一种基于Hilbert-Huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统

一种基于hilbert-huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统
技术领域
1.本发明涉及磁头滑块检测技术领域，具体为一种基于hilbert-huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统。


背景技术：

2.目前，磁头热飞行控制(thermalflightcontrol，简称tfc)滑块的飞行特性得到了较多的研究。以往的研究表明，tfc滑块在飞行过程中存在许多非线性动态现象。xu等利用激光多普勒测振仪研究滑块与润滑剂在垂直、俯仰、滚转、偏离轨道和下降轨道方向的相互作用下的运动。滑块运动的频谱分析表明，所有自由度的激励发生在相同的频率上。chachisv，bogydb研究了在地面/接触试验中观察到的某些滑块设计的特殊动态响应。非线性系统理论是用来强调由于在内部共振条件下不利的耦合系统的振动模式造成的滑块的不稳定性，并从理论上预测，滑块的大振幅振动很可能是由滑块的激励频率和主频率响应引起的。gangchen基于接触/摩擦-振动相互作用产生的声发射，系统地讨论了硬盘中空气轴承滑块接触/摩擦引起的振动，并提出了一种利用接触/摩擦感应声发射技术进行圆盘表面筛选和批量生产认证的方法。这些研究突出了一些重要的空气轴承曲面设计要素，这有助于防止滑块不稳定，减少不必要的滑块振动，从而确保在极低的头盘间隙下的可靠性。此外，通过这些研究还可以表明，振动的谐波检测是为了表征热飞行控制滑块的非线性动力学，从而定性地了解磁头的飞行状态。
3.快速傅里叶变换(fft)中谐波的检测是表征tfc滑块非线性动力学的关键。sheng和xu将tfc滑块与地面接触时测得的声发射信号作为振动近似值，利用高阶频率响应函数来识别飞行高度控制滑块的动力学特性。结果表明，滑块振动在热接触过渡阶段表现出弱非线性特征，而在过推和轻接触阶段表现出线性特征。chen、zheng和bogy研究了轻触过程中不同的动态阶段，并验证了滑块可以达到冲浪阶段，其特点是接触信号幅度相对较低。冲浪状态还包含明显的频率内容，并在润滑剂层的可移动部分上表现出埃级调制。angyang和yuwang在频谱分析的基础上，分别使用不同的频段来定位结构模态和气浮模态。此外，统计方法和回归分析技术被用来定量描述磨损量与从振动信号中提取的耗散能量之间的关系。rahulrai和puneetbhargava提出了一种使用嵌入式接触传感器(ecs)检测磁头-磁盘间距变化的方法。ecs频率分量的大小可以用来确定“特征间距”，利用ecs对滑块激励的频域响应，可作为检测磁头界面距离变化的测量方法。结果表明，基于ecs的接近度度量方法能够很好地捕捉磁头间距的变化。这些研究结果表明，基于fft的频谱分析是一种很好的头部飞行分析方法。然而，在现实中准确检测tfc滑块的多次谐波振动是一个非常具有挑战性的问题，因为fft中的谐波呈现亚纳米级的峰值，并且经常受到噪声的污染。此外，由于界面润滑剂和材料磨损的不确定性，tfc滑块的接触振动可能是非平稳的，具有瞬态和突变的接触信息，而采用基fft的频谱分析方法难以提取详细的附带信息。
4.当磁头碰撞和摩擦发生或发展时，会导致动态信号的不平稳。通过使用非平稳的
新数字化处理方法对磁头-磁盘接触信号进行分析，可以获得越来越详细的信息。针对测试信号的非平稳性问题，he和chen引入了奇异值分解方法来提高多次谐波的检测精度。通过奇异值分解理论，可以实现对信号噪声的衰减，准确提取瞬态突变的接触信息。sheng和he对10纳米以下空气轴承滑块(微滑块)的瞬态动力学特性进行了实验研究，引入经验模态分解来获得滑块的非平稳非线性响应。结果表明，具有自适应分解能力的经验模态分解方法，能够清晰地区分滑块的微弱影响和磁盘上的缺陷，能表征滑块接触响应的非平稳非线性谱特性。wang和yuan引入了改进的邻域系数去噪和最大最小阈值的集成噪声重建经验模态分解(enemd)方法，来识别滑块在冲击过程中的非平稳和瞬态动力学特性。结果表明，enemd方法可以揭示滑块由冲击引起的瞬态动力学特性，并说明滑块接触时空气轴承模式对滑块动力学特性起主要影响。
5.然而，除了接触引起的非线性响应特性(包括幅度、频率等)外，接触间隔的长短对于飞行状态的判断也很重要，目前上无法对滑块和磁盘之间的接触间隔长短进行检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于hilbert-huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统，以解决上述背景技术中提出的除了接触引起的非线性响应特性(包括幅度、频率等)外，接触间隔的长短对于飞行状态的判断也很重要，目前上无法对滑块和磁盘之间的接触间隔长短进行检测的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于hilbert-huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统，包括：
8.被测件；
9.固有模态函数检测机构，所述固有模态函数检测机构设置在所述被测件的上端，用于执行被测件的固有模态函数检测；
10.瞬态频率检测机构，所述瞬态频率检测机构与所述被测件相连接，用于执行被测件的瞬态频率检测。
11.优选的，所述被测件包括磁盘、安装在所述磁盘底部带动磁盘旋转的电机以及悬置于磁盘顶部边缘处的滑块，所述滑块与所述磁盘之间的间距为10纳米。
12.优选的，所述固有模态函数检测机构包括悬置于所述磁盘和所述滑块上端的激光多普勒测速传感器、连接至所述激光多普勒测速传感器远离所述磁盘一端的第一滤波器以及连接至所述第一滤波器上远离所述激光多普勒测速传感器一端的第一示波器，所述第一示波器连接至pc端。
13.优选的，所述瞬态频率检测机构包括连接至滑块的信号调整器、连接至所述信号调整器上远离所述滑块一端的第二滤波器、设置在所述滑块上的声发射检测仪、连接至所述声发射检测仪上远离滑块一端的前置放大器、连接至所述前置放大器上远离所述声发射检测仪一端的第三滤波器以及连接至所述第三滤波器上远离所述前置放大器一端的第二示波器，所述第二示波器与所述第二滤波器相连接，所述第二示波器与所述第二滤波器均连接至pc端。
14.优选的，所述滑块的大小为0.85x0.7x0.23mm3。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该种基于hilbert-huang变换的触控滑块
亚纳米尺度谐波检测系统，通过固有模态函数检测机构和瞬态频率检测机构能够检测滑块和磁盘之间的接触间隔长短，能够有效地判断滑块飞行过程中接触的严重程度。
附图说明
16.图1为本发明结构示意图；
17.图2为本发明非接触式ldv信号的imfs示意图；
18.图3为本发明非接触ldv信号imfs的瞬时频率示意图；
19.图4为本发明轻接触下ldv信号的imfs示意图；
20.图5为本发明轻接触下ldv信号imfs的瞬时频率示意图；
21.图6为本发明重接触下ldv信号的imfs示意图；
22.图7为本发明重接触下ldv信号imfs的瞬时频率示意图；
23.图8为本发明imf1轻触时的时域波形和瞬时频率示意图；
24.图9为本发明重接触下imf2和imf3的时域波形和瞬时频率结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明提供一种基于hilbert-huang变换的触控滑块亚纳米尺度谐波检测系统，通过固有模态函数检测机构和瞬态频率检测机构能够检测滑块和磁盘之间的接触间隔长短，能够有效地判断滑块飞行过程中接触的严重程度，请参阅图1，包括：被测件、固有模态函数检测机构和瞬态频率检测机构；
27.被测件，所述被测件包括磁盘、安装在所述磁盘底部带动磁盘旋转的电机以及悬置于磁盘顶部边缘处的滑块，所述滑块与所述磁盘之间的间距为10纳米，所述滑块的大小为0.85x0.7x0.23mm3；
28.固有模态函数检测机构，所述固有模态函数检测机构设置在所述被测件的上端，用于执行被测件的固有模态函数检测，所述固有模态函数检测机构包括悬置于所述磁盘和所述滑块上端的激光多普勒测速传感器、连接至所述激光多普勒测速传感器远离所述磁盘一端的第一滤波器以及连接至所述第一滤波器上远离所述激光多普勒测速传感器一端的第一示波器，所述第一示波器连接至pc端；
29.瞬态频率检测机构，所述瞬态频率检测机构与所述被测件相连接，用于执行被测件的瞬态频率检测，所述瞬态频率检测机构包括连接至滑块的信号调整器、连接至所述信号调整器上远离所述滑块一端的第二滤波器、设置在所述滑块上的声发射检测仪、连接至所述声发射检测仪上远离滑块一端的前置放大器、连接至所述前置放大器上远离所述声发射检测仪一端的第三滤波器以及连接至所述第三滤波器上远离所述前置放大器一端的第二示波器，所述第二示波器与所述第二滤波器相连接，所述第二示波器与所述第二滤波器均连接至pc端。
30.实施例
31.非接触式案例
32.对于非接触情况，ldv信号被代入图2所示的5个主要固有模态函数(imf)，其图中a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-imf1、(b)-imf2、(c)-imf3、(d)-imf4和(e)-imf5，其瞬态频率(instantaneousfrequency，if)如图3所示，其图中a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-if1、(b)-if2、(c)-if3、(d)-if4和(e)-if5，这两个数字都没有显示出明显的规律性，但imf越高，带宽越高；
33.轻微接触案例
34.为了获得更详细的数据，对轻微接触的案例进行了相同的分析(图4和5)，图4中的a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-imf1、(b)-imf2、(c)-imf3、(d)-imf4和(e)-imf5，图5中的a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-if1、(b)-if2、(c)-if3、(d)-if4和(e)-if5。从图4中，可以从提取的imfs中观察到imf分量的显着影响，这表明了碰撞接触信息，图5显示了imfs的前五个瞬态频率(if)，if1在大部分时间内显示出高波动，除了一些特定的持续时间，这将在讨论部分进行解释，if2有类似的影响信息，这意味着组件的不稳定性；
35.重度接触案例
36.对于重度接触案例数据(图6和7)，图6中的a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-imf1、(b)-imf2、(c)-imf3、(d)-imf4和(e)-imf5，图7中的a、b、c、d和e分别对应关系为(a)-if1、(b)-if2、(c)-if3、(d)-if4和(e)-if5，在360khz的if1中可以看到明显的振动频率，此外，在时域中也可以看到不稳定的幅度，imf2的振幅在一定的时间内随着频率的飙升而崩溃，imf3说明了幅度和频率的显着影响，表明其不稳定性；
37.在轻微接触的情况下，接触引起振动增加，但高频分量的一些随机振动受到抑制，例如，在图8中，当滑块与磁盘接触时，碰撞摩擦不仅会导致振动幅度增加，还会受支撑刚度和阻尼约束而限制频率，这种imf幅度的飙升和频率的崩溃充分说明了滑块和磁盘的接触情况，并清楚地证明了emd分析比fft更能反映接触细节；
38.在重度接触的情况下，接触增加了圆盘的刚度，这导致了360khz的新谐振频率，如图6a和图7a，图9是imf2和imf3在时域的幅度波形及其瞬态频率if2和if3，当imf2“下降”时，if2从接近80khz“跳跃”到接近210khz，这意味着振动正在从强迫状态转移到自由状态，而频率正在从共振频率转移到自然频率，与imf2相比，imf3同步显示正好相反的趋势，因此，我们评估这些压实组件是由滑块和磁盘的脱离和接合引起的刚度变化产生的；
39.从上面的分析可以得出，无论是轻接触还是较重接触，其ldv信号hht获得的瞬时频率中包含周期性突变的成分，轻接触不碰摩阶段的高频成分频率相对较低，而且不碰摩阶段的高频成分持续时间较长，而较重接触正好相反，具有高频成分的不碰摩阶段较窄，因此，可以通过周期突变成分的频率高低和时间长度来判断碰摩的剧烈程度和持续时间，而在实际中，接触的剧烈程度和持续时间恰恰是最为关心的问题，是评估飞行质量的重要依据，因此，通过本文提出的方法，可以较为有效地判断磁头飞行过程中接触的严重程度，获得比fft等全局方法更好的评估结果；
40.在本发明中，使用hht方法在非接触、微接触和重接触三种情况下分析了滑块与磁盘接触引起的ldv波形，通过对他们的主要固有模态函数(imfs)，及其瞬态频率(ifs)分析，得出以下结论：
41.(1)fft和hht都可以检测接触频率，
42.(2)hht可以提取有关振动幅度的更详细信息，
43.(3)在轻微和严重两种情况下，对于某些imf分量，滑块与磁盘的啮合会导致振幅增加而频率降低，
44.(4)在相同的重接触条件下，fft和hht的谐振频率都出现在360khz，
45.(5)利用hht获得的周期突变成分的频率高低和时间长度来判断碰摩的剧烈程度和持续时间。
46.虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。