一種振動時效效果的在線定量化評價系統的制作方法
【專利摘要】振動時效效果的在線定量化評價系統，包括上位機系統、信號發生器、驅動器、激振器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置；工件與激振器固定連接，并且采用具有彈性的支撐裝置對工件進行支撐；上位機系統控制信號發生器輸出幅值和頻率均獨立且連續可調的正弦激振信號；上位機系統包括激振頻率獲取模塊，激振時間獲取模塊，電壓波形獲取模塊，電壓提取模塊，振級轉換模塊，激振幅值轉換模塊，無量綱處理模塊，以及振動時效效果與無量綱激振頻率、無量綱激振幅值、無量綱激振時間之間的相互關系設置模塊。本實用新型具有能夠實現對振動時效效果進行在線定量化評價的優點。
【專利說明】
-種振動時效效果的在線定量化評價系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及振動時效技術領域，特指一種振動時效效果的在線定量化評價系 統及方法。
【背景技術】
[0002] 振動時效效果的評價是振動時效技術領域研究的關鍵問題之一，所謂振動時效效 果是指振動時效消除殘余應力的效果。目前振動時效效果的評價方法主要包括:參數曲線 法、殘余應力測量法和精度穩定性檢測法。
[0003] (1)參數曲線法:參數曲線法是根據振動時效過程中參數發生有規律的變化現象 總結出來的，能夠對振動時效技術的效果進行在線定性評價，所用的評價準則主要包括:振 動時效處理后掃頻曲線的共振峰值比振動時效處理前升高;振動時效處理后掃頻曲線的共 振頻率比振動時效處理前降低;振動時效處理后掃頻曲線的帶寬比振動時效處理前變窄。 參數曲線法雖然是一種在線、直觀、快速便捷的方法，但是運種方法只能對振動時效的效果 進行定性的描述，而不能給出定量化的評價結果。（2)殘余應力測量法:為了準確的評價振 動時效技術消除殘余應力的效果，就需要準確地評估構件振動時效前后的殘余應力，然而 構件內部的殘余應力分布情況，特別是一些復雜構件內部殘余應力的分布狀態，很難采用 理論計算的方法進行分析求解，所W采用實驗測量的方法評估構件內部的殘余應力具有非 常重要的現實意義。目前殘余應力的實驗測量方法主要包括無損的物理測量法和有損的機 械測量法，能夠離線的評估構件振動時效處理前后的殘余應力。殘余應力測量法屬于離線 的評價方法，只能在振動時效過程結束后對振動時效效果進行評價。（3)精度穩定性檢測 法:精度穩定性檢測法是通過檢測構件振動時效處理后的精度來評價振動時效技術的效 果，能夠對振動時效技術的效果進行離線定性的評價，主要包括長期放置精度法、加動載荷 后精度法等。長期放置精度法是將經過振動時效處理后的構件長期放置并且定期檢測構件 的尺寸穩定性，具體操作流程是在放置15天時第一次檢測，W后每隔30天檢測一次，總的放 置時間應該在半年W上;加動載荷后精度法是檢測經過振動時效處理后的構件在動載荷作 用后的尺寸精度的變化量。精度穩定性檢測法也屬于離線、定性的評價方法，并且運種方 法需要的評估周期很長。綜上所述，我們不難發現運些方法雖然能夠對振動時效的效果進 行定性或定量的評價，但是都無法對振動時效的效果進行在線定量化評價。 【實用新型內容】
[0004] 為了克服現有振動時效效果的評價方法無法實現振動時效效果在線定量化評價 的不足，本實用新型提出一種振動時效效果的在線定量化評價系統及方法。
[0005] 振動時效效果的在線定量化評價系統，包括上位機系統、信號發生器、驅動器、激 振器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置;工件與激振器固定連接，并且采用具 有彈性的支撐裝置對工件進行支撐;上位機系統控制信號發生器輸出幅值和頻率均獨立且 連續可調的正弦激振信號；信號發生器輸出的正弦激振信號經由驅動器輸入激振器，從而 驅動激振器產生振動;加速度傳感器安裝在工件上，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器 的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機系統連接。
[0006] 上位機系統包括獲取振動時效的激振頻率f化Hz)的激振頻率f獲取模塊，獲取振 動時效的激振時間t(min)的激振時間t獲取模塊，獲取示波器顯示的電壓波形的電壓波形 獲取模塊，從電壓波形中獲取電壓峰值U(V)的電壓提取模塊，將電壓峰值轉換為輸出的加 速度振級a(ms^2)的振級a轉換模塊，將輸出的加速度振級a轉換為振動時效的激振幅值A(y m)的激振幅值A轉換模塊，將激振頻率f、激振幅值A、激振時間t進行無量綱處理的無量綱處 理模塊，W及振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之 間的相互關系設置模塊。
[0007] 振級轉換模塊中預設有加速度傳感器的靈敏度值s(pC/ms^2)，電荷放大器輸入通 道的靈敏度系數S(pC/Unit)，放大系數K(Unit/V);輸出的加速度振級與電壓峰值之間的轉 換關系為
輸出的加速度振級與激振幅值之間的轉換關系為：
;無量綱處理模塊中預設有激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉換關系 隔值A與無量綱激振幅值I之間的轉換關署
W及激振時間t與無量 綱激振時間T之間的轉換關系^ = 其中fo為1曲z，Ao為1皿、to為Imin。
[000引進一步，加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。
[0009] 進一步，支撐裝置為彈性元件。
[0010] 本實用新型的技術構思是：由上位機系統、信號發生器、驅動器、激振器、加速度傳 感器、電荷放大器W及示波器構成振動時效效果的在線定量化評價系統;將工件與激振器 固定連接;采用支撐裝置對工件進行支撐，W便激振器對工件進行激振;上位機系統實時獲 取無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激振時間F，并根據振動時效效果F與 無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間F之間的相互關系，對振動時效效 果進行在線定量化的評價。
[0011] 本實用新型的有益效果是：
[0012] 1、能夠將加速度傳感器輸出的電荷信號轉換為加速度振級，進而將加速度振級轉 換為激振幅值，實時、準確地獲知作用在工件上的激振幅值。
[0013] 2、能夠建立振動時效效果。與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值:？ ^及無量綱激 振時間I之間的定量化函數關系，能夠實現對振動時效效果進行在線定量化的評價。
[0014] 3、上位機系統能夠自動獲取無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激 振時間F，實現對振動時效效果進行在線定量化的評價，無需手動操作，減少了工作量，提高 了工作效率。
【附圖說明】
[0015] 圖1振動時效效果的在線定量化評價系統
[0016] 圖2化12MoV鋼試樣的尺寸示意圖
【具體實施方式】
[0017] 參照附圖，進一步說明本實用新型：
[0018] 振動時效效果的在線定量化評價系統，包括上位機系統、信號發生器、驅動器、激 振器1、加速度傳感器2、電荷放大器、示波器、支撐裝置4;工件3與激振器1固定連接，并且采 用具有彈性的支撐裝置4對工件3進行支撐;上位機系統控制信號發生器輸出幅值和頻率均 獨立且連續可調的正弦激振信號；信號發生器輸出的正弦激振信號經由驅動器輸入激振 器1，從而驅動激振器1產生振動;加速度傳感器2安裝在工件3上，加速度傳感器2的輸出端 與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機系 統連接。
[0019] 上位機系統包括獲取振動時效的激振頻率f化Hz)的激振頻率f獲取模塊，獲取振 動時效的激振時間t(min)的激振時間t獲取模塊，獲取示波器顯示的電壓波形的電壓波形 獲取模塊，從電壓波形中獲取電壓峰值U(V)的電壓提取模塊，將電壓峰值轉換為輸出的加 速度振級a(ms^2)的振級a轉換模塊，將輸出的加速度振級a轉換為振動時效的激振幅值A(y m)的激振幅值A轉換模塊，將激振頻率f、激振幅值A、激振時間t進行無量綱處理的無量綱處 理模塊，W及振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之 間的相互關系設置模塊。
[0020] 振級轉換模塊中預設有加速度傳感器2的靈敏度值s(pC/ms^2)，電荷放大器輸入通 道的靈敏度系數S(pC/化it)，放大系數K化nit/V);輸出的加速度振級與電壓峰值之間的轉 換關系為：
；輸出的加速度振級與激振幅值之間的轉換關系為：
無量綱處理模塊中預設有激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉換關系 昏值A與無量綱激振幅值I之間的轉換關系3 = ^/4^及激振時間t與無量 綱激振時間F之間的轉換關系^ = f八。，其中fo為1曲z，A〇為1皿、to為Imin。
[0021] 進一步，加速度傳感器2為壓電式加速度傳感器。
[0022] 進一步，支撐裝置4為彈性元件。
[0023] 振動時效效果的在線定量化評價方法包括W下步驟：
[0024] (1)、將工件3與激振器1固定連接;采用支撐裝置4對工件3進行支撐，W便激振器1 對工件3進行激振;接通上位機系統與信號發生器之間的信號連線;接通信號發生器與驅動 器之間的信號連線;接通驅動器與激振器1之間的信號連線;接通上位機系統與示波器之間 的信號連線;接通示波器與電荷放大器之間的信號連線;接通電荷放大器與加速度傳感器2 之間的信號連線;接通上位機系統、信號發生器、驅動器、激振器1、示波器、電荷放大器的電 源。
[0025] (2)、在振級轉換模塊中設置加速度傳感器2的靈敏度值s(pC/WT2);電荷放大器輸 入通道的靈敏度系數S(pC/Unit)，放大系數K(UnitA)。
[0026] (3)、激振頻率獲取模塊獲取振動時效的激振頻率f化Hz);激振時間獲取模塊獲取 振動時效的激振時間t(min);電壓波形獲取模塊獲取示波器顯示的電壓波形；電壓提取模 塊從電壓波形中獲取電壓峰值U(V);振級轉換模塊中輸出的加速度振級與電壓峰值之間的 轉換關系夫 ；激振幅值轉換模塊中輸出的激振幅值與加速度振級之間的
轉換關系巧
[0027] (4)、無量綱處理模塊對激振頻率f、激振幅值AW及激振時間t進行無量綱處理，具 體的激振頻率f與無量綱激振頻率/之間的轉換關系夫
激振幅值A與無量綱激振 幅值J之間的轉換關系式
W及激振時間t與無量綱激振時間^之間的轉換關系為 ^ = ^ 化，其中fo為lkHz，A〇為IwiKto為Imin。
[0028] (5)、在振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值3、無量綱激振時間 F之間的相互關系設置模塊中設置F與7、I、f之間的相互關系為F(f，A，t)，并將步驟 (4)中實時獲取的無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值及無量綱激振時間J代入F(f，A， t)中即可W對振動時效效果進行在線定量化的評價。
[0029] 步驟(5)中，獲取振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值I、無量綱 激振時間I之間的相互關系的表達式F(f，A，t)包括W下步驟：
[0030] (5.1)、振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間 F之間的相互關系的表達式F(f，A，t)可W用如下的多項式進行逼近：
，式中：曰1、曰2、…、an為實系數， 其中ail為方程的常數項。
[0031] (5.2)、當工件3未經振動時效處理時，即=個工藝參數的取值均為0時，工件3的 殘余應力消除效果應為0,所W常數項aii = 0。因此，F(f，A，t)可W進一步表示為：
[0032] (5.3)、將10組不同的無量綱工藝參數組合W及它們所對應的振動時效效果F代入 F(f，A，t)可W得到關于待定系數日1、日2、…、ai日的10元1次方程組，通過求解此方程組即可W 求解化設1 0個倍吿態獄的獄估-設1 0元1歡節趙巧弈田巧隨的化古而W表示為；
[0033]
[0034] 可W進一步表示為:Ga=F。
[0035] 式中：
婦無量綱工藝參數組合矩陣，該矩陣中的第i行 表示第i次振動時效處理時的無量綱工藝參數的組合多項式;F=[Fi]為振動時效的效果矩 陣;a=[ai]為待定系數矩陣。
[0036] (5.4)、為了求解出10個待定系數，至少需要10組不同的實驗數據，為了使得步驟 (5.3)中的矩陣方程有唯一的解，則無量綱工藝參數組合矩陣G的秩應滿足HG) = 10，即無 量綱工藝參數組合矩陣應為滿秩矩陣。因此，待定系數可W通過如下的矩陣方程求解得到：
[0037]
，將求解出的10個待 定系數代入步驟(5.2)中的表達式F(f，A，t)，即可W建立振動時效效果F與無量綱激振頻率 /、無量綱激振幅值I、無量綱激振時間7之間的相互關系的表達式F(f，A，t)。
[0038] 獲取振動時效效果F與無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值無量綱激振時間f 之間的相互關系的表達式的具體實施細節為:假設函數F(f，A，t)的定義域為有界閉區域D， 且在該區域D內是實值連續函數。Pl(f，A，t)、P2(f，A，t)、…、Pk(f，A，t)是定義于D上的k個線 性無關的實值連續函數(通常取為多元多項式函數），其中把由Pl(f，A，t)、P2(f，A，t)、…、Pk (f，A，t)組合做成的線性空間P稱為線性插值空間，貝化中任意的函數可W表示為:P(f，A，t) = aiPi(f ,A,t)+a2P2(f ,A,t)+...+akPk(f，A,t)，
[0039] 式中：日1、日2、...、Qk為實系數。根據Weierstrass逼近定理可知，若函數P(f ,A,t)可 W用來逼近函數F(f，A，t)，則對于任意給定的e，有|F(f，A，t)-P(f，A，t)|<e，其中f，A，tG D。因此，本實用新型旨在通過無量綱激振頻率/、無量綱激振幅值Z和無量綱激振時間7運 =個工藝參數組成的多元多項式函數，采用多元函數逼近理論逼近建立出振動時效效果F 與無量綱激振頻率JV無量綱激振幅值I、無量綱激振時間r之間的相互關系的表達式F (f,A,t)〇
[0040] 為了獲取建立表達式F(f，A，t)所需的實驗數據，對圖2所示的試樣進行振動時效 處理。為了能夠求解出步驟(5.2)建立的表達式F(f，A，t)中的10個待定系數，需要選擇10組 不同的實驗數據，且無量綱工藝參數組合矩陣必須為滿秩矩陣，即無量綱工藝參數組合矩 陣的秩為10。考慮到實驗數據測試過程中存在一定的誤差，為了提高建立的表達式F(f，A， t)具有更高的可靠性和普遍性，選取11組實驗數據用于建立表達式F(f，A，t)，見表1。依次 從11組實驗數據中選取其中的10組用于構造無量綱工藝參數組合矩陣G，并規定r^G)為去 掉11組實驗數據中的第j組數據后，所構造出的無量綱工藝參數組合矩陣G的秩，j = l~11。 采用Matlab軟件中的rank函數依次計算所構造出的無量綱工藝參數組合矩陣G的秩，若求 解結果滿足ri(G)=n(G) =…=m(G) = 10,則說明選取的實驗數據可W用于求解出11組 待定系數，若求解結果不滿足ri(G) =r2(G)=…=;rii(G) = 10運個條件時，則需要重新選擇 實驗數據。
[0041] 表1用于計算待定系數矩陣的無量綱工藝參數及時效效果
[0042]
[0043] 求解10個待定系數的過程中，首先每次從11組實驗數據中選取其中的10組構造無 量綱工藝參數組合矩陣G;其次采用Matlab軟件中的inv函數求解出無量綱工藝參數組合矩 陣G的逆矩陣[1，并在Matlab軟件中將矩陣[1與振動時效的效果矩陣F相乘即可W求解出 待定系數矩陣，運樣可W獲得11組不同的待定系數;然后將運11組待定系數分別取其平均 值作為表達式F(f，A，t)的待定系數;最后將運些待定系數的均值代入步驟(5.2)建立的表 達式F(f，A，t)即可W得到振動時效效果F與無量綱激振頻率7、無量綱激振幅值3、無量綱 激振時間f之間的相互關系的表達式F(f，A，t)。
[0044] 表2為求解出的11組待定系數。表2的最后一列為11組待定系數的均值，將運些待 定系數的均值代入步驟(5.2)建立的表達式F(f，A，t)，則最終建立的振動時效效果F與無量 綱激振頻率/、無量綱激振幅值；i、無量綱激振時間F之間的相互關系的表達式F(f，A，t)可 W表示為：
[0045]
[0046] 表2求解出的各組待定系數的數值
[0047]
[004引
[0049]本說明書實施例所述的內容僅僅是對實用新型構思的實現形式的列舉，本實用新 型的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及 于本領域技術人員根據本實用新型構思所能夠想到的等同技術手段。
【主權項】
1. 振動時效效果的在線定量化評價系統，包括上位機系統、信號發生器、驅動器、激振 器、加速度傳感器、電荷放大器、示波器、支撐裝置;工件與激振器固定連接，并且采用具有 彈性的支撐裝置對工件進行支撐;上位機系統控制信號發生器輸出幅值和頻率均獨立且連 續可調的正弦激振信號；信號發生器輸出的正弦激振信號經由驅動器輸入激振器，從而驅 動激振器產生振動;加速度傳感器安裝在工件上，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器的 輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器連接，示波器與上位機系統連接。2. 如權利要求1所述的振動時效效果的在線定量化評價系統，其特征在于:加速度傳感 器為壓電式加速度傳感器。3. 如權利要求2所述的振動時效效果的在線定量化評價系統，其特征在于:支撐裝置為 彈性元件。
【文檔編號】C21D10/00GK205662571SQ201620371302
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】顧邦平, 胡雄, 嚴小蘭, 梅瀟, 賴金濤, 楊振生, 張帆
【申請人】上海海事大學