基于钢轨闪光焊闪光声音信号的采集与分析

摘要

传统的钢轨焊接质量检测方法主要有破坏性检测和无损检测两种，破坏性检测为抽样检验，其结果并不能完全代表同批次全部焊接接头的质量情况，而且浪费大量的人力、物力;无损检测主要以X射线和超声波探伤为主，但是这类检测方法并不能准确检测出对钢轨焊接接头质量影响重大的灰斑等缺陷。因此，亟需寻找一种新的钢轨闪光焊焊接接头质量检测与评判途径，以弥补传统的检测方法所存在的不足。钢轨闪光焊中的闪光声音是焊接过程中接触的液态过梁爆破时产生的，而过梁爆破的稳定性与剧烈程度决定着焊接接头高温区域保护效果，由此可见，钢轨闪光焊焊接过程中的闪光声音信号中必然携带着有与焊接接头质量相关的重要信息。
　　 本论文在UN5-150ZB移动式钢轨闪光焊机的基础上设计了钢轨闪光焊多路信号同步试验采集系统软件与硬件:所设计制作的信号适配电路板实现了试验采集系统与闪光焊机原始监控系统之间的电气隔离与调理，基于虚拟仪器开发语言LabVIEW设计的采集软件系统，通过PCI-1710L数据采集板卡实现了对焊接电压、焊接电流、焊接位移、焊接油压四路信号的同步采集、数据回放显示等功能，通过现场采集、数据回放显示证明了所设计的钢轨闪光焊多路信号同步采集系统的可靠性以及实用性。
　　 采用8层sym4小波分解重构了与闪光声音信号同步采集的焊接电流、电压信号两路低频信号。通过焊接电流信号的小波降噪结果与传统的低通滤波器降噪结果的对比，进一步证实了建立在傅里叶变换基础之上的传统滤波方法不适合作为本论文待研究的焊接电流、焊接电压、闪光声音等非平稳信号的滤波工具。为了避免遗漏闪光声音信号中的有用信息，采用了4层db8小波包分解处于强噪环境下的闪光声音信号，利用“相似度对比法”有效滤除了原始闪光声音信号中的大功率谱值的高、低频噪声，通过对重构后的闪光声音信号进行傅里叶变换，得到真实闪光声音信号的频率范围为1050～3850Hz。
　　 利用LabVIEW实现了目前常用的四种时频分析方法（短时傅里叶变换、平滑伪Wigner-Ville分布、解析小波变换、Hilbert-Huang变换）的编程以及仿真，基于仿真结果总结归纳了该四种时频分析方法的优缺点;由于本课题采集的闪光声音信号数据量非常大(信号时长130s以上，采集频率12kHz)，当采用平滑伪Wigner-Ville分布对其进行时频分析时由于计算机内存的限制而根本无法完成，解析小波变换以及Hilbert-Huang变换在分析高频成分时其时频分辨率无法得到保证。通过综合比较，最终选择了算法简单、容易实现的短时傅里叶变换(STFT)对闪光声音信号进行时频分析。
　　 从STFT时频分析得到的二维彩色时频谱图中提取出了能量谱密度、加权平均频率两个特征量;将时间一能量谱密度趋势图以及时间—加权平均频率趋势图作为钢轨闪光焊焊接质量的评判手段，对采集的26对U75V钢轨焊接接头的灰斑缺陷进行判断:结果表明:基于闪光声音信号提取的特征量（能量谱密度、加权平均频率）能够较为准确地判断出焊接接头灰斑缺陷。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢轨闪光焊介绍

1．1．1 钢轨闪光焊原理

1．1．2 钢轨闪光焊工艺过程分析

1．2 基于声音信号的焊接质量检测研究情况

1．3 课题研究的主要内容

第二章 钢轨闪光焊多路信号同步采集系统设计

2．1 采集系统硬件设计

2．1．1 试验采集系统总体方案设计

2．1．2 采集系统硬件型号选取

2．1．3 信号适配电路设计

2．2 采集系统软件设计

2．2．1 LabVIEW简介

2．2．2 多通道数据采集系统程序设计

2．2．3 数据回放显示

2．3 本章小结

第三章 采集信号降噪预处理

3．1 小波变换理论

3．1．1 连续小波变换

3．1．2 离散小波变换

3．1．3 多分辨率分析

3．1．4 小波包分析

3．2 小波阈值降噪

3．2．1 小波降噪方法选取

3．2．2 小波阈值降噪步骤

3．2．3 小波阈值降噪影响因素

3．3 小波阈值降噪结果分析

3．3．1 电流信号

3．3．2 电压信号

3．3．3 声音信号

3．4 本章小结

第四章 闪光声音信号的时频域分析

4．1 时频分析方法理论

4．1．1 短时傅里叶变换

4．1．2 平滑伪Wigner-Ville分布

4．1．3 解析小波变换

4．1．4 Hilbert-Huang变换

4．2 时频分析方法的编程及仿真分析

4．2．1 STFT的编程及仿真分析

4．2．2 SPWVD的编程及仿真分析

4．2．3 AWT的编程及仿真分析

4．2．4 HHT的编程及仿真分析

4．3 时频分析方法的综合性能对比

4．4 闪光声音信号的时频分析

4．5 本章小结

第五章 基于闪光声音信号的焊接质量评判

5．1 质量信息特征量提取

5．1．1 能量谱密度

5．1．2 加权平均频率

5．2 基于特征量的焊接质量评判

5．3 焊接接头落锤试验结果

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文