CN108956771A - 基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，包括高功率多通道主动激励模块、高速采集前端、损伤特征参数提取及评估模块、传感器夹持装置、供电模块和散热模块；高功率多通道主动激励模块用于将激励信号施加于特种车辆传动轴上，由设置在传动轴另一端的高速采集前端采集；损伤特征参数提取及评估模块包括超声导波信号数字示波器和监控端，超声导波信号数字示波器输出激励信号，同时接收高速采集前端采集的信号，监控端用于对接收的信号进行损伤特征提取与评估，并进行损伤显示。本发明具有集成度高、操作简单、损伤识别准确、观测直观等优点。

Description

基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***

技术领域

本发明涉及车辆检测技术，具体涉及一种基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***。

背景技术

随着国家工业技术的快速发展，车辆已经成为人类不可缺少的工具。其中，特种车辆作为承担国家生产建设的关键工具，已经在各领域生产一线大量投入使用。特种车辆一般经由特殊设计，在重量、外廓尺寸、使用范围等方面都超越普通车辆。作为大型工程车辆承担着大量的生产建设任务，且一般情况下，其行驶路况、工作环境等较为复杂恶劣。因此随着其使用年限的增加，不可避免会导致各部件逐渐产生损伤。其中，在行驶中传动轴通常承受着巨大的载荷与冲击，因此极易出现由疲劳破坏引发的故障。传动轴的损坏、磨损、变形以及失去动平衡，将会造成特种汽车行驶故障。这些故障集中表现为异响和振动。严重时会导致其他部件的损坏以致威胁驾驶员以及他人的安全。

目前，大部分驾驶员仅会通过驾驶时车辆的异响等经验来判断传动轴的损坏，然而由于车辆结构复杂，仅通过经验判断会存在很大的主观因素而导致判断的不准确；另一方面，出现异响等情况时，说明车辆传动轴或其他部件已经出现损坏，这时在驾驶生产现场继续作业已经存在安全隐患。同时，传动轴一般为空心结构，轴内径等部位损伤很难通过肉眼等传统方式判断，从而留下隐患。

发明内容

本发明的目的提供一种基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，用以解决现有技术对特种车辆传动轴部件检测时操作复杂、检测误差大且不直观等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，包括高功率多通道主动激励模块、高速采集前端、损伤特征参数提取及评估模块、传感器夹持装置、供电模块和散热模块；

所述高功率多通道主动激励模块用于将激励信号施加于传动轴上，由设置在传动轴另一端的高速采集前端采集；所述损伤特征参数提取及评估模块包括超声导波信号数字示波器和监控端，超声导波信号数字示波器由监控端控制，向高功率多通道主动激励模块输出激励信号，同时接收高速采集前端采集的信号，所述监控端用于对接收的信号进行损伤特征提取与评估，并进行损伤显示；传感器夹持装置用于夹持激励探头和接收探头，供电模块用于为***提供电源，散热模块用于***散热。

进一步的，所述高功率多通道主动激励模块主要由激励探头、多通道信号切换模块和可调激励信号倍增器组成；激励信号由超声导波信号数字示波器输出后，先经可调激励信号倍增器对信号功率进行放大，然后经过多通道信号切换模块对信号分流，多通道信号切换模块可对信号进行任意切换与通道任意选择，经功率放大与分流的信号加载到激励探头上，对传动轴结构进行激励。

进一步的，激励探头为压电传感器或压电片。

进一步的，激励探头使用多路，沿传动轴径向外圆方向等距布置。

进一步的，激励探头数量为4路以上。

进一步的，激励信号采用正弦调制信号：

I(t)＝[H(t)-H(t-N/f_c)]×(1-cos(2πf_ct/N))sin 2πf_ct

式中f_c为激励信号的中心频率，H(t)为Heaviside阶梯函数，N为sin调制信号的波峰数。

进一步的，高速采集前端主要由接收探头、可调电荷量转换与放大模块组成；

所述接收探头用于接收激励探头发出的信号，可调电荷量转换与放大模块将接收探头输出的电荷量转换为电压值。

进一步的，损伤特征参数提取及评估模块由超声导波信号数字示波器与监控端组成；

所述超声导波信号数字示波器由监控端控制，同时具备输出可编辑激励信号功能、多通道高速采集功能，激励信号输出到高速多通道主动激励模块用于在传动轴结构中的激励，接收信号由示波器接收预处理并通过CAN总线连接实时上传监控端；所述监控端用于控制其他模块，并对接收的波形进行分析处理、损伤特征提取与评估和损伤显示；分析处理包括波形的滤波、归一化处理、提取包络。

进一步的，传感器夹持装置由夹持装置与压力传感器组成；夹持装置用于固定激励探头和接收探头，同时夹持装置内侧固定压力传感器，夹持装置开合受监控端控制。

进一步的，供电模块为插座组，为各模块提供稳定电源；散热模块由风扇组成，为***内部降温。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明利用超声导波对损伤较为敏感的特性，实现对特种车辆传动轴结构的损伤检测与报警，特别是在较为恶劣的环境下，保证了特种车辆的行驶安全，同时也间接得保证了工程项目的安全与高效运营；(2)本发明利用CAN总线进行通信，不仅传输速率较快、稳定性较强，而且使得***软件处理速度更高；(3)检测***整体具有集成度高、操作简单、损伤识别准确、观测直观等优点。

附图说明

图1为本发明基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***的连接示意图。

图2为本发明检测***所使用的窄带激励信号为N＝5的波峰正弦调制信号图。

图3为本发明检测***整体运行流程图。

具体实施方式

结合图1，一种特种车辆传动轴损伤检测***，包括高功率多通道主动激励模块、高速采集前端、损伤特征参数提取及评估模块、传感器夹持装置、供电与散热模块。超声导波在结构内传播时，对各类损伤非常敏感，同时，超声导波的传播时可在结构的上下表面来回反射，可检测传动轴内部损伤。

高功率多通道主动激励模块主要由3部分组成：激励探头、多通道信号切换模块、可调激励信号倍增器。激励信号由示波器输出后，先经可调激励信号倍增器对其信号功率进行放大，然后经过多通道信号切换模块对信号分流，同时也可满足信号的任意切换与通道任意选择的功能，经由功率放大与分流的信号加载到激励探头上，用于对传动轴结构进行激励。

由于示波器发出的信号一般在幅值与功率上都会较小，这样导致难以在传动轴结构中激励出所需信号或激励信号传播距离很短，很难被接收传感器所捕获。本发明在其导波传播路径上加入可调激励信号倍增器模块，以增加其功率，可使信号在结构中传播距离增加，辨识度更强。本实施方式中功率放大80倍。

由于可调激励信号倍增器的输出通道一般较少且通道与通道之间相互独立，难以实现多路信号完整且同步，使用多通道信号切换模块可以很好得解决这个问题。在多通道信号切换模块内部将信号一分为多，同时，使用多通道信号切换模块，可任意切换通道，使用更加灵活。

激励探头使用压电传感器或压电片激发超声导波，数量为4个以上。

激励信号的选择：由于超声导波传播时普遍存在着多模及频散特性，宽带激励信号激发出的超声导波很难分析和解释，为了解决这一问题，本发明选择窄带信号作为主动超声导波传动轴结构检测的激励信号。窄带激励信号的频率成分较为集中，主动超声导波结构健康监测中普遍采用窗函数截取正弦信号获得。窄带激励信号中，窗函数的时域长度越长，调制信号频带越窄，超声导波的模式与传播更加容易控制，但也容易发生信号波包混叠。为了兼顾这两点因素，本发明采用N＝5波峰数的正弦调制信号：

I(t)＝[H(t)-H(t-N/f_c)]×(1-cos(2πf_ct/N))sin 2πf_ct

式中f_c为激励信号的中心频率，H(t)为Heaviside阶梯函数，N为sin调制信号的波峰数，本实施方式中N＝5。信号的频率主要集中中心频率及其附近，激励时可通过选择不同的中心频率来获取期望的超声导波信号。

本发明中高速采集前端主要由两部分组成：接收探头与可调电荷量转换与放大模块。接收探头与激励探头选用相同规格，接收探头数量为1个。接收探头接收信号并将其转换成电荷量，由于电荷量不易测量与保存，因此使用可调电荷量转换与放大模块将其转换为电压值，便于损伤特征参数提取及评估模块中示波器的采集与处理。

损伤特征参数提取及评估模块由超声导波信号数字示波器与监控端组成。超声导波信号数字示波器由监控端控制，同时具备输出可编辑激励信号功能、多通道高速采集功能。激励信号输出到高速多通道主动激励模块用于在传动轴结构中的激励。接收信号由示波器接收预处理并通过CAN总线连接实时上传至监控端。监控端用于控制各硬件模块、波形接收后的分析处理、损伤特征提取与评估，得到损伤的位置、损伤形式以及损伤程度，显示在屏幕上。分析处理功能主要包括波形的滤波、归一化处理、提取包络功能，损伤特征提取与评估功能主要包括对前期经处理后的波形在时域上进行截取和损伤特征点的提取，最后的损伤显示功能完成对损伤区域的显示与报警功能。

传感器夹持装置由夹持装置与压力传感器组成。所述夹持装置用于固定激励与接收探头，同时夹持装置内侧固定压力传感器，夹持装置开合直接受监控端控制，开合大小由压力传感器反馈回监控端压力值决定。由于本发明使用至少5个探头，使用时很难固定，此设计可以很好得解决这个问题，大幅度增加检测的可操作性。

供电模块为插座组，为各模块提供稳定电源；散热模块由风扇组成，为***内部降温，散热位置包括监控端和可调激励信号倍增器。

本发明软件运行后，将传感器夹持装置固定于特种车辆传动轴上，根据实际情况设定传感器施加于传动轴上的力的大小。此时，即可启动检测***对传动轴结构进行损伤监测。

按照信号传输方向对检测***进行简单说明。监控端既作为各硬件连接的实现平台，同时也作为软件运行的承载。超声导波信号数字示波器由监控端机直接控制，激励波形如图2所示。激励波形由超声导波信号数字示波器输出后进入可调激励信号倍增器模块，实现波形幅值与功率的放大。后经多通道信号切换模块将激励信号一分为多，最后直接加载于特种车辆传动轴上。探头沿传动轴径向外圆方向等距布置。多次试验发现，激励探头数量越多越可保证信号传输的完整性，本发明本着经济性与实验结果的准确性分析，使用4路激励探头同步在轴上进行激励。信号在传动轴结构中传播，最终由接收探头接收信号。

压电传感器接收反馈信号后，输出电荷量。电荷信号进入可调电荷量转换与放大模块将电荷量转变为更易测量的电压信号。同时，本发明的可调电荷量转换与放大模块也承担着信号前期的滤波功能，这样设计为后期信号处理提供方便。经处理的电压信号重新进入超声导波信号数字示波器接收端，超声导波信号数字示波器对信号进行高速实时采集并通过CAN总线连接上传监控端。监控端机实现分析处理功能、损伤特征提取与评估功能、损伤显示功能。

本发明中检测***整体运行流程图如图3所示，工程师在特种车辆传动轴结构的日常维护与维修中，可通过监控端实现对硬件整体控制、观测、保存与记录等多项功能。同时，人工设定损伤因子参数，可保证***的通用性。

Claims (10)

1.一种基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，包括高功率多通道主动激励模块、高速采集前端、损伤特征参数提取及评估模块、传感器夹持装置、供电模块和散热模块；

所述高功率多通道主动激励模块用于将激励信号施加于传动轴上，由设置在传动轴另一端的高速采集前端采集；所述损伤特征参数提取及评估模块包括超声导波信号数字示波器和监控端，超声导波信号数字示波器由监控端控制，向高功率多通道主动激励模块输出激励信号，同时接收高速采集前端采集的信号，所述监控端用于对接收的信号进行损伤特征提取与评估，并进行损伤显示；传感器夹持装置用于夹持激励探头和接收探头，供电模块用于为***提供电源，散热模块用于***散热。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，所述高功率多通道主动激励模块由激励探头、多通道信号切换模块和可调激励信号倍增器组成；激励信号由超声导波信号数字示波器输出后，先经可调激励信号倍增器对信号功率进行放大，然后经过多通道信号切换模块对信号分流，多通道信号切换模块可对信号进行任意切换与通道任意选择，经功率放大与分流的信号加载到激励探头上，对传动轴结构进行激励。

3.根据权利要求2所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，激励探头为压电传感器或压电片。

4.根据权利要求3所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，激励探头数量为4路以上。

5.根据权利要求4所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，激励探头沿传动轴径向外圆方向等距布置。

6.根据权利要求2所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，激励信号采用正弦调制信号：

I(t)＝[H(t)-H(t-N/f_c)]×(1-cos(2πf_ct/N))sin2πf_ct

式中f_c为激励信号的中心频率，H(t)为Heaviside阶梯函数，N为sin调制信号的波峰数。

7.根据权利要求1所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，高速采集前端由接收探头、可调电荷量转换与放大模块组成；所述接收探头用于接收激励探头发出的信号，可调电荷量转换与放大模块将接收探头输出的电荷量转换为电压值。

8.根据权利要求1所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，损伤特征参数提取及评估模块由超声导波信号数字示波器与监控端组成；

所述超声导波信号数字示波器由监控端控制，同时具备输出可编辑激励信号功能、多通道高速采集功能，激励信号输出到高速多通道主动激励模块，接收信号由示波器接收预处理并通过CAN总线连接实时上传至监控端；所述监控端用于控制其他模块，并对接收的波形进行分析处理、损伤特征提取与评估、损伤显示；其中分析处理包括波形的滤波、归一化处理和提取包络。

9.根据权利要求1所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，传感器夹持装置由夹持装置与压力传感器组成；夹持装置用于固定激励探头和接收探头，同时夹持装置内侧固定压力传感器，夹持装置开合受监控端控制。

10.根据权利要求1所述的基于超声导波的特种车辆传动轴损伤检测***，其特征在于，供电模块为插座组，为各模块提供稳定电源；散热模块由风扇组成，为***内部降温。