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空气传导新型声发射传感器的研究.doc

空气传导新型声发射传感器的研究.doc

上传者: HeaTHEr立坡 2017-11-15 评分 3 0 31 4 142 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《空气传导新型声发射传感器的研究doc》,可适用于战略管理领域,主题内容包含空气传导新型声发射传感器的研究空气传导新型声发射传感器的研究第卷第期I年l月|一f北京理il大学JournalofBelIlgInstituteof符等。

空气传导新型声发射传感器的研究空气传导新型声发射传感器的研究第卷第期I年l月|一f北京理il大学JournalofBelIlgInstituteofTechno~'VolloctNo空气传导新型声发射传感器的研究,L邢济收王信义徐春广(北京理工大学机械工程系,北京~)'C摘要提出了一种用于刀具破,磨损监测的新型非接触声发射传感器,它盲接利用空气作为声发射信号传导介质,便于安装使用实验证明浚传感器具有较高的灵敏度和抗r扰能力井可应用于其它声发射监测的场合TH竖tv~分类号Ir彼文献f提出了一种新型非接触的流体声发射传感器,利用机床切削冷却液作为刀具破,磨损声发射信号的传递媒介,传感器安装在润滑冷却液的管道端部,有效地解决了安装问题但在无须冷却液的加工中,这种传感器无法直接使用本文提出了一种利用空气直接作为声发射信号传递媒介的非接触式新型声发射传感器,可以象流体声发射传感器一样方便地安装在机床润滑冷却液管道的端VI实验证明了它具有良好的性能,安装方便,抗干扰能力强,可用于刀具破,磨损的实时在线监测及其它声发射监测的场合传感器的原理与结构声发射(AE)是材料受力作用产生变形或断裂时,以弹性波形式释放出应变能的现象这种弹性波必须通过一定的传播媒介到达传感器的敏感元件,使其机械能转变为易于后续处理的电信号一般情况下,声发射源信号较弱,在传播过程中,随距离增加,声波幅值(能量)还要逐步衰减,不同介质,不同传播条件衰减规律不同对于接触型声发射传感器,利用固体作为声波传播介质,由于固体密度大,声波衰减较小,传感器的敏感元件可以得到较强的激励,产生较强的信号,传感器的结构相对简单本文提出的空气传导声发射传感器,是以空气作为传播介质,由于空气密度小,声波在传播过程中衰减大所以,当声发射传感器以空气直接作为信号传递媒介,要求传感器具有高的灵敏度和抗干扰能力在设计传感器时,要考虑优化结构和选用灵敏度高,信噪比高的敏感元件材料根据上述分析,作者设计了如图所示的传感器收稿日期:l一一l々国家自然科学基金资助项目,国防科技预研基金资助课题,意【氧图】传感器结构f』北京理工人学第卷其中为前盖,既保护内部敏感元件又能允许空气传导来的声发射信号透过它到达敏感』L什为敏感件将声发射信转变成电信号为衬套,壳体和敏感元件之起到缓,巾作}H使壳体的机械振动较小地影响敏感儿什同时起匹配吸收体的作用,使人射到敏感元件的声能部进人吸收体内,以减小声波在敏感几件两个界面之间的多次反射,防止波形失真为接线座为壳体,为置放大器,因为声发射信号的频率高,频带宽,所以要求采用大增益宽带前置放大器所用前置放大器频带为kHz,MHz增益dB传感器的幅值距离特性根据声波导理论,弹':波在介质中传播时其能量随传播距离的增加而逐渐减弱衰喊符合下面规律:e或A::()式中一测量点相对于波源的距离与界质有关的衰减系数A的'情况()()一处的信号振幅A一=处的信号振幅处的信号振幅式{)和【)分别代表不同声场为了研究本传感器的幅值一距离特性,以钻头断裂为声源,变化传感器与声源的距离,崩高速数据采集仪采集传感器的输出信号并用微机进行数据处理和绘图,图是其处理过程的框图图是不同距离时声发射传感器输出信号幅值变化情况从图中可以看出,距离增大,信号幅值明显减小为了分析衰减特H,在各种不同距离时进行多次试验将其结果进行均处理,消除其随机性,得到如图和图所示的传感器输出信号幅值一距离特性r,,,,,r一l市源l,,Jj,jJl传感器【前置放^器)r一高速信来集性I微机散据址理给图f剧寿号处卿图d=mm=nmI'『一',点数之一一'ifd=nm』=nun'k}b"I…l『fI『f………一】l:llJ点数l问传橘埘r离钻又破损时占发射信幅值变化情况第期邢济收等:空气传导新型声发射传感器的研究曲线图实线表示信号电压幅值与传播距离的关系纵坐标是幅值的平均值,可由下式求得N【,专'(一一一)()其中V一第i个距离时的信号幅值均值P一样本号V一一第p个样本的电压最大值V…一第p个样本的电压最小值Jv一第i个距离的样本总数图实线表示信号的均方根电压值与距离的关系纵坐标代表均方根电压值的平均值,由下式求得s舌舌()其中一第i个距离时的信g均方根电压值均值V一第p个样本的第个数据n一第p个样本的采样点数其余同式()xnm传感信值业离的差乐mm传感{占均根值高的关系从图和图可看出,信号的幅值和均方根值随距离增大衰减迅速为求得其衰减规律,分别按式()和式()对其进行最小二乘曲线拟合虚线表示按式()拟合的结果,虚线表示按式()拟合的结果对图幅值曲线进行拟合得到的数学模型为【,=ex或=()()式中x一传感器与声发射源的距离对图均方根值曲线进行拟合得到的数学模型为S=e,或S=()r)式中一信号的均方根电压值从图中可看出,实际衰减情况比较符合式()所示的声波衰减规律即在一定距离范围内,信号强度与传感器离声源的距离成反比,这对应于球面声场的声波衰减情况这就要求在安装传感器时,应使传感器尽可能地靠近待监测的刀具,获得较强的信号,当距离较远时,应及时调整后续放大电路的增益和报警触发阈值,减小误报和漏报传感器的频率特性对采样信号的自相关函数数据进行傅里叶变换,可以得到不同传播距离时的自功率谱如图所示从图可看出,随距离变化传感信号的功率谱的幅值逐步减小,频率范围在北京理工大学一第卷I芏j同传播距离时传感信的白功率谱,kHz之问而传感器的抗干扰能力主要在于各种工况干扰信号的频带能否与要监测的声发射信号的频带有效地区分开为此,对几种典型的工况干扰条件下的传感器输出信号进行采样,图所示为它们的自功率谱一lkHzjJftkHz)t感器量l巾上时输出信弓的l功书l曹ltkHz)kHz|dIz』Jlk}b)Il什受重物冲击时传感器输信的f,tkllzflkHzc)传感器量Er中山时输出信号的(d】传感器安装束杆受碰撞时输出信的自功率谱(rikKz)自功率谱【,kHz)图各种工况干扰条件下传感器输出信号的自功率谱第期邢济收等:窀气传导新型声发射传感器的研究从图可以看出,各种工况干扰条件下传感器的输出信号的频率都较低,一般在kHz以下,而图所示的刀具破损时声发射信号频率较高,频带在,kHz之间,即工况干扰信号与刀具破损时声发射信号频率分布范围明显不同这样,在后续的处理电路中,可以用高通滤波的方法,去除干扰信号,以提高系统的抗干扰能力实验为了验证传感器的性能,在普通车床和加工中心上进行了大量的实验工作传感器输出的信号由刀具破损监测仪进行处理和显示报警传感器可很方便地安装在机床上,图所示是在加工中tL,上的安装示意囤钻头破损实验在CAo车床和MCV立式加工中心上进行了大量的钻头破损实验,切削条件为:高速钢钻头,机床转速min,进给rnmr,监测结果见表立铣刀破损实验图传感器安装使用示意图工件,一钻士,一机床主轴一砖却液管,一传感器在加工中心上进行了立铣刀的破损实验,铣刀直径mm和irlin,机床转速rmin表钻头破损监测结果切深irlin监测结果见表从表中可以看出利用空气声发射传感器监测刀具破损在不影响加J中心上刀具自动换刀的距离以内(irlin左右),具有很高的成功率表铣刀破损监测结果北京理工大学第卷结论本文提出的空气传导新型声发射传感器具有很高的灵敏度和抗干扰能力,在不影响加工中心自动换刀的距离之内,监测刀具破损的成功率很高,安装方便,可装于机床切削冷却液管道端口,特别适台FMS,CIMS等自动化加工系统切削铸铁等材料或进行高速切削不需要切削冷却液时,实时在线监测刀具的破磨损,也可用于其它声发射监测的场台,是一种有实用价值的新型声发射传感器参考文献徐春广王信义,肖定国材料动态裂纹在线监测的声发射传感新方法北京:北京理工大学,()一李造鼎故障诊断的声学方法北京:冶金工业出版社,DamodarasamySRamanShivurnarAninexpensivesystemfor幽tool憾rstatesusmgpatternreoognitior~Wear,,:,AStudyonAirConductingAcousticEmissionSensorXingJishouWangXinyiXuChunguang(DepartmentofMechnk:alElil艟强BcmtiluteofT~kmology,B面tosbAbstractAnewtypeofoontactessaooustieemissionSensorispresentedUsingairaSthesignalconductingmediumitcanconvenientlybe删asthemonitoroftooldamageandearExperimentsshowthatithashighsensitivityandantidisturbanceabilityItGillbeusedinothermonitoringsapplyingAEwordsacousticemissionset~ormonitoring

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