基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法技术

本发明专利技术基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法，本发明专利技术结合金属工件在激光冲击作用下声发射信号产生的机理，利用激光冲击强化过程中产生的动态声发射信号，对每次冲击4通道采集的区域25个冲击点的声发射信号融合取算术均值，提高了声发射信号的抗干扰能力和信息利用率，其次，借助谐波小波包分解信号处理方法，选择频带能量占比最高的频带能量作为特征参数，更加能揭示工件内部非线性材料对声发射信号的动态影响，提高了声发射信号的物理意义，并提高特征的表征能力及其鲁棒性，有助于提高实际生产应用中的准确度及稳定性。本发明专利技术计算方法简单快捷，频带能量特征的状态响应良好，对加工环境适应性强，鲁棒性高，工程实用性强。工程实用性强。工程实用性强。

【技术实现步骤摘要】
基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法


[0001]本专利技术属于激光冲击强化加工与智能检测
，具体涉及一种基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法。

技术介绍

[0002]激光冲击强化技术(Laser Shocking Peening，LSP)又称激光喷丸，是一种利用激光诱导产生等离子体冲击波使材料表层产生塑性变形的新型表面强化工艺技术，在航空发动机、地面燃气机轮、叶轮机械等装备、设备部件制造和修理中广泛应用。相较于传统的喷丸、滚压等工艺技术，激光冲击强化能够在材料表层引入1mm～2mm甚至更深的残余压应力层，因此可以大幅度提高材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命，同时具有可控性强、适应性好，可加工复杂结构的不规则表面并精确保证材料的表面粗糙度和尺寸精度等优点。
[0003]LSP工艺技术的强化质量一般通过靶材的表面残余压应力大小衡量，然而现有的残余应力检测方法多采用小孔法、X射线衍射法等离线检测方法，这些传统的检测方法不仅效率较低而且还可能会损坏工件。因此，为实现LSP技术的大规模工业化应用和实际生产，必须开发该工艺技术的在线无损检测技术。
[0004]目前激光冲击强化质量的在线无损检测方法主要基于激光冲击过程中声发射信号的传统特征参量。中国专利号CN 110715981 A专利技术了一种基于声压因子的激光冲击强化质量检测方法，融合声发射信号幅值、振铃计数等传统特征参量，通过与标准声压因子比较，从而实现激光冲击强化质量的在线检测。中国专利号CN 101482542A专利技术了一种基于冲击波波形特征的在线检测方法和装置，通过将空气中传播的冲击波振幅和脉冲宽度与标准振幅和脉冲宽度比较，实现激光冲击强化质量的在线检测。
[0005]在激光冲击强化动态过程中，声发射信号包含弹性波在材料内部传播、折射、反射以及衰减的动态信息，因此与材料内部的塑性变形和残余压应力直接相关。但是，声发射信号模态信息复杂，且易受噪声干扰，有效特征提取困难，而现有的在线检测方法没有对声发射信号进行进一步的处理，直接简单提取声发射信号的常见特征，因此在线监测可靠性及准确率较低，鲁棒性较弱，难以在实际生产中推广应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法。本专利技术充分利用激光冲击产生的动态声发射信号，借助声弹性理论和谐波小波包分解等相关信号处理方法，基于实时声发射信号数据的谐波小波频带能量对残余应力进行表征，简单快速，实时性好，鲁棒性高，工程实用性强。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：在待冲击金属工件的表面安装声发射压电式传感器探头，声发射压电式传感器与衰减器连接，信号衰减器与前置放大器连接，前置放大器与A/D数据采集卡连接，
A/D数据采集卡与工控机连接；激光区域冲击动态过程中每产生一个激光脉冲，与激光冲击区域等距的4个声发射传感器同步实时采集声发射信号；
[0010]步骤二：为提高信号的信噪比，对4个通道的声发射信号同步进行小波阈值降噪处理，进而得到无低频噪声干扰的降噪声发射信号；
[0011]步骤三：对4个通道降噪后的声发射信号融合取算术均值，得到融合取均值后的声发射信号X(t)；
[0012]步骤四：对4通道融合后的声发射信号X(t)进行4层谐波小波包分解；
[0013]步骤五：根据谐波小波包分解的频带能量特征计算公式，提取4层谐波小波包分解后能量占比最高的第2频带能量占比值，以每次区域冲击25个冲击点处声发射信号的第2频带能量占比算术均值表征激光冲击强化动态过程的残余压应力，实时监测激光冲击强化过程工件表面的残余压应力。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，该方法基于声发射信号采集系统，包括声发射压电式传感器、信号衰减器、前置放大器、A/D数据采集卡和工业计算机，声发射传感器采用RS
‑
2A声发射压电式传感器，其频率响应范围50HZ～400kHZ，灵敏度为80dB
±
5dB，信号衰减器的衰减倍数设置为20dB，前置放大器的放大增益设置为20dB，A/D数据采集卡的采样频率设置为3MHz，在激光冲击过程中通过工控机和A/D数据采集卡实现同步采集材料内部的声发射弹性波信号数据。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤二中，为了降低声发射信号中低频噪声的干扰，提高信号信噪比，采用提升后的db4小波对声发射信号进行三层软阈值降噪，具体的方法是用lsnew提升的db4小波对声发射信号进行三层小波分解，每分解一层，设置对应层的阈值t
l
＝cδ
l
，其中δ
l
为第l层低频逼近信号的标准差，系数c取值为3，对每一分解层中小于阈值的低频小波系数直接置0，对大于阈值的低频小波系数减去对应分解层阈值做平滑处理，每一分解层依次降噪，直到三次分解完成，进而得到降噪后的声发射信号，对4通带采集信号进行相同处理。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤三中，为了避免声发射信号出现的偶然性，提高信号抗干扰能力，对4个通道同步采集的同一激光冲击点处的降噪声发射信号融合取均值，从而得到4通道融合后的声发射信号X(t)。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，步骤四中，对4通道融合后的声发射信号X(t)进行4层谐波小波包分解，得到不同尺度的各个小波系数，具体操作为首先计算j层谐波小波包分解频率带宽为：
[0018]B＝f
s
/2
j+1
[0019]其中：f
s
为声发射信号采样频率，j为分解层数；
[0020]则所分析频带的上、下限分别为：
[0021][0022]本专利技术进一步的改进在于，步骤五中，根据谐波小波包频带能量监测原理及谐波小波包频带能量计算公式，计算出不同尺度下的谐波小波系数能量值：
[0023][0024]式中：N、M分别为频带个数及各频带的小波系数所拥有的数量；
[0025]将所获得的能量做如下式归一化相关的操作：
[0026][0027]得到声发射信号4层谐波小波包分解后能量占比最高的第2频带能量占比特征。
[0028]本专利技术进一步的改进在于，步骤五中，为了提高信号的抗干扰能力及特征的鲁棒性，以区域冲击25个冲击点处声发射信号的第二频带能量占比均值表征激光冲击强化动态过程的残余压应力，实时监测激光冲击强化过程零件内部的残余压应力。
[0029]与现有技术相比，本专利技术充分利用激光区域冲击动态过程中产生的声发射信号，对每次冲击4通道采集的区域25个冲击点的声发射信号融合取均值，从而提高声发射信号的抗干扰能力及信号特征的鲁棒性；另一方面，本专利技术借助声弹性理论和谐波小波包分解等相关信号处理方法，基于实时声发射信号数据的谐波小波频带能量对残余本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在待冲击金属工件的表面安装声发射压电式传感器探头，声发射压电式传感器与衰减器连接，信号衰减器与前置放大器连接，前置放大器与A/D数据采集卡连接，A/D数据采集卡与工控机连接；激光区域冲击动态过程中每产生一个激光脉冲，与激光冲击区域等距的4个声发射传感器同步实时采集声发射信号；步骤二：为提高信号的信噪比，对4个通道的声发射信号同步进行小波阈值降噪处理，进而得到无低频噪声干扰的降噪声发射信号；步骤三：对4个通道降噪后的声发射信号融合取算术均值，得到融合取均值后的声发射信号X(t)；步骤四：对4通道融合后的声发射信号X(t)进行4层谐波小波包分解；步骤五：根据谐波小波包分解的频带能量特征计算公式，提取4层谐波小波包分解后能量占比最高的第2频带能量占比值，以每次区域冲击25个冲击点处声发射信号的第2频带能量占比算术均值表征激光冲击强化动态过程的残余压应力，实时监测激光冲击强化过程工件表面的残余压应力。2.根据权利要求1所述的基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法，其特征在于，步骤一中，该方法基于声发射信号采集系统，包括声发射压电式传感器、信号衰减器、前置放大器、A/D数据采集卡和工业计算机，声发射传感器采用RS
‑
2A声发射压电式传感器，其频率响应范围50HZ～400kHZ，灵敏度为80dB
±
5dB，信号衰减器的衰减倍数设置为20dB，前置放大器的放大增益设置为20dB，A/D数据采集卡的采样频率设置为3MHz，在激光冲击过程中通过工控机和A/D数据采集卡实现同步采集材料内部的声发射弹性波信号数据。3.根据权利要求1所述的基于谐波小波频带能量的激光冲击强化质量在线监测方法，其特征在于，步骤二中，为了降低声发射信号中低频噪声的干扰，提高信号信噪比，采用提升后的db4小波对声发射信号进行三层软阈值降噪，具体的方法是用lsnew提升的db4小波对声发射信号进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志芬，刘子岷，秦锐，李耿，何卫锋，温广瑞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：