到环境等因素的影响较大，摩擦过程中复杂的动态环境也常导致测温结果存在波动现象，严重影响测温精度。

虽然有专利提出将多种测温方法集中用于同一摩擦副的测温系统中，例如：专利CN104964760A和CN104155020A设计的摩擦副测温系统中同时用到了预埋热电偶测温技术和红外测温技术，但是在实际应用中仅仅是两种测温方法的简单结合，没有将两者结果进行有机融合，而且在测温误差处理中，只是做了简单的标定，测温的准确性与稳定性都没有得到较好的改善。

因此，本发明设计了一种摩擦副三点融合测温系统，在对三种测温方法的缺陷分别进行修正的基础上，再进一步将三种测温方法与信息融合技术有效结合并运用于所设计的测温系统中，能准确地获得摩擦副接触界面的实际温度。

技术实现要素：

为解决以上现有难题，本发明公开了一种摩擦副三点融合测温系统，可广泛适用于制动摩擦副等各类摩擦副的温度检测系统中，其最显著优点是可以克服现有测温方法的不足，提高测温准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种摩擦副三点融合测温系统，包括传感检测系统、信号采集系统和软件系统；所述传感检测系统包括预埋测温传感器、预置测温传感器及红外测温传感器；所述信号采集系统包括PLC、工业通讯总线及计算机；所述软件系统包括显示界面和融合测温模型。

所述预埋测温传感器、预置测温传感器及红外测温传感器对摩擦副接触界面附近的温度信息进行捕捉并转换成电信号，所述电信号输出至信号采集系统中，经PLC处理后通过工业通讯总线传送至计算机，所述软件系统的显示界面实现所采集到温度信息的显示与存储，并通过调用融合测温模型得到摩擦副接触界面的实际温度。

所述传感检测系统对摩擦副接触界面的温度信息进行捕捉，并转换成电信号输出；所述信号采集系统对传感器输入的信号进行放大、滤波、A/D转换等处理，降低各种外界噪声信号干扰，将采集到的信息进行处理后传送至计算机；所述软件系统显示界面实现所采集到温度信息的显示与存储，并通过调用融合测温模型来得到摩擦副接触界面的实际温度。

进一步地，所述预埋测温传感器设于摩擦副预先处理过的偶件内，通常该摩擦偶件静止，以便对传感器进行布置与引线，预埋测点设于摩擦副中心位置，以测得摩擦界面的平均温度；所述预埋测温传感器为热电偶温度传感器。

进一步地，所述预置测温传感器的测温探头设于摩擦副接触表面附近的非摩擦区域，预置测点设于摩擦副运动部件离开摩擦接触区域的一侧，通常距离摩擦表面接触区域在3cm以内；所述预置测温传感器为热电偶温度传感器。

进一步地，所述红外测温传感器选取摩擦副的接触区域作为测温视场，该视场设于摩擦副附近运动部件离开摩擦接触区域的一侧，所述红外测温传感器为红外温度传感器。

本发明还提供了一种摩擦副三点融合测温方法，指的是采用预埋测温法、预置测温法和红外测温法三种方法对摩擦副接触界面附近三处不同位置的温度进行测量，形成一组多源温度信息，以全面反映摩擦副的温度特征，并在对三种测温方法的缺陷分别进行修正的基础上，结合信息融合技术得到摩擦界面的实际温度。

进一步地，所述三种测温传感器所测数据与实际温度值之间存在一定偏差，通过相应的修正处理，以有效降低该偏差对融合测温模型的影响，该修正处理过程可嵌入至融合测温模型，具体的修正处理方案如下：

1)根据摩擦学知识和热传导的相关规律，推导摩擦界面温度与预埋测点温度之间的偏差规律，修正因摩擦副温度梯度效应引起的所述预埋测温法与摩擦界面实际温度之间的偏差；

2)采用线性回归等方式，修正因预置测点温度滞后于摩擦界面温度引起的所述预置测温法与摩擦界面实际温度之间的偏差；

3)采样数字滤波技术，改善因光电干扰而引起的所述红外测温法的温度波动现象。

进一步地，所述融合测温模型建立的步骤如下：

步骤一，确定样本集数据；在本模型中，选用的训练样本集tr与检验样本集te皆由三输入、一输出组成，输入样本为上述三种测温传感器所得数据经修正处理后的温度序列T_A、T_B、T_C，输出样本为标准温升温度序列T_D，通常该组标准温升温度序列可通过开展模拟试验来获取；

步骤二，进行预处理；将上述四组温度序列T_A、T_B、T_C、T_D归一化处理，将样本数据转化为0～1范围内的数，得到新的温度序列T^*_A、T^*_B、T^*_C、T^*_D，避免不同量值对融合模型影响；

步骤三，合理选择重要模型参数；

步骤四，利用上述归一化处理后的训练样本集数据tr对融合测温模型进行训练；

步骤五，利用上述归一化处理后的检验样本集数据te对已训练好的模型进行检验；检验测温精度能否达到需求，如果没有达到需求，重新选择模型参数，进行模型的训练与检验，直至获得满意的融合测温模型。

采用上述技术方案，本发明的有益效果为：将目前最常用的三种摩擦副测温方法集中应用于本测温系统中，对三种测温方法的缺陷进行初始修正处理，并设计了融合测温模型，根据三种测温传感器所测温度可以准确得到摩擦副接触界面的实际温度，本发明能全面反映摩擦副接触界面的温度信息，实现对摩擦副接触界面温度的准确检测和实时监测。

附图说明

图1为摩擦副三点融合测温系统组成示意图；

图2为盘式结构的制动摩擦副三点融合测温系统结构示意图；

图3为预埋测温传感器结构示意图；

图4为温度监测软件显示界面示意图；

图5为建立支持向量机融合测温模型的流程图。

其中，001、制动盘，002、摩擦片，100、传感检测系统，101、预埋测温传感器，102、预置测温传感器，103、红外测温传感器，200、信号采集系统，201、PLC，202、工业通讯总线，203、计算机，300、软件系统，301、显示界面，302、融合测温模型，A、摩擦转矩-时间曲线，B、融合测温-时间曲线，C、红外测温-时间曲线，D、预置测温-时间曲线，E、预埋测温-时间曲线。

具体实施方式

下面以盘式结构的制动摩擦副为例，结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的摩擦副三点融合测温系统包括传感检测系统100、信号采集系统200和软件系统300；所述传感检测系统100包括预埋测温传感器101、预置测温传感器102及红外测温传感器103；所述信号采集系统200包括PLC201、工业通讯总线202及计算机203；所述软件系统300包括显示界面301和融合测温模型302。

所述预埋测温传感器101、预置测温传感器102及红外测温传感器103对摩擦副接触界面的温度信息进行捕捉并转换成电信号，所述电信号输出至信号采集系统200中，经PLC201处理后通过工业通讯总线202传送至计算机203，所述软件系统300的显示界面301实现所采集到温度信息的显示与存储，并通过调用融合测温模型302得到摩擦副接触界面的实际温度。

所述预埋测温传感器101设于摩擦副预先处理过的偶件内。所述预置测温传感器102的测温探头设于偶件摩擦表面附近区域。所述红外测温传感器103红外视场设于摩擦副接触区域。

下面结合图2与图3，以盘式制动器为例，对所述的三种传感器的测点位置作进一步描述。

如图2与图3所示，将热电偶传感器预先埋入摩擦片002一定深度，以实现预埋测温传感器101的布置与安装；在制动盘001的表面摩擦半径的位置预先安置热电偶传感器，以实现预置测温传感器102的布置与安装；选取制动盘001与摩擦片002接触区域作为红外测温的视场，以实现红外测温传感器103的布置与安装。

具体而言，预埋测温传感器101选用热电偶螺钉，对摩擦片002中部摩擦半径位置进行钻孔改造，热电偶螺钉通过螺纹连接方式安装在摩擦片002内，传感器探头的位置距离摩擦表面5mm左右；预置测温传感器102安装时需要适当调整与制动盘001的距离，使得传感器探头上触片与制动盘001表面刚好贴合，预置热电偶设于制动副接触区域附近，安装在制动盘001转动时离开摩擦接触区域的一侧；红外测温传感器103安装在可调装置上，通过改变其位置以找到最合适的红外视场，在进行位置调整时，可以用热源对摩擦接触区域加热，观察温度的变化以确定红外传感器103的最合适位置，红外测温视场设于制动盘001转动时离开摩擦接触区域的一侧。

本发明还提供了一种摩擦副三点融合测温方法，指的是采用预埋测温法、预置测温法和红外测温法三种方法对摩擦副接触界面附近三处不同位置的温度进行测量，形成一组多源温度信息，以全面反映摩擦副的温度特征，在对三种测温方法的缺陷分别进行修正的基础上，结合信息融合的技术以得到摩擦副接触界面的实际温度，并将此温度值在计算机上显示并储存。

所述三种测温传感器所测数据与实际温度值间存在一定偏差，通过相应的修正处理，以有效降低该偏差对融合测温模型的影响，该修正处理过程可嵌入至融合测温模型，具体的修正处理方案如下：

1)根据摩擦学知识和热传导的相关规律，推导摩擦界面温度与预埋测点温度之间的偏差规律，修正因摩擦片温度梯度效应引起的所述预埋测温与摩擦界面实际温度之间的偏差；

2)采用线性回归等方式，修正因预置测点温度滞后于摩擦界面温度引起的所述预置测温与摩擦界面实际温度之间的偏差；

3)采样数字滤波技术，改善因光电干扰而引起的所述红外测温温度波动现象。

如图2和图4所示，所述的显示界面301由LabVIEW编写，融合测温模型302由MATLAB编写的支持向量机算法构建，三种测温方法的修正处理程序嵌入至融合测温模型之中，LabVIEW通过MATLAB Script节点技术对MATLAB中的程序进行调用。

如图5所示，以支持向量机算法构建的融合测温模型为例，模型建立步骤如下：

步骤一，确定样本集数据；在本模型中，选用的训练样本集tr与检验样本集te皆由三输入、一输出组成：输入样本为上述三种测温传感器所得数据经处理后的温度序列T_A、T_B、T_C，输出样本为标准温升温度序列T_D，标准温升温度序列可通过开展模拟试验来获取；

步骤二，数据预处理；对上述四组温度序列T_A、T_B、T_C、T_D归一化处理，将样本数据转化为0～1范围内的数，得到新的序列T^*_A、T^*_B、T^*_C、T^*_D，以避免不同温度量值对融合模型的影响；

步骤三，利用交叉验证等方法来合理选择核函数参数、惩罚因子等重要支持向量机融合模型参数；

步骤四，利用上述归一化处理后的训练样本集数据tr对融合测温模型进行训练；

步骤五，利用上述归一化处理后的检验样本集数据te对已训练好的模型进行检验；检验测温精度是否达到需求，如果没有达到需求，重新选择支持向量机模型参数，进行模型的训练与检验，直至获得满意的融合测温模型。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。