本发明涉及安全帽质量检测领域,具体涉及一种基于时域瞬态分析的安全帽质量检测系统及检测方法。
背景技术：
国内现在生产销售的安全帽测试设备主要参考gb/t2812－2006《安全帽测试方法》进行设计生产，目前，对安全帽穿刺的试验测试主要采用以下方式：(1)打开仪器电源开关，预热20分钟左右，用左手抬起重锤，右手将安全帽放在头模上并固定好；(2)点击下降按钮，电机反转，提升架由下而上运行，当达到下限位时，即与落锤完全接触时，提升架停止运行并吸住落锤；点击上升按钮，电机正转，提升架和重锤同步上升，当上升到1m左右高度时，提升架和落锤停止运行；(3)点击清除按钮，清除显示屏上的力值，点击释放按钮，落锤通过轨道迅速落下，砸在安全帽的上端，同时冲击力值显示最大值并锁存；(4)记录实验数据，一次试验完成。
上述方式只是通过采集最大值来判断安全帽的质量，不能完整的检测整个行程中的受力力值变化，例如，有可能采集的最大值确实没有超标，但是，由于整个受力变化波形上升或下降的太快，实际安全帽的质量是比较差的，这种情况下，仅通过检测最大值来判断安全帽的质量是不准确的。比如，在正常情况下，安全帽的受力波形示意图如图1所示。
但是，在穿刺测试过程中，力值上升段的力值突变，也就是存在受力值快速的上升的情况。如果在受力上升段出现过此种情况，说明安全帽的受力值不是连续缓慢的上升到最大值(受力值连续缓慢的上升是符合安全帽对人头部保护的要求的)，而是有一定的短时间的突变冲击力的。这种突变的冲击力时间短、冲量大，即使最终受力最大值没有超过国家标准规定的最大值，但是还是会对人头部的冲击有很大的影响，出现这种情况的安全帽样品对人头部保护的实际保护效果是大大降低了，安全帽的受力波形力值上升段突变示意图如图2所示；
另外，还有可能的情况是：受力值上升过程的力值突变后刚好达到最大值，而且此最大值并没有超过国家标准，这种情况下，说明安全帽已经出现了临界损坏的情况，实则应该判定为测试不合格样品，但是按照现有检测方法则会漏判为合格样品，其受力波形示意图如图3所示。
而且，在穿刺测试过程中，也存在力值下降段的力值突变，也就是存在受力值快速的下降的情况。如果在受力下降段出现过此种情况，说明安全帽的受力值不是连续缓慢的下降(受力值连续缓慢的下降，说明安全帽在经过冲击最大值后的恢复原形过程中，并没有损坏)，如果受力值下降速度过快，说明安全帽已经出现了临界损坏的情况，此时，虽然在力值下降之前的冲击受力最大值并没有超过国家标准规定的最大值，实则应该判定为测试不合格样品，但是按照现有检测方法则会漏判为合格样品，其受力波形示意图如图4所示。
总之，现有的安全帽质量检测方法或设备仅仅检测最大值，无法检测力值突变或临界损坏等情况，难以准确的判断安全帽的质量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术仅检测安全帽受力的最大值，无法检测力值突变或临界损坏情况，导致安全帽质量检测不准确等缺陷，提出一种基于时域瞬态分析的安全帽质量检测系统及检测方法。
本发明是采用以下的技术方案实现的：基于时域瞬态分析的安全帽质量检测方法，包括以下步骤：
a、采集并存储安全帽穿刺试验整个测试过程中安全帽的受力力值变化数据；
b、基于上述受力力值变化数据，分析得到整个测试过程中安全帽的受力最大值，以确定安全帽的受力值上升段和受力值下降段；
c、若步骤b中的受力最大值超过安全标准值，则直接可确定安全帽质量不合格；若没有超过，则执行步骤d；
d、分别对受力值上升段数据和受力值下降段数据进行时域分析，判断是否存在力值突变情况：
d1、对受力值上升段数据进行时域分析，分析并判断受力值上升过程中是否存在力值突变情况：
(1)若力值没有突变，则说明安全帽质量合格；
(2)若力值存在突变，说明安全帽的受力值不是连续缓慢的上升到最大值(受力值连续缓慢的上升是符合安全帽对人头部保护的要求的)，而是有一定的短时间的突变冲击力，则分析确定发生力值突变的时间位置，进而判断是否存在临界损坏情况，所述时间位置是指在安全帽受力值上升过程中的初始段、中间段和最后段；
d2、对受力值下降段数据进行时域分析，分析并判断受力值下降过程中是否存在力值突变情况；
(1)若力值没有突变，则说明安全帽质量合格；
(2)若力值存在突变，则说明安全帽存在临界损坏情况，安全帽质量不合格。
进一步的，所述步骤d1中，在判断受力值上升过程中是否存在力值突变情况时：
(1)对采集存储的受力值上升段数据按照采样时间间隔δt进行微分运算分析，分析安全帽受力值上升过程中两相邻采样点的力值变化量δn，依据δn/δt得到相邻两个采样点力值变化的斜率；
(2)分析受力值上升过程中斜率的变化情况，根据受力值上升过程中的力值变化斜率的大小判断是否有力值突变情况。
进一步的，所述步骤d1中，力值存在突变情况下，若力值突变发生在受力值上升过程中的初始段或中间段，则说明存在短时间的突变冲击力，这种突变的冲击力时间短、冲量大，即使最终受力最大值没有超过国家标准规定的最大值，但是还是会对人头部的冲击有很大的影响，出现这种情况的安全帽样品对人头部保护的实际保护效果是大大降低了，虽然不存在临界损坏情况，安全帽质量合格，但其质量较差；若力值突变发生在受力值上升过程中的最后段，受力值上升过程的力值突变后刚好达到最大值，而且此最大值并没有超过国家标准，但安全帽已经出现临界损坏的情况，安全帽质量不合格。
进一步的，所述步骤d2中，在判断受力值下降过程中是否存在力值突变情况时：
(1)对采集存储的受力值下降段的力值数据按照采样时间间隔δt’进行数字微分运算分析，分析得到安全帽受力值下降过程中相邻两个采样点的力值变化量δn’，用δn’/δt’得到相邻两个采样点力值变化的斜率；
(2)分析受力值下降过程中斜率的变化情况，根据受力值下降过程中的力值变化斜率的大小判断是否有力值突变情况发生；因为受力值下降过程是安全帽在经过冲击最大值后的恢复原形的过程，不管突变出现在受力值下降过程中的初始段、中间段还是最后段，如果出现受力值的突变说明安全帽已经出现临界损坏的情况，则说明安全帽质量不合格。
本发明另外还提出一种基于时域瞬态分析的安全帽质量检测系统，包括主控制模块、压力信号采集及转换模块、a/d转换器、存储器及液晶显示屏，存储器和液晶显示屏均与主控制模块相连；压力信号采集及转换模块通过a/d转换器与主控制模块相连，压力信号采集及转换模块用以将安全帽穿刺试验过程中安全帽所受压力值快速、线性的转换成电压信号，a/d转换器快速的将该电压信号转换成主控制模块可以接收及处理的数字信号主控制模块得到a/d转换器输出的数据；
主控制模块包括受力最大值分析模块、受力值上升段分析模块和受力值下降段分析模块；所述受力值最大值分析模块用以获得安全帽穿刺试验过程中的受力最大值，初步判定安全帽质量合格与否，并确定安全帽的受力值上升段和受力值下降段；所述受力值上升段分析模块用以对安全帽受力值上升段数据进行时域分析，并判断是否存在力值突变情况，进一步判断该过程中安全帽是否存在临界损坏情况；受力值下降段分析模块用以对安全帽受力值下降段数据进行时域分析，并判断是否存在力值突变情况，进一步判断该过程中安全帽是否存在临界损坏情况；主控制模块的输出与液晶显示屏相连，以将数据分析过程中的判断参数及分析结果通过液晶显示屏显示。
进一步的，所述受力值上升段分析模块还包括力值突变时间位置分析模块，以分析判断力值突变发生在安全帽受力值上升过程中的初始段、中间段还是最后段，以获得更加准确的分析结果，提高安全帽质量检测精度。
进一步的，所述压力信号采集及转换模块采用压电式力传感器及电荷放大器，压电式力传感器的输出经电荷放大器与a/d转换器的输入端相连，以实现对安全帽受力信号的快速、线性的转换。
进一步的，所述a/d转换器采用ads1271，其与电荷放大器之间还连接有一前置处理电路，以对电荷放大器输出的电压信号进行预处理，且为了减小主控制模块的高频噪声对高精度a/d转换器的影响，a/d转换器与主控制模块之间通过光电耦合器相连。
进一步的，所述安全帽质量检测系统还包括与主控制模块相连的报警器，以根据主控制模块的分析判断结果输出相应的报警信息。
进一步的，所述判断参数包括安全帽穿刺试验过程中的受力变化波形数据、受力最大值数据和受力变化斜率最大值数据；所述分析结果包括安全帽质量合格、安全帽质量不合格和安全帽质量合格但质量稳定性差。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案所提出的安全帽质量检测系统及检测方法，通过对于安装在安全帽测试底座底部的压力传感器输出的变化的力值连续、实时采样和存储，并利用基于实时时域处理的方法对存储的力值波形信号进行前置滤波处理，结合特有的时域分析方法，即通过分析被测力值数据之间的关系得到实验过程中被测力值上升和下降过程中的关键特性，完成安全帽的穿刺实验的实时检测和处理、穿刺过程中瞬态力值分析、最大值分析以及相应的保护、报警、停机等操作，从而从贯穿整个穿刺全过程的角度，全面、准确、细致的检测判断安全帽是否合格。该检测系统及检测方法判断准确率大幅提高，在安全帽的穿刺测试检测中，能够快速、准确的检测判断，分析出表面合格、实际不合格或者质量较差的情况，并以液晶显示屏直观的显示波形和判断参数，具有较好的实用价值及推广意义。
附图说明
图1为正常情况下，安全帽的受力波形示意图；
图2为在力值上升段，安全帽受力力值突变的波形示意图；
图3为在力值上升段，力值突变后刚好达到最大值的安全帽受力力值突变波形示意图；
图4为在力值下降段，安全帽受力力值突变的波形示意图；
图5为本发明实施例2所述检测系统原理框图；
图6为本发明实施例2中主控制电路结构示意图；
图7为本发明实施例2中前置处理电路及a/d转换器电路结构示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、本实施例提出一种基于时域瞬态分析的安全帽质量检测方法，具体包括以下步骤：
a、采集并存储安全帽穿刺试验整个测试过程中安全帽的受力力值变化数据；
b、基于上述受力力值变化数据，分析得到整个测试过程中安全帽的受力最大值，以确定安全帽的受力值上升段和受力值下降段；
c、若步骤b中的受力最大值超过安全标准值，则直接可确定安全帽质量不合格；若没有超过，则执行步骤d；
d、分别对受力值上升段数据和受力值下降段数据进行时域分析，判断是否存在力值突变情况：
d1、对受力值上升段数据进行时域分析，分析并判断受力值上升过程中是否存在力值突变情况：
(1)若力值没有突变，则说明安全帽质量合格；
(2)若力值存在突变，说明安全帽的受力值不是连续缓慢的上升到最大值(受力值连续缓慢的上升是符合安全帽对人头部保护的要求的)，而是有一定的短时间的突变冲击力，则分析确定发生力值突变的时间位置，进而判断是否存在临界损坏情况，所述时间位置是指在安全帽受力值上升过程中的初始段、中间段和最后段；
d2、对受力值下降段数据进行时域分析，分析并判断受力值下降过程中是否存在力值突变情况；
(1)若力值没有突变，则说明安全帽质量合格；
(2)若力值存在突变，则说明安全帽存在临界损坏情况，安全帽质量不合格。
步骤d1中，在判断受力值上升过程中是否存在力值突变情况时，采用以下方式：
(1)对采集存储的受力值上升段数据按照采样时间间隔δt进行微分运算分析，分析安全帽受力值上升过程中两相邻采样点的力值变化量δn，依据δn/δt得到相邻两个采样点力值变化的斜率；
(2)分析受力值上升过程中斜率的变化情况，根据受力值上升过程中的力值变化斜率的大小判断是否有力值突变情况，若斜率变化有比较大的值，说明力值有突变的情况。
而且，具体的来说，步骤d1中力值存在突变情况下，若力值突变发生在受力值上升过程中的初始段或中间段，则说明存在短时间的突变冲击力，这种突变的冲击力时间短、冲量大，即使最终受力最大值没有超过国家标准规定的最大值，但是还是会对人头部的冲击有很大的影响，出现这种情况的安全帽样品对人头部保护的实际保护效果是大大降低了，虽然不存在临界损坏情况，安全帽质量合格，但其质量较差；若力值突变发生在受力值上升过程中的最后段，受力值上升过程的力值突变后刚好达到最大值，而且此最大值并没有超过国家标准，说明安全帽已经出现临界损坏的情况，安全帽质量不合格。
步骤d2中，在判断受力值下降过程中是否存在力值突变情况时，采用与受力值上升段相似的方式，即：
(1)对采集存储的受力值下降段的力值数据按照采样时间间隔δt’进行数字微分运算分析，分析得到安全帽受力值下降过程中相邻两个采样点的力值变化量δn’，用δn’/δt’得到相邻两个采样点力值变化的斜率；
(2)分析受力值下降过程中斜率的变化情况，根据受力值下降过程中的力值变化斜率的大小判断是否有力值突变情况发生；因为受力值下降过程是安全帽在经过冲击最大值后的恢复原形的过程，不管突变出现在受力值下降过程中的初始段、中间段还是最后段，如果出现受力值的突变说明安全帽已经出现临界损坏的情况，则说明安全帽质量不合格。
本实施例提出的检测方法克服传统思维方式限制，从更加安全、可靠的角度出发，通过贯穿整个穿刺全过程的角度，全面、准确、细致的检测判断安全帽是否合格，相对于传统只检测最大值的方式判断准确率大幅提高，通过该方法的应用，能够显著提高安全帽的检测水平，为使用者人身安全提供保障，具有较高的市场价值及推广价值。
实施例2，基于实施例1所述的检测方法，本实施例提出一种基于时域瞬态分析的安全帽质量检测系统，参考图5为其原理框图，包括主控制模块、压力信号采集及转换模块、a/d转换器、存储器及液晶显示屏，存储器及液晶显示屏均与主控制模块相连；压力信号采集及转换模块通过a/d转换器与主控制模块相连，压力信号采集及转换模块用以将安全帽穿刺试验过程中安全帽所受压力值快速、线性的转换成电压信号(比如，输入力值0-2000n对应输出电压0-10v)，a/d转换器快速的将该电压信号转换成主控制模块可以接收及处理的数字信号(比如，40ms采集转换1024个数据)，主控制模块还包括fir数字带通滤波模块，主控制模块得到a/d转换器输出的数据后，经过fir数字带通滤波模块滤波后存储到存储器，即使突然掉电也不丢失，可以长期保存；
数据分析主要通过主控制模块(主控制器)实现，所述主控制模块包括受力最大值分析模块、受力值上升段分析模块和受力值下降段分析模块；所述受力值最大值分析模块用以获得安全帽穿刺试验过程中的受力最大值，初步判定安全帽质量合格与否，并确定安全帽的受力值上升段和受力值下降段；所述受力值上升段分析模块用以对安全帽受力值上升段数据进行时域分析，并判断是否存在力值突变情况，进一步判断该过程中安全帽是否存在临界损坏情况；受力值下降段分析模块用以对安全帽受力值下降段数据进行时域分析，并判断是否存在力值突变情况，进一步判断该过程中安全帽是否存在临界损坏情况；主控制模块的输出与液晶显示屏相连，以将数据分析过程中的判断参数及分析结果通过液晶显示屏显示，所述判断参数包括安全帽穿刺试验过程中的受力变化波形数据、受力最大值数据和受力变化斜率最大值数据；所述分析结果包括安全帽质量合格、安全帽质量不合格和安全帽质量合格但质量稳定性差。
对应的，为了得到更加准确的分析结果，所述受力值上升段分析模块还包括力值突变时间位置分析模块，以分析判断力值突变发生在安全帽受力值上升过程中的初始段、中间段还是最后段，正如实施例1所述的检测方法，对于受力值上升段发生力值突变的时间位置不同，安全帽的质量也是对应不同的结果，有效提高了安全帽质量检测精度。
主控制模块的电路结构示意图如图6所示，主要包括cpu及其外围电路、按键输入电路、继电器输出电路(即图5所示的输入/输出模块)，存储器电路等；在安全帽穿刺试验控制系统中，所述按键输入电路是指清零、吸和、释放等按键，工作时，先按清零键清除显示上次测量指示的最大值；吸和键是用于告知主控制器要控制电磁铁通电吸住测试重锤；释放键是告知主控制器控制电磁铁断电释放重锤，电磁铁释放重锤后，重锤做自由落体砸在被测试的安全帽上。电磁铁的通电与否(通电即可吸住重锤，吸住重锤后断电即可释放重锤)是通过继电器输出电路来实现，继电器闭合电磁铁通电，继电器断开电磁铁断电，其中cpu采用的是st公司的cortex-m4内核的高速浮点处理器stm32f429igt6；存储器采用的是华邦公司spi接口32m字节存储容量的w25q256；图形的显示和人机交互部分采用的是7寸彩色的触摸液晶屏，直接显示采集力的波形和测试判断的结果，以完成测试流程。
本实施例中，所述压力信号采集及转换模块采用压电式力传感器及电荷放大器，压电式力传感器的输出经电荷放大器与a/d转换器的输入端相连，以实现对安全帽受力信号的快速、线性的转换，所述a/d转换器采用ads1271，其与电荷放大器之间还连接有一前置处理电路，前置放大电路及a/d转换器电路结构示意图如图7所示，前置处理电路是把电荷放大器输出的电压信号进行预处理，将其幅值调整到a/d转换器可以接收的电压范围；adr03是一个高可靠性、高精度、超低温漂的电压参考，其恒定输出2.5v电压，为a/d转换器提供一个电压参考值，由于电荷放大器输出的电压信号范围是+/-10v(实际只是用到了0-10v)，本实施例采用运算放大器u14a及其外围电路组成将输入的+/-10v信号线性比例衰减4倍，调整到+/-2.5v，同时抬升2.5v的电压，变为0-5v，符合a/d转换器接收电压范围。a/d转换器与cpu之间通过spi通信接口连接，为了减小cpu的高频噪声对高精度a/d转换器的影响，这里采用hcpl2631光电耦合器光电隔离cpu与a/d转换器之间的电气连接。另外，为了所述安全帽质量检测系统还包括与主控制模块相连的报警器，以根据主控制模块的分析判断结果输出相应的报警信息，执行相应的动作。
为了更清楚的理解本发明的实施过程，下面对其检测过程介绍如下：将需被检测的安全帽放置在头模上，压电式力传感器连接在头模的底端，当释放落锤后，落锤通过轨道迅速的下落砸到安全帽的上端，冲击力会经过安全帽和头模传递到最底端的压电式力传感器，由于安全帽的缓冲装置，落锤下落接触到安全帽上后会被弹起来，头模底部的压电式力传感器会检测到此过程受力值先增大再减小的过程，并经过电荷放大器转换成先增大再减小的电压信号(安全帽穿刺实验的主要过程就是检测此过程中的最大值)，电荷放大器输出0-10v电压信号，对应于受力的0-20000n。主控制模块通过a/d转换器采集穿刺试验整个过程输出的电压值，采样速率设定为25.6khz，在40ms内采集1024个采样点，并存储在系统的存储器中，然后通过实施例1所述的检测方法对安全帽的质量进行时域分析及判断，进而得到精确的检测结果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。