基于激光传感器的机械磨损检测技术
基于激光传感器的机械磨损检测技术
作者:王正国;钟宏民
1引言
机械设备作为许多仪器的重要部件,如发动机 等,具有十分重要的价值。机械设备在工作中,受到其它因素的干扰,会受到不同程度的损伤,影响机械设备的寿命,严重时,会使机械设备无法正常运行, 而机械磨损是机械损伤的一种重要形式,对机械磨损进行检测,可以了解机械设备所处的健康状态,对机械设备进行一定的保养和维护,延长机械设备的寿命,因此,机械磨损检测是当前机械维护研究领域中的一个重大课题。目前人们采用了大量技术进行机械磨损检测,传统方法是通过一些技术人员采用一定的工具对机械磨损程度进行测量和估计,该方法的机械磨损检测时间长,而且使机械磨损检测成本高。随着计算机技术和自动化技术的发展,出现了机械磨损自动检测技术。首先通过一定的设备对机械设备状态数据进行收集,然后从机械设备状态数据提取相应的机械磨 损检测特征,最后根据机械磨损检测特征建立机械磨损检测模型,相对人工方式,该类技术的机械磨 损检测速度加快,而且机械磨损检测可靠性高。从机械磨损检测过程可以知道,机械设备状态数据的质量十分关键,当前主要采用无线传感器对数据进行采集,但是由于无线传感器易受到环境的干扰,采集机械设备状态数据质量差,对后续机械磨损检测产生不利影响。激光测距传感器是一种采用激光对数据采集的设备,对环境要求低,可以抵抗外界的干扰,许多领域得到了成功的应用。
为了解决当前机械磨损检测技术存在的测精度低,检测效率低的难题,设计了基于激光传感器的机械磨损检测技术,与传统机械磨损检测方法进行了实验对比,结果表明,本文降低机械磨损检测误差,提高了机械磨损检测精度,减少了机械磨损检测时间,具有十分显著的优越性。
2机械磨损检测原理
机械磨损检测就是对机械设备的磨损程度进行估计,因此是一种数据挖掘问题。采用激光传感器对机械设备状态数据进行采集,并提取机械设备状态数据中的小波熵作为机械磨损检测特征,最后采用最小二乘支持向量机建立机械磨损检测模型,具体工作原理如图 1 所示
3机械磨损检测技术的具体设计
3. 1激光传感器采集机械设备状态数据
激光传感器通常包括两部分: 激光发射器和激光接收器,首先激光发射器发射一束光束到机械设备表面,机械设备表面会产生漫反射,接收物镜接收到机械设备表面反射的激光,然后激光接收器接收激光信号,并将激光信号转换成为数字信号,得到机械设备状态数据。
3. 2 提取机械磨损检测特征
小波熵理论是一种基于息熵的时频分析方法。可以对系统随机性进行准确描述,在信号处理方面具 有一定优势,可以提取信号复杂度特性。机械设备状态数据的变化十分复杂,可以看作是一种非平稳随机信号,可以通过小波变换对其进行分解,提取其中的小波熵特征。根据机械设备状态数据变化特点,采用 4 种小波熵提取机械磨损检测特征;4 种小波熵可从不同角度对机械设备状态
数据的特征进行分析,作为机械磨损检测特征。
3.3机械磨损检测算法
对于机械磨损检测样本集合为: ( xi,yi) ,i = 1, 2,…,n,x ∈Rn ,y ∈R,x 和 y 分别表示机械磨损检测特征和机械磨损程度,采用函数 φ( ·) 对机械磨损检测数据进行映射,然后进行回归得到:
4机械磨损检测的实例分析
4. 1 测试平台以及机械磨损数据
为了验证基于激光传感器的机械磨损检测技术方法的性能,选择传统技术在相同实验环境下进行对照实验。测评平台为: Intel i5 -8 500CPU,金士顿 8 G DDR4 2 666 内存,金士顿 128 G M. 2 SSD 硬盘,Win 7操作系统。机械磨损程度划分为 4 个等级,它们描述采用本文技术和对比技术分析对机械磨损检测的训练样本进行学习,建立机械磨损检测模型,然后对机械磨损测试样本进行检测,统计它们的机械磨损检测正确率( % ) 、误检率( % ) 、漏检率( % ) 和检测时间( ms) ,它们如图 2 ~ 5 所示。对机械磨损检测结果进行分析可以知道:
( 1) 对比技术的机械磨损检测正确率低,机械磨损检测的误检率和漏检率高,无法获得理想的机械磨损检测结果。
( 2) 相对于对比技术,本文技术的机械磨损检测正确率得到了提高,机械磨损检测的误检率和漏检率减少,这是因为本文技术可以更好地分析机械磨损检测特征和机械磨损程度之间的联系,机械磨损检测结果的可信度更高。
( 3) 本文技术的机械磨损检测时间明显少于对比技术的机械磨损检测时间,降低了机械磨损检测的计算时间复杂度。
5结束语
机械磨损检测效率得到明显的改善机械磨损受到多种因素的影响,具有非常复杂的变化特点,当前机械磨损检测技术方法难以对机械磨损进行高精度的检测,而且机械磨损检测效率低,为了获得更加理想的机械磨损检测结果,设计了基于激光传感器的机械磨损检测技术方法,并进行了仿真验证性测试,可以得到如下结论:
( 1) 机械磨损特征主要描述机械磨损程度,而当前方法无法提取有效的机械磨损特征,使得机械磨损检测误差大。
( 2) 激光传感器是一种采集精度高,鲁棒性好的数据采集设备,可以获得较优的机械磨损数据,并从中提取更优的机械磨损检测特征,有助于提高机械磨损检测精度。
( 3) 引入最小二乘支持向量机建立机械磨损检测模型可以拟合机械磨损特征与机械磨损程度之间的变化关系,有效降低了机械磨损程度检测的误差。
( 4) 相对于当前其它机械磨损检测方法,本文方法的机械磨损检测时间更短,提高了机械磨损检测效率,具有更高的实际应用价值。
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