一种基于k均值聚类的双声发射源定位方法
【专利摘要】本发明一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其步骤如下：一、在结构体上均匀绘制网格坐标图；二、在交点处安装声发射传感器；三、在结构体表面进行断铅试验，调试设备的安装和耦合；四、选定门限，确定所有传感器的波达时间；五、选取波达时间最早的八个传感器；六、获得该八个传感器坐标；七、基于欧氏距离对前八个传感器进行K均值聚类，将其划分为两组，每组各四个传感器；八、分组进行时差定位，确定两个声发射源。通过以上步骤，实现了结构体中同时存在两个声发射源时的源定位，提高了监测效率和定位精度，解决了处于正常工作状态中的结构体损伤自动监测与双损伤源定位的实际问题。
【专利说明】
一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法
技术领域
[0001]本发明提供一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，它涉及一种两个同时发生的声发射源的时差定位方法，属于声发射无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002]声发射检测具有检测灵敏度高和定位准确的优点，针对储油罐等等大型结构的腐蚀或裂纹损伤，均可采用声发射方法进行实时在线监测。采用声发射方法进行监测时，声发射传感器阵列一般均布在结构外壁上，当损伤发生时，通过比较传感器接收到的声发射波达时间，即可进行时差法定位。然而，当这些结构上同时出现两个或更多的声发射源时，不同的声发射传感器可能被不同的声发射源触发，导致到达时间混淆，因此直接利用时差定位法进行定位，将会产生虚假定位点，导致定位错误。例如，大型储油罐壁面以均匀布置的声发射传感器进行实时监测，此时罐壁上同时出现了两个发射源，发射源A附近的声发射传感器为A1、A2、A3、A4，B附近的声发射传感器为B1、B2、B3、B4，这八个声发射传感器接收到的信号的波达时间很接近，可能出现A1-A2-A3-B1、A1-A2-B2-B3等传感器触发次序，错从而造成虚假定位。
[0003]在设备中存在两个同时发生的声发射源的现象在工程中是不可完全避免的，目前尚缺少有效的声发射源定位方法。本专利提出一种利用先收到声发射信号的传感器进行空间聚类的方法，对传感器进行位置分离，使得每组传感器都是由同一声发射源信号触发，进而利用时差定位法实现声发射源位置的定位。其思想是，声发射传感器主要由附近的声发射源触发，因此，当同时存在两个声源时，那些较快接收到声发射信号的传感器可按照空间所处位置划分为2个聚集。根据该现象，本专利引入K均值聚类方法，并且自动建立相关的目标函数组合，实现双声发射源情况下的传感器聚类，使得每组传感器都是由同一声发射源信号触发，进而通过时差定位法确定声发射源的位置。
[0004]K均值聚类方法是一种硬聚类算法，是典型的基于原型的目标函数聚类方法，它把数据点到原型的某种距离作为优化的目标函数，利用求极值的方法得到迭代运算的调整规则。K均值聚类算法通常以欧氏距离作为目标函数的评价标准，采用误差平方和准则函数作为聚类准则函数，求对应某一初始聚类中心向量的最优分类，在这种最优分类下评价指标最小值。该算法认为簇是由距离相近的对象组成的，因此把得到紧凑且独立的簇作为最终目标。它的算法过程如下:
[0005]I)从N个数据点中随机选取K个数据点作为质心；
[0006]2)对剩余的每个数据点测量其到每个质心的距离，并把它归到最近的质心的类；
[0007]3)重新计算已经得到的各个类的质心；
[0008]4)迭代2?3步直至新的质心与原质心相等或小于指定阈值，算法执行结束。
[0009]鉴于此，本专利提出一种将波达时间与欧氏距离作为两步迭代运算评价标准的K均值聚类方法，实现对存在两个同时发生的声发射源的情况下中声发射传感器的自动聚类，使得每类传感器都是由同一声发射源信号触发，继而利用时差定位法实现两个声发射源的定位。
【发明内容】
[0010]1、本发明的目的
[0011]针对常规的声发射时差定位方法无法直接定位两个同时发生的声发射源，本发明提供了一种基于K均值聚类的双声发射源时差定位方法:利用波达时间和传感器间欧氏距离作为迭代的评价标准，根据与发射源的距离长短将声发射传感器划分为两类，使得每类传感器都是由同一声发射源信号触发，避免信号的互相干扰;再依据同一类传感器接收到的信号进行时差定位，避免虚假定位的出现，并准确定位出两个声发射源。
[0012]2、技术方案
[0013]本发明提出一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其技术方案主要包括下列步骤:
[0014]步骤一:在待监测的结构体上以直角坐标系绘制坐标图，按照矩形形状均匀地绘制网格，网格交点作为声发射传感器的安装位置，并且记录传感器的坐标；
[0015]步骤二:按照坐标图安装声发射传感器，然后将声发射传感器与声发射检测仪相连；
[0016]步骤三:接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在结构体表面进行断铅试验，通过信号检测调试设备与声发射传感器的安装和耦合，调试正常后则进行数据采集；
[0017]步骤四:选定门限，确定所有声发射传感器的波达时间；
[0018]步骤五:获得波达时间后，选取波达时间最早的八个传感器；
[0019]步骤六:由之前绘制的坐标图获得选取的八个传感器的坐标；
[0020]步骤七:对前八个传感器，基于欧氏距离进行K均值聚类，可依据不同发射源的相对位置将前八个声发射传感器再次划分为两组:A组为离发射源A近的AhA^AhA4四个传感器，B组为离发射源B近的B1HJ4四个传感器；
[0021]步骤八:分别采用A组和B组的四个传感器进行时差定位，即能确定两个声发射源。
[0022]其中，在步骤一中所述的“均匀”是指声发射传感器布置点两两之间的距离相等；所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；
[0023]其中，在步骤二中所述的“声发射检测仪”是由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成，该前置放大器的功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大;所述的声发射信号采集仪是常规用的声发射测试仪器;所述的“按照坐标图安装声发射传感器”，该“安装”是利用耦合剂使声发射传感器与待检结构体表面良好接触；
[0024]其中，在步骤三中所述的“声发射信号采集仪”是指常规的进行声发射数据自动采集的仪器;所述的“断铅试验”，是指采用直径为0.5mm的2H石墨铅笔芯，与待测的板状结构体表面呈30°左右夹角，倾斜折断；
[0025]其中，在步骤四中所述的“选定门限”是指在信号归一化后，将0.1作为门限值;所述的“波达时间”是指各个声发射传感器首次接收到超过设定门限的采样点的时间；
[0026]其中，在步骤五中所述的“获得波达时间后，选取波达时间最早的八个传感器”，是指确定波达时间最早的前八个传感器；
[0027]其中，在步骤七中所述的“欧氏距离”是指将结构体侧面展开为矩形后，传感器间的平面距离;所述的“K均值聚类”是指采用欧氏距离作为评价指标，进行迭代的K均值聚类方法；
[0028]其中，在步骤八中所述的“时差定位”是指利用四个传感器组成的矩形阵列以及它们各自的波达时间进行四圆交点定位的方法。
[0029]通过以上步骤，实现了结构体中被两个同时存在的声发射源触发的声发射传感器分离，使得每类传感器都是由同一声发射源信号触发，进而通过时差定位法对声发射源进行有效定位;提高了监测效率和定位精度，减少了人工成本和人为因素对监测结果影响，解决了处于正常工作状态中的结构体损伤自动化在线监测与双损伤源定位的实际问题。
[0030]本发明的基本原理是:在对大型结构设备进行监测时，一般采用全壁面均匀布置传感器的方法。然而，当声发射源不止一处时，由于两个信号的相互干扰，使得传感器可以监测到发射源的存在，却无法进一步进行定位。本发明通过K均值聚类方法，以传感器间欧氏距离作为评价指标，设计目标函数先后进行迭代，从而将两个声发射源附近的传感器划分为两类，使得每类传感器都是由同一声发射源信号触发，分别实现发射源定位，避免了由于选择错误的传感器阵列而出现虚假定位点的问题。
[0031]3、本发明的有益效果在于:
[0032](I)本发明填补了目前针对时差定位法无法进行多声源定位这一空白。在不进行复杂信号处理的情况下，就能实现两个同时存在的发声发射源的定位，改善了处理此类问题的效率与精度；
[0033](2)本方法引入K均值聚类算法，以欧氏距离作为评价指标，基于二者对信号源与传感器间相对距离的客观反应完美地实现传感器的类别划分；
[0034](3)本发明实现方法简单，仅需在大型结构表面均匀布置传感器，即可在后续的过程中实现自动监测与定位。
【附图说明】
[0035]通过阅读下面对本发明的示例性实施例的详细描述，同时结合附图考虑，可更好地理解本发明的上述实施例和其它实施例、目的、特性、优点、技术上和工业上的意义，各附图中:
[0036]图1为钢板中双声发射源传感器阵列聚类实现的示意图。图中序号说明如下:
[0037]1-钢板，2-声发射传感器(在图中用*号表示)，3-信号发生器(坐标:(8.5cm，8.5cm)和(17.5cm，17.5cm))，4-前置放大器，5-声发射信号采集仪，6-计算机。
[0038]图2为本发明所述方法的流程图。
[0039]图3为图1中钢板I上坐标(25cm，25cm)处声发射传感器监测到的信号。
[0040]图4为图1中的最先收到声发射信号的八个传感器。
[0041]图5为图4中的传感器进行K均值聚类后分成两类的传感器。
[0042]图6为利用本发明提出的方法得到的定位结果和实际发射源位置的对比。
[0043]图中序号、符号、代号说明如下:
[0044]“☆”为模拟发射源的实际位置，和“Λ”为聚类后的两类传感器，“X”为分别采用两类传感器数据进行时差定位的结果。在本实施例中，其定位结果分别为(8.8352cm，8.8352cm)和(17.5cm,17.5cm)。
【具体实施方式】
[0045]在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。
[0046]本发明提出了一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，所测结构为钢板，尺寸为30CmX30CmX0.5Cm，利用信号发生器模拟同时发生的两个声发射源，测试试验平台如图1所示，该方法具体流程如图2所示，具体实施步骤如下:
[0047]步骤一:在待监测的钢板I表面绘制坐标图，以间距为5cm的正方形阵列绘制坐标点作为传感器2安装位置，再选择除传感器位置以外的任意两点作为发射源3位置，如图1中“ ☆”所示;
[0048]步骤二:记录传感器2和发射源在平面直角坐标系中的坐标，其中传感器间距为5cm，发射源3坐标为(8.5cm,8.5cm)和(17.5cm，17.5cm)；
[0049]步骤三:安装声发射传感器2(共25个)和信号发生器3，然后将声发射传感器2通过前置放大器4与声发射信号采集仪5相连，并将采集仪5与计算机6相连；
[0050]步骤四:接通电源，打开采集软件，观察发生器3输出信号在计算机6中的显示验证连接和耦合是否正常，正常即可进行数据采集，如图3即为坐标为(25cm，25cm)处传感器接收到的信号波形；
[0051]步骤五:选择门限，对所有传感器2接收到的信号进行波达时间选取；
[0052]步骤六:选择波达时间较早的八个传感器，如图4所示；
[0053]步骤七:选择欧氏距离作为评价指标，对靠近发射源3的传感器进行K均值聚类，将剩余的传感器划分为两组:发射源3A周围的四个传感器和发射源3B周围的四个传感器，如图5所示；
[0054]步骤八:分别利用A组和B组中的四个构成矩形阵列的传感器采集到的波达时间进行时差定位，定位结果如图6所示。
[0055]其中，在步骤一中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；
[0056]其中，在步骤三中所述的“声发射检测仪”是由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成，“信号发生器”是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备；
[0057]其中，在步骤五中所述的“波达时间”是传感器首次接收到超过设定触发门限的采样点的时间；
[0058]其中，在步骤七中所述的“欧氏距离”，是传感器间的直线距离。
[0059]其中，在步骤八中所述的“时差定位”是指利用四个传感器组成的矩形阵列以及它们各自的波达时间进行四圆交点定位的方法。
【主权项】
1.一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于:主要包括下列步骤: 步骤一:在待监测的结构体上以直角坐标系绘制坐标图，按照矩形形状均匀地绘制网格，网格交点作为声发射传感器的安装位置，并且记录传感器的坐标； 步骤二:按照坐标图安装声发射传感器，然后将声发射传感器与声发射检测仪相连；步骤三:接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在结构体表面进行断铅试验，通过信号检测调试设备与声发射传感器的安装和耦合，调试正常后则进行数据采集； 步骤四:选定门限，确定所有声发射传感器的波达时间； 步骤五:获得波达时间后，选取波达时间最早的八个传感器； 步骤六:由之前绘制的坐标图获得选取的八个传感器的坐标； 步骤七:对前八个传感器，基于欧氏距离进行K均值聚类，依据不同发射源的相对位置将前八个声发射传感器再次划分为两组:A组为离发射源A近的AhA^AhA4四个传感器，B组为离发射源B近的B1、B2、B3、B4四个传感器；步骤八:分别采用A组和B组的四个传感器进行时差定位，即能确定两个声发射源；通过以上步骤，实现了结构体中被两个同时存在的声发射源触发的声发射传感器分离，使得每类传感器都是由同一声发射源信号触发，进而通过时差定位法对声发射源进行有效定位;提高了监测效率和定位精度，减少了人工成本和人为因素对监测结果影响，解决了处于正常工作状态中的结构体损伤自动化在线监测与双损伤源定位的实际问题。2.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于:在步骤一中所述的“按照矩形形状均匀地绘制网格”，该“均匀”是指声发射传感器布置点两两之间的距离相等。3.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤一中所述的“声发射传感器”是指压电谐振传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤二中所述的“声发射检测仪”，是由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成，该前置放大器的功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大，该声发射信号采集仪是常规用的声发射测试仪器;所述的“按照坐标图安装声发射传感器”，该“安装”是利用耦合剂使声发射传感器与待检结构体表面良好接触。5.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤三中所述的“声发射信号采集仪”是指常规的进行声发射数据自动采集的仪器；所述的“断铅试验”，是指采用直径为0.5mm的2H石墨铅笔芯，与待测的板状结构体表面呈30°左右夹角，倾斜折断。6.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于:在步骤四中所述的“选定门限”，是指在信号归一化后，将0.1作为门限值;所述的“波达时间”，是指各个声发射传感器首次接收到超过设定门限的采样点的时间。7.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤五中所述的“获得波达时间后，选取波达时间最早的八个传感器”，是指确定波达时间最早的前八个传感器。8.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤七中所述的“欧氏距离”，是指将结构体侧面展开为矩形后，传感器间的平面距离;所述的“K均值聚类”，是指采用欧氏距离作为评价指标，进行迭代的K均值聚类方法。9.根据权利要求1所述的一种基于K均值聚类的双声发射源定位方法，其特征在于: 在步骤八中所述的“时差定位”，是指利用四个传感器组成的矩形阵列以及它们各自的波达时间进行四圆交点定位的方法。
【文档编号】G01N29/44GK105866253SQ201610397979
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】潘强, 苏聚英, 郭鹏程, 何田, 单颖春
【申请人】北京航空航天大学