基于人工智能的振動(dòng)模式識(shí)別系統(tǒng)

唐張婷 趙鳳麒 杜雷浩

【摘要】智能模式識(shí)別系統(tǒng)是將前期收集來(lái)的不同模式下的振動(dòng)信號(hào)，利用TensorFlow神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，使其不斷接觸各種振動(dòng)模式，從而能夠識(shí)別多種情況下的振動(dòng)模式，并向外界發(fā)出信號(hào)。此方法可以用于智能振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷以及預(yù)警系統(tǒng)，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行，預(yù)防和減少惡性事故的發(fā)生?；谌斯ぶ悄艿恼駝?dòng)模式辨別系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷，保證設(shè)備的安全運(yùn)行，預(yù)防和減少惡性事故的發(fā)生，消除故障隱患，保障人身和設(shè)備安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

【關(guān)鍵詞】人工智能;識(shí)別系統(tǒng);光纖檢測(cè)

1. 研究目標(biāo)

由于機(jī)器在正常工作和產(chǎn)生故障時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)模式是不同的，本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容是通過(guò)搭建智能振動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，并結(jié)合機(jī)器的深度學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行各種振動(dòng)模式的判斷，并實(shí)現(xiàn)記憶和進(jìn)一步識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警分析。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

利用單臂干涉的光纖檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中用到環(huán)形器，光纖探頭，反射器，實(shí)驗(yàn)樣品等。當(dāng)激光發(fā)出的1550納米的激光，作為信號(hào)光，在光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)環(huán)形器，從環(huán)形器出來(lái)的光經(jīng)過(guò)光纖探頭，由于光纖探頭有端面，端面會(huì)有反射光，但反射的比例相對(duì)小，大部分光經(jīng)光纖耦合器傳入光纖，這些光作為探測(cè)光。這樣信號(hào)光和探測(cè)光，在環(huán)形器內(nèi)發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉信號(hào)在光纖中繼續(xù)傳輸，傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)光電探測(cè)器，光電探測(cè)器的組成是光電二極管。在沒(méi)有超聲，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，光纖端面的距離與探測(cè)樣品表面的距離是固定的，但是，一但有超聲信號(hào)，樣品表面就會(huì)受到超聲的作用，作用結(jié)果使振幅發(fā)生改變，從而改變了斐索腔的距離，最后使兩束光強(qiáng)的相位發(fā)生變化。

從激光光源發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)光路分為兩路，其中一路是作為參考光，參考光經(jīng)透鏡聚焦在樣品表面，另外一路光射入頻移裝置，通過(guò)反射鏡照射來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一路作為信號(hào)光。參考光和信號(hào)光會(huì)發(fā)生干涉，干涉的光路在樣品表面發(fā)生進(jìn)一步反射，最終，參考光和信號(hào)光耦合進(jìn)入光電二極管，觀察兩束光，光強(qiáng)度變化，相位的變化，通過(guò)這兩種變化可以實(shí)現(xiàn)超聲波傳輸測(cè)量。

3. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

通過(guò)主控芯片，激光光源，光纖搭建系統(tǒng)，通過(guò)模式數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件代碼識(shí)別模式，最終搭建人工智能的振動(dòng)模式辨別系統(tǒng)，模擬各種振動(dòng)模式，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)各種模式的學(xué)習(xí)和模式記憶，進(jìn)而發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

4. 硬件組成

硬件分為發(fā)射端、接收端及中間傳輸環(huán)節(jié)，發(fā)射端為激光器，激光的波長(zhǎng)在1310nm和1550nm間可調(diào)的脈沖光源，激光光源在諧振腔內(nèi)經(jīng)過(guò)模式選擇輸出，在輸出端經(jīng)單模光纖耦合輸出，光路經(jīng)分路器分成參考光路和傳感光路，當(dāng)參考光路和傳感光路等幅輸出時(shí)，在接收端會(huì)有相應(yīng)相位的變化，根據(jù)相位的變化可以判斷傳感光的模式變化，在接收端通過(guò)光電耦合裝置，在示波器上判斷幅值的變化，進(jìn)而推出模式的類(lèi)型。

光纖傳感實(shí)驗(yàn)中用到的器件用法蘭盤(pán)連接，在連接前，為了減少實(shí)驗(yàn)室內(nèi)灰塵對(duì)光路的影響，需要用酒精把光纖端口連接斷面處及各個(gè)法蘭盤(pán)擦干凈，酒精揮發(fā)的時(shí)間是2分鐘左右，之后再將各個(gè)器件連接。

5. 主要內(nèi)容

智能振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為智能振動(dòng)識(shí)別與預(yù)警兩部分，系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別前期傳入的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)機(jī)器的深度學(xué)習(xí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，從而發(fā)出向外界預(yù)警信號(hào)。

a.收集振動(dòng)信號(hào)，脈沖發(fā)生器發(fā)出寬度可調(diào)的窄脈沖驅(qū)動(dòng)激光二極管（LD），產(chǎn)生所需寬度的光脈沖（通常為2ns～20μs），經(jīng)方向耦合器后入射到被測(cè)光纖，光纖中的后向散射光和菲涅耳反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器把接收到的散射光和反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由放大器放大后送信號(hào)處理部件處理（包括取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和平均），結(jié)果由顯示部件顯示。

b.智能振動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

此系統(tǒng)有識(shí)別和“記憶”兩個(gè)功能。 我們將前期收集來(lái)的信號(hào)灌輸?shù)较到y(tǒng)的樣本庫(kù)中，通過(guò)系統(tǒng)的記憶功能將信號(hào)的頻率，波形等特征“記憶下來(lái)”，然后通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，當(dāng)系統(tǒng)再次接觸到樣本中所含信號(hào)后便會(huì)自動(dòng)識(shí)別。比如，車(chē)輛通過(guò)、敲擊、動(dòng)物破環(huán)產(chǎn)生的信號(hào)、不同壓力下橋梁的振動(dòng)信號(hào)等。

c.預(yù)警系統(tǒng)：

此系統(tǒng)主要采用光纖報(bào)警，智能振動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出信號(hào)后，判斷信號(hào)的種類(lèi)，Ⅰ類(lèi)為非預(yù)警信號(hào)，Ⅱ類(lèi)為預(yù)警信號(hào)。

當(dāng)有外界干擾產(chǎn)生，比如用器械敲擊、動(dòng)物攀登爬高、人用腳踩、人或機(jī)械觸碰、用力搖動(dòng)、受力壓縮，等等，這些行為都可以使光纖發(fā)生微小振動(dòng)，這些在進(jìn)行算法識(shí)別時(shí)可以列為Ⅱ類(lèi)預(yù)警，當(dāng)滿足條件判斷，立刻啟動(dòng)報(bào)警程序。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景，可以擴(kuò)展到地表的圍欄，比如籃球場(chǎng)圍欄，單位圍墻，也可用于土壤、地磚及實(shí)木地板、及江河湖海的水下報(bào)警。

兩類(lèi)預(yù)警信號(hào)的產(chǎn)生利用光纖傳感特性進(jìn)行參考光和信號(hào)光的干涉，屬于干涉型光纖。

干涉后的光經(jīng)光電二極管、放大器、調(diào)制器和解調(diào)器等方式實(shí)現(xiàn)探測(cè)傳感光信號(hào)。這種傳感光纖能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)精度高和靈敏度高的特點(diǎn)，可以廣泛用在航空業(yè)、建筑業(yè)、工程制造業(yè)等場(chǎng)所。由于檢測(cè)原理不同，所以干涉光纖傳感的類(lèi)型也不同，一般有塞格納克干涉、馬赫澤德干涉及邁克爾遜干涉。

6. 實(shí)驗(yàn)調(diào)試相關(guān)技術(shù)

6.1 光偏轉(zhuǎn)技術(shù)

光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的原理見(jiàn)下圖。由光源發(fā)出的激光，實(shí)驗(yàn)用的是連續(xù)激光，經(jīng)透鏡聚焦，反射光角度發(fā)生變化。最后于光電探測(cè)器上聚焦。

6.2 光反射技術(shù)

有光源激光器發(fā)出的光源是連續(xù)光源，經(jīng)透鏡聚焦于實(shí)驗(yàn)樣品端面上，端面的物理性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而使材料的折射率發(fā)生變化。端面折射率的變化影響彌散射率反射率、漫反射，最后光強(qiáng)和傳輸角度將發(fā)生變化。根據(jù)反射率的變化，推演振動(dòng)的變化。

綜上所述，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建及主要研究?jī)?nèi)容闡述了基于人工智能的振動(dòng)模式識(shí)別系統(tǒng)，此方法可以應(yīng)用于多種傳感系統(tǒng)中，可極大減少惡性事故的發(fā)生，消除故障隱患，保障人身和設(shè)備安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王貴鑫，嚴(yán)剛，關(guān)建飛.鋁材管道管壁厚度對(duì)激光超聲信號(hào)影響的探究[J].激光技術(shù)， 2014，38（2）：260-265.

[2]趙艷，沈中華，陸建，等.激光在管道中激發(fā)周向?qū)Рǖ挠邢拊M[J].物理學(xué)報(bào)，2007， 56（1）：321-326.

[3]曹建樹(shù)，曹振，趙龍飛，等.激光超聲管道表面裂紋檢測(cè)技術(shù)[J].光電工程，2016， 43（3）：1-6.

[4]潘永東，錢(qián)夢(mèng)騄，徐衛(wèi)疆，等.激光超聲檢測(cè)鋁合金材料的殘余應(yīng)力分布[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)， 2004（3）：254-257.

[5]關(guān)建飛，沈中華，許伯強(qiáng)，等.激光激發(fā)聲表面波在缺陷板材中散射過(guò)程的有限元分析[J]. ?光子學(xué)報(bào)， 2005， 34（8）：1128-1132.

[6]蔣鵬，張楠，熊水東等.光強(qiáng)擾動(dòng)對(duì)干涉型光纖傳感器外差解調(diào)的影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào)， ?2013， 33（f06）： 47-52.

[7]酆達(dá)，李錚，唐丹. 2×2熔錐型單模光纖耦合器的模型[J]. 光子學(xué)報(bào)， 2003， 32（11）： 1316-1320.

[8]何毅.分布式相位調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器信號(hào)處理技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)， 2006.

[9]胡偉達(dá)，李慶，溫潔等. In Ga As/In P 紅外雪崩光電探測(cè)器的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].紅外技術(shù)， 2018， 16（3）.

[10]熊煥庭. 在Lab VIEW中數(shù)據(jù)采集卡的三種驅(qū)動(dòng)方法[J].電測(cè)與儀表，2001， 38（8）： 35-37.

[11]孫卓輝， 章大海，王振波等. 基于研華DAQNavi的Lab VIEW 虛擬儀器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2016， 35（6）： 71-73.

[12]何毅，劉德明，孫琪真.基于Labview的光纖傳感器相位解調(diào)技術(shù)[J]. 信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2006， 19（1）： 94-97.