В
В мире НК
Guest
Одновременное предсказание величины остаточных напряжений и твердость по шумам Баркгаузена
Об авторах
Сотрудники Лаборатории техники автоматического управления, Кафедра технологии и моделирования условий эксплуатации Университета города Оулу (University of Oulu), Финляндия:
Необходимо войти для просмотра
Сорса Аки
Магистр наук (технология).
Лейвиска Кауко
Профессор.
Введение
Количественное предсказание свойств материала по сигналу шумов Баркгаузена (ШБ) является непростой задачей из-за сложных взаимодействий между изучаемыми свойствами и различными исходными параметрами, рассчитанными из шумового сигнала (далее - показателями). Обычно в литературе по подобным исследованиям используются такие показатели, как среднеквадратичное значение (RMS) [1, 2], энергия ШБ [3] или показатели, основанные на профиле ШБ, - высота, ширина и положение пика [4 - 6]. Кроме того, распределение высот пиков [3], различные спектры [4] или другие статистические характеристики ШБ, такие как асимметрия [6], также могут быть использованы в оценке свойств изучаемого материала.
Авторами проанализированы количественные предсказания свойств материалов на основе анализа сигналов ШБ [7 - 9]. Предлагаемый подход можно разделить на следующие этапы:
- предварительная обработка сигнала;
- получение показателей;
- выбор показателей;
- определение модели;
- проверка модели.
На первом этапе осуществляется фильтрация сигнала и, кроме того, производится расчет скользящих значений, необходимых для получения профиля ШБ. Цель предварительной обработки - повышение удобства использования результатов измерений ШБ.
В процессе получения показателей применяются различные математические процедуры для расчета численных значений показателей из сигнала ШБ. В работе [7] были подобраны различные функции к профилям ШБ (в первую очередь функции распределения). Параметры, полученные с помощью подобранных функций, затем использовались в прогностических моделях. Авторы недавно ввели новый показатель - энтропию ШБ, который может быть вычислен из сигнала [10]. Показано, что энтропия ШБ может хранить информацию помимо традиционных значений RMS, и, таким образом, использование энтропии целесообразно в прогностических моделях [10].
На этапе получения показателей генерируется множество значений, а за ним следует этап выбора показателей, которые будут значимы для прогнозирования свойств материалов. Для решения этой задачи авторы эффективно использовали генетические алгоритмы [8]. Шаг идентификации модели определяется в основном типом структуры и параметрами модели. Однако эти задачи тесно связаны друг с другом, а также с выбором показателей, и, следовательно, полезно решать все перечисленные задачи одновременно.
Проверка модели может быть выполнена как отдельная задача, но авторы предпочитают включать ее в общую задачу выбора показателей и идентификации моделей. Такая комбинированная процедура была описана более подробно в [8].
Данное исследование направлено на одновременное предсказание остаточных напряжений и твердости по сигналу ШБ. Исследование начинается с предварительной обработки сигнала ШБ и включает в себя все упомянутые этапы.
Выбор показателя
Процесс выбора направлен на нахождение оптимального подмножества показателей для построения надежной модели. Для алгоритма выбора показателя нужны три составляющие: поисковая система, процедура моделирования и целевая функция [11 - 13]. Поисковая система управляет оптимизацией подмножества показателей, в то время как целевая функция, использующая желаемую процедуру моделирования, предусматривает оценку подмножеств. Процедура моделирования может быть, например, многомерной линейной регрессией (МЛР) [14], регрессией методом дробных наименьших квадратов (РДНК) [15], регрессией основных компонентов (РОК) [16, 17] или искусственной нейронной сетью (ИНС) [18, 19].
Целевая функция имеет решающее значение в поиске подмножества показателей с заданными свойствами,такими как высокая предсказуемость [12]. Кроме того, целевая функция должна быть такой, чтобы подгонка не требовалась. Целевая функция может включать в себя условия подсчета критерия адекватности и сложности модели [11, 13] и условия подсчета предсказательной способности модели [20]. Как правило, ошибки прогноза или корреляции используются в качестве основы для целевой функции. Однако это вызывает систематическую погрешность и приводит к чрезмерно оптимистическим результатам. Методы наибольшей беспристрастности при повторной выборке приводят к лучшим результатам, особенно когда имеется ограниченное количество данных [14]. В этом исследовании лучшее подмножество переменных было найдено для модели МЛР. Простой алгоритм прямого подбора был задействован в качестве поисковой системы с целевой функцией, использующей k-кратные кросспроверки.
Далее представлены некоторые теоретические аспекты используемых методов.
Поисковые системы для выбора показателей
Прямой подбор переменных прост. Сначала каждая из P построенных моделей основана только на одной входной переменной. Эти модели оцениваются через целевую функцию и модель, показывающая максимальную эффективность, определяет первую переменную для включения в модель прогнозирования. Затем строятся модели P-1, каждая из них основана одновременно на уже выбранном показателе и одном из оставшихся показателей. Следующий показатель опять выбирается на основе значений целевой функции. Показатели добавляются в прогностическую модель один за другим, пока эффективность модели не станет лучше [11].
Другой простой алгоритм поиска - это обратное исключение, которое начинается с модели, включающей все показатели. На основании оценки целевой функции показатели удаляются из модели по одному до тех пор, пока не будет отмечено значительное снижение эффективности модели. Эти простые методы имеют преимущество в вычислительном отношении и, как правило, устойчивее к чрезмерной подгонке [13]. Тем не менее, в литературе было отмечено, что эти простые методы могут сходиться к локальным оптимумам, и, таким образом, глобальный оптимум не может быть найден [12]. Прямой поиск и обратное исключение были использованы, например, в [18] для выбора входных переменных для модели ИНС.
Более сложные поисковые алгоритмы также были использованы в выборе показателей. Одним из возможных методов является генетический алгоритм, который был успешно применен для выбора показателей несколькими авторами. Результаты таких исследований могут быть найдены, например, в [8, 16, 17].
Перекрестная проверка достоверности
Перекрестная проверка модели означает, что некоторые данные, независимо от обучающей выборки, используются для проверки предсказаний модели.
Используется контрольная выборка данных для предотвращения чрезмерной подгонки модели [21]. Чрезмерная подгонка означает, что выбранная модель хорошо работает с контрольной выборкой данных, но результаты предсказания имеют низкую точность [12]. Данные могут быть разделены несколькими способами. Типичным для приложений с большим количеством данных является разделение данных на обучающую и контрольную выборки хронологически или случайным образом. Когда объем данных ограничен, разделение на две группы резко уменьшает количество данных для обучения и проверки [21]. В таких случаях лучшим решением является использование метода интерполяции, где все данные используются для обучения и проверки.
Наиболее часто используемым методом повторной выборки является перекрестная проверка с исключением (ППИ). В процедуре ППИ одна единица данных выделяется для проверки модели, а остальные данные используются для обучения. Каждая единица данных, выделенная для проверки, используется для оценки средней точности предсказания. Другим методом повторной выборки является к-кратная перекрестная проверка на достоверность. В к-кратном методе данные разделяются случайно на подмножества K. Каждое подмножество используется для проверки модели, а остальные данные используются для обучения [21].
Обработка данных и получение показателей
Исследованные материалы
В данной работе исследовались образцы из поверхностно упрочненной стали 18CrNiMo7-6 (EN 10084). Было использовано два различных набора образцов.
Первый набор представляет собой серию брусков, поверхностно цементированных при 940 °С в течение 20 ч. Для варьирования окончательной твердости и остаточных напряжений использовался отпуск при различных температурах. Была проведена электролитическая полировка образцов для удаления тонкого слоя окислов, образовавшегося при цементации. Массив данных по этим образцам включает в себя 60 измерений. Часть массива данных ранее использовалась в работе [7].
Основной материал для второго набора образцов был получен из планетарной передачи при помощи резки водой. Поверхности образцов были обработаны лазером. Параметры лазерной обработки (скорость подачи и мощность) изменялись для получения образцов с различной твердостью и остаточными напряжениями. Массив данных по этим образцам содержит 24 измерения и ранее был использован в работе [7].
Измерения
Измерения ШБ производились с помощью анализатора ШБ типа Rollscan 300. Это цифровой прибор обработки сигнала с несколькими частотами намагничивания и регулировкой напряжения. Измерения образцов брусков и обработанных лазером образцов из шестерни осуществлялось на частотах намагничивания 45 и 125 Гц соответственно, при этом намагничивающее напряжение было 4,3 Vpp (вольт, напряжение от пика до пика - двойная амплитуда) для обоих комплектов образцов. Сигналы ШБ сохранялись в программном обеспечении MicroScan (прибор и ПО производства компании Stresstech Oy, Финляндия). Измерения остаточного напряжения выполнялись с помощью дифракции рентгеновских лучей. Был использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000, также производства Stresstech Oy. Устройство использует СгКа излучение и chi-метод. Напряжение на трубке 33 кВ, ток 6,7 мА, диаметр коллиматора 3 мм. Измерения твердости осуществлялись с помощью твердомера Matsuzawa NMT-XX7 (Matsuzawa Co. LTD, Japan). Приложенная нагрузка для этих измерений твердости по Виккерсу составляла 1 кг.
Предварительная обработка
Предварительная обработка сигналов ШБ в этом исследовании включает в себя устранение незначащих данных и осреднение с узкополосным фильтром (Boxcar averaging). Незначащие данные были удалены из-за неполноты намагничивающих петель. Осреднение с узкополосным фильтром использовалось для уменьшения количества точек данных для снижения вычислительной нагрузки, задействованной в расчете показателей. Осреднение с узкополосным фильтром заменяет сегмент последовательных точек данных их средним значением (рис. 1). В данном случае осреднение с узкополосным фильтром берется для сегментов из 10 точек.
Несколько скользящих значений рассчитываются по сигналам, отфильтрованным с помощью осреднения с узкополосным фильтром. Все скользящие значения рассчитываются в течение 20 последовательных измерений и исследуются как функция приложенного магнитного поля. Расчетные скользящие значения есть значение RMS и энтропия с емкостью накопителя 10.
Показатели, получаемые из сигналов ШБ
Следующие показатели рассчитываются непосредственно по сигналам ШБ без предварительной обработки:
- статистические характеристики: среднее, стандартное отклонение, асимметрия, эксцесс, диапазон и асимметрия Пирсона;
- 0,05; 5; 25; 50; 75; 95 и 99,95% квантилей от сигнала и интерквартильная широта;
- RMS и энтропии с емкостью накопителя 20 и 500;
- максимальное значение (peak), амплитудный коэффициент (crest factor), фактор очистки (clearance factor) и импульс-фактор (impulse factor). Максимальное значение и факторы
рассчитываются по [23]:
Необходимо войти для просмотра
Об авторах
Сотрудники Лаборатории техники автоматического управления, Кафедра технологии и моделирования условий эксплуатации Университета города Оулу (University of Oulu), Финляндия:
Необходимо войти для просмотра
Сорса Аки
Магистр наук (технология).
Лейвиска Кауко
Профессор.
Введение
Количественное предсказание свойств материала по сигналу шумов Баркгаузена (ШБ) является непростой задачей из-за сложных взаимодействий между изучаемыми свойствами и различными исходными параметрами, рассчитанными из шумового сигнала (далее - показателями). Обычно в литературе по подобным исследованиям используются такие показатели, как среднеквадратичное значение (RMS) [1, 2], энергия ШБ [3] или показатели, основанные на профиле ШБ, - высота, ширина и положение пика [4 - 6]. Кроме того, распределение высот пиков [3], различные спектры [4] или другие статистические характеристики ШБ, такие как асимметрия [6], также могут быть использованы в оценке свойств изучаемого материала.
Авторами проанализированы количественные предсказания свойств материалов на основе анализа сигналов ШБ [7 - 9]. Предлагаемый подход можно разделить на следующие этапы:
- предварительная обработка сигнала;
- получение показателей;
- выбор показателей;
- определение модели;
- проверка модели.
На первом этапе осуществляется фильтрация сигнала и, кроме того, производится расчет скользящих значений, необходимых для получения профиля ШБ. Цель предварительной обработки - повышение удобства использования результатов измерений ШБ.
В процессе получения показателей применяются различные математические процедуры для расчета численных значений показателей из сигнала ШБ. В работе [7] были подобраны различные функции к профилям ШБ (в первую очередь функции распределения). Параметры, полученные с помощью подобранных функций, затем использовались в прогностических моделях. Авторы недавно ввели новый показатель - энтропию ШБ, который может быть вычислен из сигнала [10]. Показано, что энтропия ШБ может хранить информацию помимо традиционных значений RMS, и, таким образом, использование энтропии целесообразно в прогностических моделях [10].
На этапе получения показателей генерируется множество значений, а за ним следует этап выбора показателей, которые будут значимы для прогнозирования свойств материалов. Для решения этой задачи авторы эффективно использовали генетические алгоритмы [8]. Шаг идентификации модели определяется в основном типом структуры и параметрами модели. Однако эти задачи тесно связаны друг с другом, а также с выбором показателей, и, следовательно, полезно решать все перечисленные задачи одновременно.
Проверка модели может быть выполнена как отдельная задача, но авторы предпочитают включать ее в общую задачу выбора показателей и идентификации моделей. Такая комбинированная процедура была описана более подробно в [8].
Данное исследование направлено на одновременное предсказание остаточных напряжений и твердости по сигналу ШБ. Исследование начинается с предварительной обработки сигнала ШБ и включает в себя все упомянутые этапы.
Выбор показателя
Процесс выбора направлен на нахождение оптимального подмножества показателей для построения надежной модели. Для алгоритма выбора показателя нужны три составляющие: поисковая система, процедура моделирования и целевая функция [11 - 13]. Поисковая система управляет оптимизацией подмножества показателей, в то время как целевая функция, использующая желаемую процедуру моделирования, предусматривает оценку подмножеств. Процедура моделирования может быть, например, многомерной линейной регрессией (МЛР) [14], регрессией методом дробных наименьших квадратов (РДНК) [15], регрессией основных компонентов (РОК) [16, 17] или искусственной нейронной сетью (ИНС) [18, 19].
Целевая функция имеет решающее значение в поиске подмножества показателей с заданными свойствами,такими как высокая предсказуемость [12]. Кроме того, целевая функция должна быть такой, чтобы подгонка не требовалась. Целевая функция может включать в себя условия подсчета критерия адекватности и сложности модели [11, 13] и условия подсчета предсказательной способности модели [20]. Как правило, ошибки прогноза или корреляции используются в качестве основы для целевой функции. Однако это вызывает систематическую погрешность и приводит к чрезмерно оптимистическим результатам. Методы наибольшей беспристрастности при повторной выборке приводят к лучшим результатам, особенно когда имеется ограниченное количество данных [14]. В этом исследовании лучшее подмножество переменных было найдено для модели МЛР. Простой алгоритм прямого подбора был задействован в качестве поисковой системы с целевой функцией, использующей k-кратные кросспроверки.
Далее представлены некоторые теоретические аспекты используемых методов.
Поисковые системы для выбора показателей
Прямой подбор переменных прост. Сначала каждая из P построенных моделей основана только на одной входной переменной. Эти модели оцениваются через целевую функцию и модель, показывающая максимальную эффективность, определяет первую переменную для включения в модель прогнозирования. Затем строятся модели P-1, каждая из них основана одновременно на уже выбранном показателе и одном из оставшихся показателей. Следующий показатель опять выбирается на основе значений целевой функции. Показатели добавляются в прогностическую модель один за другим, пока эффективность модели не станет лучше [11].
Другой простой алгоритм поиска - это обратное исключение, которое начинается с модели, включающей все показатели. На основании оценки целевой функции показатели удаляются из модели по одному до тех пор, пока не будет отмечено значительное снижение эффективности модели. Эти простые методы имеют преимущество в вычислительном отношении и, как правило, устойчивее к чрезмерной подгонке [13]. Тем не менее, в литературе было отмечено, что эти простые методы могут сходиться к локальным оптимумам, и, таким образом, глобальный оптимум не может быть найден [12]. Прямой поиск и обратное исключение были использованы, например, в [18] для выбора входных переменных для модели ИНС.
Более сложные поисковые алгоритмы также были использованы в выборе показателей. Одним из возможных методов является генетический алгоритм, который был успешно применен для выбора показателей несколькими авторами. Результаты таких исследований могут быть найдены, например, в [8, 16, 17].
Перекрестная проверка достоверности
Перекрестная проверка модели означает, что некоторые данные, независимо от обучающей выборки, используются для проверки предсказаний модели.
Используется контрольная выборка данных для предотвращения чрезмерной подгонки модели [21]. Чрезмерная подгонка означает, что выбранная модель хорошо работает с контрольной выборкой данных, но результаты предсказания имеют низкую точность [12]. Данные могут быть разделены несколькими способами. Типичным для приложений с большим количеством данных является разделение данных на обучающую и контрольную выборки хронологически или случайным образом. Когда объем данных ограничен, разделение на две группы резко уменьшает количество данных для обучения и проверки [21]. В таких случаях лучшим решением является использование метода интерполяции, где все данные используются для обучения и проверки.
Наиболее часто используемым методом повторной выборки является перекрестная проверка с исключением (ППИ). В процедуре ППИ одна единица данных выделяется для проверки модели, а остальные данные используются для обучения. Каждая единица данных, выделенная для проверки, используется для оценки средней точности предсказания. Другим методом повторной выборки является к-кратная перекрестная проверка на достоверность. В к-кратном методе данные разделяются случайно на подмножества K. Каждое подмножество используется для проверки модели, а остальные данные используются для обучения [21].
Обработка данных и получение показателей
Исследованные материалы
В данной работе исследовались образцы из поверхностно упрочненной стали 18CrNiMo7-6 (EN 10084). Было использовано два различных набора образцов.
Первый набор представляет собой серию брусков, поверхностно цементированных при 940 °С в течение 20 ч. Для варьирования окончательной твердости и остаточных напряжений использовался отпуск при различных температурах. Была проведена электролитическая полировка образцов для удаления тонкого слоя окислов, образовавшегося при цементации. Массив данных по этим образцам включает в себя 60 измерений. Часть массива данных ранее использовалась в работе [7].
Основной материал для второго набора образцов был получен из планетарной передачи при помощи резки водой. Поверхности образцов были обработаны лазером. Параметры лазерной обработки (скорость подачи и мощность) изменялись для получения образцов с различной твердостью и остаточными напряжениями. Массив данных по этим образцам содержит 24 измерения и ранее был использован в работе [7].
Измерения
Измерения ШБ производились с помощью анализатора ШБ типа Rollscan 300. Это цифровой прибор обработки сигнала с несколькими частотами намагничивания и регулировкой напряжения. Измерения образцов брусков и обработанных лазером образцов из шестерни осуществлялось на частотах намагничивания 45 и 125 Гц соответственно, при этом намагничивающее напряжение было 4,3 Vpp (вольт, напряжение от пика до пика - двойная амплитуда) для обоих комплектов образцов. Сигналы ШБ сохранялись в программном обеспечении MicroScan (прибор и ПО производства компании Stresstech Oy, Финляндия). Измерения остаточного напряжения выполнялись с помощью дифракции рентгеновских лучей. Был использован рентгеновский дифрактометр Xstress 3000, также производства Stresstech Oy. Устройство использует СгКа излучение и chi-метод. Напряжение на трубке 33 кВ, ток 6,7 мА, диаметр коллиматора 3 мм. Измерения твердости осуществлялись с помощью твердомера Matsuzawa NMT-XX7 (Matsuzawa Co. LTD, Japan). Приложенная нагрузка для этих измерений твердости по Виккерсу составляла 1 кг.
Предварительная обработка
Предварительная обработка сигналов ШБ в этом исследовании включает в себя устранение незначащих данных и осреднение с узкополосным фильтром (Boxcar averaging). Незначащие данные были удалены из-за неполноты намагничивающих петель. Осреднение с узкополосным фильтром использовалось для уменьшения количества точек данных для снижения вычислительной нагрузки, задействованной в расчете показателей. Осреднение с узкополосным фильтром заменяет сегмент последовательных точек данных их средним значением (рис. 1). В данном случае осреднение с узкополосным фильтром берется для сегментов из 10 точек.
Необходимо войти для просмотра
Несколько скользящих значений рассчитываются по сигналам, отфильтрованным с помощью осреднения с узкополосным фильтром. Все скользящие значения рассчитываются в течение 20 последовательных измерений и исследуются как функция приложенного магнитного поля. Расчетные скользящие значения есть значение RMS и энтропия с емкостью накопителя 10.
Показатели, получаемые из сигналов ШБ
Следующие показатели рассчитываются непосредственно по сигналам ШБ без предварительной обработки:
- статистические характеристики: среднее, стандартное отклонение, асимметрия, эксцесс, диапазон и асимметрия Пирсона;
- 0,05; 5; 25; 50; 75; 95 и 99,95% квантилей от сигнала и интерквартильная широта;
- RMS и энтропии с емкостью накопителя 20 и 500;
- максимальное значение (peak), амплитудный коэффициент (crest factor), фактор очистки (clearance factor) и импульс-фактор (impulse factor). Максимальное значение и факторы
рассчитываются по [23]:
Необходимо войти для просмотра