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专利摘要

本发明公开了一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，包括以下步骤：根据待测轴承的材料选择相应的延迟块超声探头，并进行脉冲发射仪相应参数设置；采集延迟块探头表面的一次回波作为参考信号后，将延迟块超声探头放置于待测轴承背面指定区域，采集轴承上下表面时域回波信号；建立超声信号在高分子轴承中的传播模型，基于传播模型进行理论超声反射系数谱的计算；进行实测超声反射系数谱计算；构建目标函数，通过差分进化算法求解目标函数。本发明提出的高分子推力轴承磨损测量方法，同时求解出高分子轴承多个参数的方法来满足磨损监测的要求。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202211166006.7
申请日期:
2022-09-23
专利申请人:
武汉理工大学
分类号:
G01N29/07 ; G01B17/02 ; G06N3/00
发明/设计人:
严新平，宁昶雄，欧阳武，胡飞
权利要求: 1.一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，包括以下步骤：根据待测轴承的材料选择相应的延迟块超声探头，并进行脉冲发射仪相应参数设置，延迟块超声探头与脉冲发射仪连接，脉冲发射仪与数字示波器连接；采集延迟块探头表面的一次回波作为参考信号后，将延迟块超声探头放置于待测轴承背面指定区域，采集轴承上下表面时域回波信号；建立超声信号在高分子轴承中的传播模型，基于传播模型进行理论超声反射系数谱的计算；根据采集到所述轴承上下表面时域回波信号，进行实测超声反射系数谱计算；根据实测超声反射系数谱和理论超声反射系数谱，构建目标函数来表征实测回波信息与理论计算的相似程度，通过差分进化算法求解目标函数，当相关系数最大，均方根误差最小时，理论和实测反射系数幅度谱的相似程度最大，此时目标函数对应的自变量即为高分子轴承的参数值。2.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行脉冲发射仪相应参数设置时，设置脉冲重复频率、脉冲能量、阻尼、增益、以及滤波器带宽参数。3.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，建立超声信号在高分子轴承中的传播模型时，将轴承简化成均质、界面光滑的层状材料，介质I为延迟块，介质II为层状高分子材料，介质III为空气或者水，三者的声阻抗分别为Z1、Z2、Z3，其中，声阻抗在数值上等于介质密度乘以声速，当声压为1，频率为f的超声脉冲波沿z轴负方向垂直入射到三层介质中，接收到的反射波表示为：其中，P1为高分子层上界面的反射回波，P2为透射进高分子层在下界面反射1次后透射出上界面的声波，P3为透射进高分子层在下界面反射2次后透射出上界面的声波，Pn为透射进高分子层在下界面反射n次后透射出上界面的声波，r12和r23分别为超声波沿z轴负方向传播至界面1和2处的高分子层反射系数，r21为超声波沿z轴正方向传播至界面1处的高分子层反射系数，t12和t21为界面1处沿不同方向的声压透射系数，n为反射回波的次数，d和c2分别是高分子层的厚度和声速，α为高分子层的衰减系数，k2z为高分子层中沿z方向的波数，exp(2ik2zd)为声波在高分子层中往返一次后相位的变化，exp(4ik2zd)为声波在高分子层中往返两次后相位的变化，exp(2(n-1)k2zd)为声波在高分子层中往返(n-1)次后相位的变化。4.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行理论超声反射系数谱的计算时，高分子层反射系数R表示：高分子层反射系数R为复数，其模是频率的函数，称为超声反射系数幅度谱，表达为：高分子层衰减系数表示为：其中，A1(f)和A2(f)分别是高分子层上下界面反射回波的幅度谱，w为衰减因子。5.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行实测超声反射系数谱计算时，将采集到延迟块探头的参考信号进行数据补零，进行FFT变换得到频域幅度谱，截取其-6dB处带宽作为有效频带，将采集到的高分子轴承上下表面反射波进行时域分离，补零后进行FFT变换得到上下界面幅度谱A12(f)、上界面幅度谱A1(f)以及下界面幅度谱A2(f)，然后根据以下公式计算出实测超声反射系数幅度谱6.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，构建目标函数来表征实测回波信息与理论计算的相似程度时，选择相关系数和均方根误差作为目标函数来衡量理论和实测反射系数幅度谱的相似程度，相关系数反映了两组数据变化趋势的相似性，代入超声反射系数幅度谱的公式得到相关系数表达式：其中，N表示时域信号FFT变换后频域范围内的数据点数；下角标i表示第i个频率值；R(f；c2,d,ρ,w)和R(f；c2,d,ρ,w)*分别为有效频带内实测与理论反射系数幅度谱；和分别为有效频带内实测与理论反射系数幅度谱的算术平均值；引入均方根误差作为第二个约束条件，其反映了两组数据在数值上的一致性，代入反射系数幅度谱实测值R(f；c2,d,ρ,w)和理论值R(f；c2,d,ρ,w)*得到均方根误差表达式为：当相关系数最大，均方根误差最小时，理论和实测反射系数幅度谱的相似程度最大，此时目标函数对应的自变量即为高分子轴承的参数值。7.如权利要求1至6中任意一项所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，通过差分进化算法求解目标函数时，包括以下步骤：初始化：在待求参数的解空间中随机初始化种群；差异变异：在Rand变异策略下，对随机生成的子个体进行差异缩放来生产变异向量；交叉：利用二项分步的交叉算子进行交叉运算，生成测试向量；选择：采用贪婪选择策略，比较测试个体和父代个体的适应度，在新一代种群中保存最好的；判断：判断进化的终止条件，达到最大进化代数或获得最优解。8.如权利要求7所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，通过差分进化算法求解目标函数时，针对构建的目标函数，首先差分进化算法随机生成一个包含NP个可行解的种群{X1,g,X2,g,···,XNP,g}，g为进化代数，NP表示可行解的数量，X是种群中个体的表示符号，种群中的个体用于表征问题解，其中D为优化变量的维数，g为进化代数，每个个体在范围[Xmin，Xmax]内均匀随机确定，其中这一系列随机个体构成了初始种群，表示为公式：式中，rand(0,1)表示在0到1之间均匀随机确定的实数；差分进化算法通过差分策略实现个体变异，采用变异策略随机选取种群中两个不同的个体，将其向量差缩放后与待变异个体进行向量合成，生成的变异向量Vi,g表达为以下公式：Vi,g＝Xa,g+F·(Xb,g-Xc,g),a≠b≠c≠i；式中Xa,g、Xb,g和Xc,g为种群中随机选择的三个个体，F为缩放比例因子；差分进化算法引入了交叉操作，使得测试向量中至少一个分量来自变异向量，如以下公式所示：式中，randj(0,1)为0到1之间第j次计算的均匀随机数，CR为[0,1]范围内的交叉概率，索引jrand是随机选择的维数，用于确保测试向量Ui,g+1从Ui,g中得到至少一个元素，该交叉操作称为二项式均匀交叉；差分进化算法选择贪婪的选择策略，通过变异和交叉操作生成的个体与其父代个体进行比较，表现好的进入下一代种群，表示为以下公式：经过一系列变异、交叉和选择操作后，产生组成与下一代种群相同数量的新个体，前一代种群继续循环直到满足终止条件，最优的结果即为所求的轴承厚度参数。