PDF
研究文章|开放获取
平陈,Xingliang他,魏的歌, ”参数识别Mode-Converted波在单一超声波对螺栓轴向应力评估使用伽柏变换”,杂志上的传感器, 卷。2020年, 文章的ID8883845, 11 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/8883845
参数识别Mode-Converted波在单一超声波对螺栓轴向应力评估使用伽柏变换
文摘
在本文中,一种新的参数识别方法mode-converted波在单源超声波提出和应用在螺栓轴向应力的估算。克服mode-converted波的混叠失真和单一超声波信号,基于伽柏变换时频参数识别方法介绍认识到准确的飞行时间(TOF) mode-converted波。基于单一纵向超声的模式转换,一种新的非线性评价模型基于acoustoelastic方程推导出确定螺栓的轴向应力。的性能评估方法通过比较它与常用的TOF比率法的纵波和横波(自旋)。实验结果表明,该方法是更有效的连接状态检测螺栓接合方法比传统的自旋。
1。介绍
放松是一种失败,可以显著影响螺栓接头的刚度和可靠性。螺栓预加载不足将大大增加总体机械结构解体的风险。解决关键问题的一种方法在维护结构的强度,确保安全工程师是运用适当的预紧力的螺栓接合,进行轴向应力的长期在线监测。最常用的无损评估方法的压力包括光弹方法(1),电阻应变计法(2],压电电阻法[3),主动传感方法(4,5),超声检测方法(6- - - - - -9]。在所有这些方法中,超声检测方法被认为是一个潜在的替代技术由于其方便测量螺栓张力有更好的精度。
在超声检测技术中,acoustoelastic方法采用TOF (6- - - - - -12)是一个典型的压力测量方法。在TOF法、差异之前和之后螺栓加载计算和乘以一个acoustic-stress因素来实现轴向压力。而这种方法的一个缺点是它不能用来衡量一个固定螺栓的应力。Yasui et al。13]提出了基于多源超声波条件下方法解决这个问题,在这一压力是根据测量纵波的TOF比率(L-wave)和横波(横波)两个独立的传感器安装在两端螺栓的小心翼翼和精度。和TOF比率被证明是独立的原始长度的螺栓或初始TOF。然而,耦合条件(例如,安装位置,压力,和偶联剂浓度)L-wave和横波换能器必须是可重复的,以确保准确性。因此,该方法在实际条件下难以实现可靠的测量结果。金和香港14]提出了应力测量方法使用纵向波的波型转换,以减少实验误差造成的不同接触状态。然而,与多源方法相比,由于混叠失真mode-converted波信号用于金的方法,很难获得准确的TOF直接。他们用一个特别设计的探针与声透镜生成mode-converted波信噪比高(限幅的比例)。此外,有必要提供足够的空间来安装特别设计的探针,与工件的长度不能超过透镜的焦距。因此,一个新的mode-converted波的参数识别方法单一超声波必须研究促进测量螺栓的效率。
在本文中,一种新型轴向压力评价方法使用mode-converted波所产生的单一超声波提出了基于伽柏变换。首先,扭曲和mode-converted过程单一超声纵向的混叠信号进行了分析。然后,基于伽柏变换参数识别方法和高斯经验模型获取准确TOF mode-converted信号的介绍和通过仿真,证明了其有效性。接下来,一个新的非线性模型评估螺栓的轴向应力推导基于acoustoelastic方程。最后,该方法的性能评估通过比较它与常用的TOF比率法的纵波和横波。实验结果表明,该方法是更有效的比传统检测螺栓接头的连接状态条件下的方法。
2。TOF识别方法在单一超声波
2.1。在超声检测Mode-Converted波
速度和横波的偏振方向和L-wave弹性相关属性,各向异性,目前材料的应力状态。L-wave和横波传播在固体介质,而只有L-wave可以在流体介质传播。当纵波光束进入液体培养基的固体培养基,它不仅是反映在接口但还将推出一个正交bipolarized横波和其他一些界面附近的波形,如瑞利波和爱波。同样的,当存在超声波事件从流体介质的固体培养基,反射波和正交bipolarized横波。这种现象被称为模式转换。图1显示了一个典型的模式转换过程在单站回波脉冲实验中,红色的光束代表纵波和绿色光束代表横波。
在图1,我公司代表事件单一纵波换能器产生的。在固液界面,L公司获取一个反射波反射传输L-wave (LL)和传播横波(LT)。假设反射纵波的角和剪切波的角度 ,它们之间的关系可以由斯涅尔定律描述:
在方程(1),和指L-wave声速度和横波在固体培养基,分别。当我和LT到达的另一端安装稳固,再次发生模式转换。会生成微光波和图象波,LT生成LTL波和光线照射波。最后,所有的波进行模式转换后再到达固体界面,左侧和部分传播到耦合层都将转化为纵向波和被传感器。应该注意的是,图象的传播距离和LTL理论上是完全一样的。
声学波的交通时间可以把TOF、和和分别表示L-wave的渡越时间和横波,。TOF和声速之间的关系可以表示为 在哪里固体培养基的长度。和转换波资料的TOF ( , , ,和 )在固体可以表示为
当入射方向垂直界面,角度和约等于零。所以,他们的关系可以被描述为
方程(3)和(4)可以确定转换波的位置大约在时域信号。一般来说,光线照射波有严重的衰减振幅和瀑布附近的微光的第二个回波(因为的旅行速度L-wave横波)的近两倍。因此,光线照射波不适合压力评估。由于衰减相对较低,有可能剩余的图象波和LTL波采用压力评估。然而,他们在时域波形完全重叠,因为图象和LTL TOF理论上完全相同(在这里我们使用LC代表重叠mode-converted波形)。此外,信用证常常表现出不同程度的非线性失真和混淆引起的耦合条件和多模式转换。结果,直接收购LC TOF通过原始信号几乎不可行。
2.2。使用伽柏变换参数识别方法
互相关法是最常用的参数识别方法获取TOF的超声波信号,可以实现高估计精度条件下的高信噪比(信噪比)。然而,由于非线性失真和混叠在LC,应用互相关方法,这种情况可能会导致额外的错误(15]。介绍了一个基于实证模型的超声信号处理方法(15,16)和伽柏变换(17识别参数的信用证。伽柏变换是一种时频变换方法,广泛应用于信号参数估计的能力,揭示当地的信号或图像的频率分布。本文从时频分析的角度来看,伽柏变换适用于信用证的经验模型的参数估计。作者使用表达的信号时域的LC可以被描述为一个二维时频扩张通过应用伽柏变换:
在方程(5),和代表了时间和频率平面的二维坐标,和是时间和频率的宽度的网格平面,分别伽柏膨胀系数,是伽柏生成函数。更重要的是,也定义为伽柏变换(GT)的 :
根据超声换能器的物理特性常用的螺栓压力检测技术,高斯衰减信号(18是选为实证模型来描述信用证:
在方程(7),振幅,是形状的因素。由于高斯函数仍然是一个高斯核函数傅里叶变换后,其能量分布集中在频域和时域,可以清楚地揭示了信号的局部细节。考虑到是一个高斯模型,分析窗口与高斯核函数选为伽柏生成功能:
为了确保窗口函数的能量均匀性,让
然后,伽柏的欧几里得距离母函数和实证模型被用来描述之间的相似性和 ,可以表示为哪一个
事实上,寻找最大相似性的目的伽柏生成函数和实证模型相当于获得方程的最小值(10)。自和都是负的,无关和 ,方程的最小值(10)转化为最大的价值 。和 可进一步写成
总之,经验模型的参数识别信用证可以被描述为
2.3。使用粒子滤波参数识别
当然,方程的解决方案(12)是一个典型的二维优化问题。考虑到估计精度和收敛速度,粒子滤波方法选为方程的解算器(12)。粒子滤波算法的基本思想是蒙特卡罗方法,近似和替换系统的概率密度函数,通过大量的随机抽样并选择一个子集序列重要性采样的粒子根据后验概率为了缩小范围的估计(19- - - - - -22]。假设目标向量 :
信用证的经验模型的参数识别过程基于粒子滤波的方法如下:(1)假设的长度的时间和频率轴向平面伽柏扩张和 ,分别。建立初始粒子集根据粒子的数量 :
在方程(14),是指目标向量中每个粒子的初始设置和每个粒子的概率是在初始设置。他们可以表示成吗
为了确保普遍性,重要性选择均匀分布作为初始分布: (2)替代的价值和在方程(11)对每个粒子的集合,然后的表达 可以导出。接下来,我们可以计算状态转移概率之间的可能性 和 。相对应的归一化权重给出了每个粒子的状态转移概率 (3)执行顺序的重要性重新取样根据消除阈值等于平均的 。粒子与低体重被淘汰,那些高体重保留和复制。重新取样后,可以导出为设置的新粒子 (4)重复步骤(1)(3),直到每个粒子的值是完全一样的,最后的目标向量表示为
和对应TOF和LC mode-converted波的中心频率。
2.4。模拟
评价该方法的性能,一群双高斯回波信号与不同TOF和中央频率模拟mode-converted波介绍了信用证。信号的一般表达式 在哪里和代表回波包络的振幅,和TOF,和中心频率,和是形状的因素。在每一个信号, , , ,和 。TOF的值,这些信号的中心频率如表所示1。初始设置是由10000的范围内随机选择的粒子 和±0.5 MHz的预设值。在-10分贝~ 10 dB应用高斯白噪声的信号来模拟不同信噪比条件下,TOFs和中心频率1 ~没有。8信号识别和计算每个信号超过100次。1号信号如图5分贝噪音2(一个)如图,伽柏扩张2 (b)。它可以观察到在图2(一个)时域信号的严重扭曲和回声是淹没在杂乱,回声可以认清伽柏图的扩张(图2 (b))和识别结果如表所示2。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(一)模拟信号
(b)伽柏扩张的结果
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
TOF差异造成的acoustoelastic效应在实际的测量通常是1%左右,而对该方法的测量误差TOF平均约为0.5%条件下的低信噪比,如表所示2。因此,使用伽柏变换参数识别是有效的,可以应用于TOF mode-converted波的识别单一超声波。
3所示。螺栓轴向应力的非线性评价模型
3.1。基于Mode-Converted超声非线性评价模型
现有的评估模型(6- - - - - -14螺栓轴向应力的简化和线性。这是不可避免的引起额外的拟合误差。在本部分中,一个新的螺栓轴向应力的非线性评价模型,提出了其非线性特性是更好的满足声弹性效应理论的特点。根据弹性理论和非线性声学(23), 在哪里和纵波和横波的速度是在压力下的固体培养基,分别;和他们的速度在无压力状态;和拉梅系数;和三阶弹性常数和是固体的密度。方程(21)可以写成 在哪里
弹性波的传播速度是随介质的应力状态方程的基础上(22),而在实际测量中,由于速度变化的声音太弱探测、TOF通常是经常使用的,而不是速度。图3显示了一个典型的螺栓连接结构,和是等效应力和总长度的螺栓长度,分别。由于螺栓加载的应力分布不均匀,螺栓可以简化为轴对称圆筒应力分布均匀,在其中代表缸的长度。然后,TOF可以表示为 在哪里和分别是TOF L-wave和横波。平方的商通过 ,我们可以获得
让
然后,方程(25)可以简化为
自TOF LC可以表示为
TOF比率LC波微光波(LC-L方法)派生
最后,轴向应力可以通过下面的非线性计算模型:
基于上面的推导过程中,只要相关系数材料属性和TOF比率是已知的,可以确定螺栓的轴向应力。
3.2。压力评价流程图
的过程中螺栓轴向应力的测量和校准方法使用单一mode-converted超声波如图4。(1)机测试的头螺栓平面和挂载一个纵向换能器耦合状态正确,确保稳定(2)通过进行单站获得原始信号回波脉冲实验,然后重新取样信号至少100倍信号的统计数据(3)提取波形的微光( )和LC ( )每个信号的一个矩形窗口(4)利用Gabor变换,得到的伽柏扩张和(5)计算TOF LC和微光粒子滤波的优化方法(6)获得的价值每个信号除以TOF LC TOF的微光(7)平均的统计和得到最好的估计价值减少随机误差(8)变化的负载测试螺栓和重复操作2 - 6至少10倍完成螺栓的校准过程测试(9)相关的压力和校准数据。然后,进行非线性拟合估计的价值 , ,和在方程(30.)的评价模型螺栓的轴向应力(10)对轴向应力的非线性评价模型
4所示。实验
4.1。设置
JSR PRC50超声波收发卡片,选择增益范围从-14 dB - 60 dB超声波传感器的执行机构。作为pcie - 9852示波器采样率和广告链接上选择200 MHz的数据采集硬件。集成到一个便携式工业计算机,如图5。然后,超声波校准/测量软件实现励磁,超声信号的采集、加工程序是基于虚拟仪器。达科塔PT7磁纵向超声换能器选择作为奥林巴斯L-wave源和v - 156 rm横向超声换能器和横波源选择。两个探测器的中心频率是5 MHz。两种类型的螺栓选择不同规格和材料作为测试样本。标本的规范是列在表中3。CTM2200S拉力试验机是用来模拟加载条件下的最大负载2000公斤和加载精度±0.1%。
|
|||||||||||||||||||||||||||||
4.2。TOF估计
图6显示了超声信号采集样本 兴奋的PT7 L-wave换能器。根据方程(3)和(4),大典时的波形和信用证可以被很明显,如图6。和微光的TOF几乎可以直接获得,因为其波形显然是一个锋利的脉冲。虽然LC的波形是由几个山峰与振幅和不同的阶段,其TOF不能直接确定。图7显示了LC拦截从原始信号的波形及其伽柏扩张。从图7 (b),它可以观察到有一个顶点的图伽柏扩张,和拦截的TOF波形可以通过提出了粒子滤波方法。
(一)信用证波形
(b)伽柏LC的扩张
为了消除温度对声速的影响,整个实验是恒定的温度下进行(20°C)。加载范围是0 - 190 MPa和加载步骤10 MPa。TOF的伸长acoustoelastic造成的效果是1纳秒/ MPa左右,但作为pcie - 9852的最小采样周期是5 ns。有一定概率的变化信号不能收集完整,所以介绍了一维快速傅里叶插值法提高采样率。处理后ten-time upsampling,系统的时间分辨率升级到0.5 ns。估计TOFs不同应力状态下使用该方法如表所示4和5,在这的时间比纵波(L)剪切波(S)和转换波的时间比率(LC)纵波。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.3。校准/测量
螺栓的轴向压力校准测试使用自旋法和LC-L法,分别。图8显示了从Levenberg-Marquardt非线性拟合的方法获得的校准曲线。它可以清楚地观察到的结果LC-L方法明显比条件下的结果从图方法8。拟合模型和原始数据之间的相关系数0.9957 LC-L方法的示例 和0.9994的样品 。条件下方法的相关系数为0.9487 和0.94664的样品 。
(一)样本条件下的结果的方法
(b)的样本结果LC-L方法
(c)条件下的样本结果的方法
(d)的样本结果LC-L方法
两个螺栓完全相同的样品选择测试该方法的有效性。拉力试验机加载后一步的20 MPa,不同应力状态下TOFs使用该方法是公认的。然后,Levenberg-Marquardt模型校准结果用来评估螺栓的应力。评价结果如表所示6和7和图9。在图9,黄色栏代表了绝对的错误使用方法和蓝色栏指的是绝对误差条件下的方法。结果显示,平均评价错误LC-L法和自旋法的样本 分别是1.789%和4.671%。和样品的平均误差 分别是2.582%和4.634%。结果,该方法具有更高的精度,因为它利用了一个纵向超声。然而,自旋法的准确性相对较低的差异L-wave和横波换能器耦合条件。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(一)样本误差
(b)错误的样本
5。结论
为了确定mode-converted波参数的单一超声螺栓压力评估,基于伽柏变换时频参数识别方法和新的螺栓轴向应力提出了评价模型。在分析了超声纵波传播的模式转换过程中安装稳固,一个参数识别方法基于Gabor变换,实现准确的TOF mode-converted波介绍克服单一的混叠失真和超声波信号,通过仿真,证明了其有效性。基于单源超声波和acoustoelastic效应的模式变换,非线性评价模型提出的轴向应力。该方法是较常用的条件下通过一系列的校准和实验方法。和实验结果表明,该方法能有效检测螺栓轴向应力从20 MPa 200 MPa,准确率更高。结果,该方法更加有效,适用于检测螺栓接头的连接状态比传统条件下的方法。
数据可用性
测量数据用于支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51374264)和重庆的科技重大项目(批准号cstc2018jszx-cyztzxX0032)。
引用
- l .彭美国大学勒,l . et al .,”研究螺栓的预紧力涂料光测弹性学,”中国力学季刊,2卷,第278 - 275页,2013年。视图:谷歌学术搜索
- 张x王,问:太阳,f, j .段梁h, h·王,“屋顶上的静态电阻应变仪设计螺栓基于ATMega16L,”辽宁科技大学学报(自然科学),2卷,第292 - 288页,2011年。视图:谷歌学术搜索
- 振国郭和z的太阳”,基于压电阻抗的预应力力监测PSC梁,“先进材料的研究卷,255 - 260,742 - 746年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- j .徐h·李,张c, c . Wang j .,和美国球迷,“健康监测螺栓球节点连接的基于有源传感技术利用压电陶瓷换能器,”传感器,18卷,不。6,1727年,页2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- y . j . f . Wang, l, l . Li d . Liu和l .朱”PEFKS——CP-ABE-based interest-centric机会网络中分布式安全方案,“国际期刊的分布式传感器网络卷。2013年,10页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- s . g . Joshi和r . g . Pathare“超声波仪器测量螺栓压力,”超声学,22卷,不。6,261 - 269年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- j·s·海曼和大肠搅动,“超声波测量轴向压力,”杂志的测试和评估,10卷,不。5,202 - 211年,1992页。视图:谷歌学术搜索
- d . i Crecraft”应用和残余应力的测量金属使用超声波,”杂志的声音和振动,5卷,不。1,第192 - 173页,1967。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- n y妮可缇娜和洛杉矶奥斯特洛夫斯基超声波应力测量方法在工程材料,”超声学,35卷,不。8,605 - 610年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- a·c·霍尔特b·坎宁安g·c·约翰逊,和d . Auslander“轴向螺栓应力的决心,超声波技术”回顾进展定量无损评价,第1557 - 1549页,1987年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- d·e·布雷”应用超声波应力测量工程组件”,美国声学学会杂志》上,卷102,不。5,3082 - 3082年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- h .美国Youbin, x, z健民,“应用超声波测量技术对螺栓应力磨机外壳的收紧,“开采和加工设备,8卷,第116 - 112页,2012年。视图:谷歌学术搜索
- h . Yasui h .田中,藤井裕久,k .川岛”超声波测量短螺栓轴向应力的考虑非线性变形,“JSME国际系列固体力学和材料工程》杂志上,42卷,不。1,第118 - 111页,1999。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- 金和m .香港“使用mode-converted超声波测量的轴向压力,”无损检测& E国际,42卷,不。3、164 - 169年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- r . Demirli和j . Saniie”,基于模型的超声回波估计我部分:分析和算法,”IEEE事务超声波,铁电动车和频率控制,48卷,不。3、787 - 802年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- l . Angrisani A Baccigalupi, r . SchianoLoMoriello”基于卡尔曼滤波的测量方法对超声波飞行时间估计,“IEEE仪表和测量,55卷,不。2、442 - 448年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- z . k . Lu, c·杨和j·w·王,“伽柏基于变换的时频超声回波信号的估计,”电子与信息技术杂志》上,3卷,第657 - 652页,2013年。视图:谷歌学术搜索
- x y z . b . d . w . Wang Wang Chen等人“超声回波处理方法基于dual-Gaussian衰减模型,”《物理学报》,8卷,第176 - 168页,2019年。视图:谷歌学术搜索
- h .黄w·李·d·a·罗·d·w·邱和y高,“地磁室内定位的改进粒子滤波算法,”杂志上的传感器卷。2018年,9页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- m . Mishra j . Odelius a . Thaduri a·尼森和m . Rantatalo“铁路轨道几何粒子基于过滤器预后方法”,机械系统和信号处理卷,96年,第238 - 226页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- k·李和l . Chang“健壮的高斯粒子滤波修正似然函数的基础上,“专业科学、测量及技术,12卷,不。1,第137 - 132页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- w . y . Kim涌,d .香港“室内停车定位双重加权粒子滤波的基础上,“国际精密工程与制造》杂志上,19卷,不。2、293 - 298年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
- j·l·罗斯和p·b·伊“超声波在固体介质,”美国声学学会杂志》上,卷107,不。4、1807 - 1808年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
版权
版权©2020平陈等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。
