神经网络用于电热响应曲线的分析.pdf

2 0 0 8 年2 月神经网络用于电热响应曲线的分析周彬等2 5 神经网络用于电热响应曲线的分析 周彬秦志春 田桂蓉 徐振相 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 瞬态脉冲试验是一种对桥丝式电火工品进行无损检测的方法。通过瞬态脉冲试验得到火工品的电热响 应曲线，正常的电热响应曲线是光滑的，而非正常的电热响应曲线往往有较大的波动，出现非正常电热响应曲线的 火工品一般都存在某种疵病．该文将神经网络技术用于对电热响应曲线的分析，以区分正常的电热响应曲线和非 正常的电热响应盐线．研究结果表明，该方法可以比较准确地区分这两种电热响应曲线，实现自动判断． [ 关键词] 瞬态脉冲试验 无损检测火工品电热响应神经网络 [ 分类号] T Q 5 6 0 ．7 2 由瞬态脉冲试验测得的桥丝式电火工品的电热 响应曲线一般近似为指数曲线，由于测试电流较小， 通电后桥丝温度上升，开始时上升较快，经过一段时 间后，桥丝上的得热速率和散热速率相等，曲线趋于 平衡。但是当火工品存在桥丝焊接疵病、桥丝损伤、 桥丝药剂接触不良等缺陷时，可能导致曲线异常波 动，出现非正常的电热响应信号。不管是由于何种原 因导致电热响应曲线出现异常波动，都表明火工品 存在某种缺陷，如桥丝焊接缺陷、桥丝药剂界面的气 泡等，这些缺陷有可能会导致火工品失效[ 1 ’2 】。因此， 火工品在电热响应试验时如果出现电热响应曲线异 常的情况，则应该将该发火工品剔除，前人的研究过 程中一般都是由有经验的技术人员通过直接观察进 行判断，这种判断带有一定的主观性。 本文在研究正常响应曲线和各种非正常响应曲 线的基础上，利用人工神经网络技术对曲线进行分 析，实现自动判断。由于正常电火工品电热响应曲线 在通电测试的前一段时间是呈连续上升趋势，然后 趋于平衡，曲线形状较有规律。而非正常电火工品电 热响应曲线的形状则没有规律性。可以让其对大量 电热响应信号实例进行学习，使输入和输出建立起 一种符合实际映射关系，由此关系得出待测的输入 值和输出结果，并对电火工品性能进行分析判断[ 3 ] ． 这种判断方法可以避免人为因素的影响，使判断更 方便合理。 l电热响应试验原理及测试 电热响应试验中给火工品通一恒流脉冲，在桥 丝上电能转化成热能，使桥丝的温度升高，而桥丝一 般是由具有正温度系数的金属材料制成，也就是说 随着温度的升高，桥丝的电阻增大，电压也增大，利 用专用仪器测得桥丝两端的电压随时问而变化的信 号，即为电热响应信号。由于检测电流较小，而且持 续时间短，不会引起火工品性能变化，也即是无损 的嘲。 电热响应试验仪器采用自制的瞬态脉冲测试 仪，测试仪主要由数据采集器、放大器、电桥电路、恒 流源、计算机等部分组成。其示意图如图1 所示。 图1瞬态脉冲测试仪原理图 恒流源提供调零电流和测试电流，放大器将桥 丝的端电压变化值进行放大，数据采集器采集电压 数据，进行A ／D 转换并存贮下来，计算机对整个测 试系统进行控制，设置无损检测测试条件，如恒流源 输出电流大小、电流持续时间、数据采集间隔等。 试验所用电点火头桥丝为镍铬丝，直径为0 ．0 2 5 m m ，电阻为2 ．5 ～4 ．5 Q ，药剂主要成分为硫氰酸铅、 氯化钾、铬酸铅等，安全电流1 0 0 m A 。测电点火头电 阻后对其进行无损检测，测试电流1 0 0 m A ，脉冲持 续时间1 0 0 m s ，采样间隔5 0 坤． 通过上述实验获得3 0 0 组蓝线备用，其中大部 分为正常的电热响应曲线，少数为非正常的电热响 应曲线。 2 非正常电热晌应信号分析 出现非正常电热响应信号的原因常有以下几 种嘞 1 桥丝药剂接触不良 当桥丝与周围药荆间有空气间隙时，瞬态脉冲 试验开始时桥丝的热损耗较小，响应信号上升很快， 万方数据 2 6 爆 破器材E x p l o s i 垤M a t e r i a l 8第3 7 卷第l 期 而随着桥丝受热后的膨胀和弯曲，挤压周围的药剂， 与药剂的接触面增大，热接触改善，导致后阶段的升 温速度可能降低，因而出现响应信号的波动。桥丝药 剂接触不良可能由于制造工艺不良造成，也可能由 于火工品所处环境温度的急剧变化造成。 2 焊接疵病 桥丝式电火工品的核心部件是桥丝，焊接质量 的好坏，决定产品的性能。桥丝与脚线的焊接常用锡 焊或储能焊，锡焊属钎焊的一种。焊接时先用电烙铁 将锡料熔化，然后用焊锡将桥丝焊在脚线上。锡焊的 桥丝容易产生的疵病有虚焊、内部缩孔、表面气孔， 以及桥丝上有损伤或焊锡等。当存在虚焊时，由于桥 丝受热膨胀弯曲，可能导致虚焊点断开，从而出现不 连续的响应曲线。 3 桥丝损伤 桥丝损伤包括刻痕、桥丝变形而产生的截面变 化等。桥丝损伤会引起电阻的不均匀分布，瞬态脉冲 试验时，损伤处产生局部热点。这种疵病的响应曲线 的形状不规则。 另外，当火工品长期储存一段时间以后，由于温 度、湿度等因素的影响，可能在桥丝的焊点处，或者 桥丝上产生腐蚀，这时桥丝有可能从焊点上断开，但 由于药剂包裹在其周围，测量电阻时可能仍然正常。 但当通一瞬态脉冲时桥丝发热，产生热膨胀，从而接 触不良的缺陷体现出来。 在瞬态脉冲试验过程中出现的典型的不正常电 热响应曲线如图2 、图3 、图4 、图5 所示。典型的正 常的电热响应曲线如图6 。显然与正常的电热响应 曲线相比，不正常的电热响应曲线有显著的波动。 3B P 网络模型的建立和训练 人工神经网络是以对人体大脑的生理研究成果 为基础的，其目的在于模拟大脑的某些机理与机制， 实现某个方面的功能。目前，在应用和研究中的神经 图2 不正常电热响应曲线1 图3 不正常电热响应曲线2 帅s 图4 不正常电热响应曲线3 图5 不正常电热响应曲线4 图6 正常的电热响应曲线 万方数据 2 0 0 8 年2 月 神经网络用于电热响应曲线的分析周彬等 2 7 网络模型有数十种，综合各种神经网络模型的特点 和应用情况，并考虑到电热响应曲线是图形特征较 为简单的一种图形，对于这种简单图形可以用比较 简单适用的模型来实现。B P 网络是当前应用最为广 泛的一种人工神经网络，它的工作状态稳定，常用于 信息处理、图象识别、模型辨识等。本文采用了B P 网络模型。 3 ．1B P 网络模型的建立 B P 网络模型的结构如图7 所示。最左边第一层 为输入层，最右面一层为输出层，中间为隐层。其信 息从输入层依次向右传递，直至输出层。神经元变换 函数采用S 型函数。它可实现从输入到输出的映射 关系。 输入 巾婀隐层 输山 图7 神经网络结构 网络的类型确定后，再选择网络的结构和参数， 即网络的层数、每层的结点数、初始权值、阈值、学习 算法等。网络结点数对网络的泛化能力有很大影响， 结点数太多，网络倾向于记住所有的训练数据，包括 噪声的影响，反而降低了泛化功能，而结点数太少时 网络不能很好地拟合样本数据，也达不到很好的泛 化功能。选择结点数的原则是，用尽量少的结点实现 尽量好的泛化能力。经多次训练研究，采用了三层网 络结构，即输入层、中间层和输出层。输入层含6 8 个 结点，中间层含1 0 个结点，输出层为1 个结点。 3 ．2 网络的训练和检验 确定网络模型后就可以对网络进行训练．先对 电热响应数据进行预处理，等间隔选取6 8 个数据 点，作为输入的结点。先用测试数据对神经网络进行 训练，正确的数据使网络输出为1 ，使网络达到精度 要求。 在网络训练的过程中，选择数据样本个数是很 重要的。一般说来，数据的多少与网络大小、输入输 出的分布等有关系。数据样本越多，学习和训练的结 果便越能正确反映输入输出的关系。但是选太多的 数据将增加收集、分析数据以及网络训练的代价，选 太少的数据就可能得不到理想的结果。本文任意选 用曲线正常的2 1 0 组电热响应数据，将正常的数据 组随机分为两小组，其中一小组有1 9 0 组电热响应 数据，作为网络训练的样本数据组，另一小组有2 0 组电热响应数据，作为网络检验的样本数据组。1 9 0 组电热响应数据作为训练的样本，反复训练到达精 度要求后停止，并将权值文件保存。 网络训练完成后，需要对网络进行检验，网络的 检验很重要，只有检验误差满足要求时，网络才能使 用。网络检验数据的选择方式与训练数据的选择相 同，并且是不曾被作为网络训练用的数据。这里选择 了上述的2 0 组检验数据样本，检验结果见表1 ，判 断阈值为o ．0 1 ，可见2 0 组数据的输出值与期望值 的差值都小于o ．0 1 ，被判断为合格。另外用4 组不 正常的电热响应曲线对应的数据输入网络进行处 理，结果如表2 ，4 组数据经网络处理后的输出值与 期望值的差值都大于o ．o l ，4 条曲线都被判断为不 表1 正常电热响应数据集的检验 序期待实际输实际输出值与 判断对应的响 号值出值期待值之差结果应曲线 万方数据 2 8 爆破器材E x p l ∞i v eM a t e r i a l 8第3 7 卷第1 期 合格．可见经过训练的神经网络对电热响应曲线有 较好的判别功能。 4 结论 本文分析了电热响应曲线的特征和电火工品出 现不正常响应曲线的原因，选用了B P 网络模型，经 过反复试探确定了网络的结构参数。并对网络进行 了训练和检验，检验结果表明正常电热响应曲线的 网络输出值较接近于期望值，而非正常电热响应曲 线的网络输出值则偏离期望值较大。因此，通过对大 量的电热响应曲线的分析可以确定一个临界值，网 络输出值超出临界值的电热响应衄线就被判断为不 正常．本文的研究结果对于进行电热响应曲线的自 动判断具有较大意义。 参考文献 吴惠洁．灼热桥丝电爆装置无损检测的探讨[ J ] ．火工 品。1 9 8 2 2 1 6 1 1 ． G a oJ u n g u o ．G ∞M i n ．N o n - d e 8 t r u c t i v et e s ta n df a i l ． u r ec r i t e r i af o re I e c t r o e x p l o s i v ed e v i c e s [ A ] ．P r o ．o f t h e1 s ti n t ．s y m p o s i u mo nt e s ta n dm e a s u r e ． 1 9 9 5 ， 4 5 4 ～4 5 6 ． 杨鸿春，胡学先．电火工品性能预报的探索[ J ] ．火工 品，1 9 9 2 2 1 4 ～1 9 ． 艾鲁群．国外火工品手册 药剂和试验 [ M ] ．北京国 家机械委员会兵器标准化研究所，1 9 8 8 ． J ．T P e t r i c k ． A d v a n c e dt r a n s i e n tp u l s ea n a l y s i so f E E D ’8 [ A ] ．P r o ．o ft h e1 0 t h8 舯p o s i u mo nE P ． 1 9 7 9 ，2 5 ．1 ～2 5 一1 2 ． A n a l y s l so fE l e c t r i cT h e r m a IR e s p o n s eC u r V eU s i n gN e u r a IN e t w o r kT e c h n i q u e Z h o uB i n ，Q i n gZ h i c h u n ，T i a dG u i r o n g ，X uZ h e n x i a n g 二 S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 亡A B s T R A C T ] T r a n s i e n tp u l s et e s ti so n ek i n do fn o n d e s t r u c t i v et e s tm e t h o de m p l o y e dt ot e s tb r i d g ew i r ee l e c t r i ce x p l o s i v ed e v i c e E E D ．T h en o r m a le l e c t r i ct h e r m a Ir e s p o n s ec u r v eo b t a i n e df r o mt r a n s i e n tp u l s et e s ti s s m o o t h ，b u tt h ea b n o r m a lo n eh 弱o b v i o u sf l u c t u a t i o n ．I ng e n e r a l ，t h eE E Dh a v i n ga b n o r m a Ic u r v eh a ss o m e s h o r t c o m i n g s ．I nt h i sp a p e r ，t h en e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u ei su s e dt oa n a l y z et h er e s p o n s ec u r v et od i s t i n g u i s ht h e a b n o r m a lf r o mt h e ∞r m a lo n e s ．T h er e s u l ts h o w st h em e t h o di sr a t h e re f f e c t i v e ． [ K E Yw O R D S ]t r a n s i e n tp u l s et e s t ，n o n d e s t r u c t i v et e s t ，e l e c t r i ce x p l o s i v ed e v i c e ，e l e c t r i ct h e r m a lr e s p o n s e ， n e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u e 2 0 0 8 年全国民用爆炸物品行业工作会议在南宁召开 2 0 0 7 年1 2 月8 日，2 0 0 8 年全国民用爆炸物品行业工作会议在南宁召开．国防科工委副主任孙勤，广西壮族自治区人民攻 府剐主席杨道喜等领导出席大会并讲话． 孙勤就民爆工作提出四点要求。一是进一步优化行业结构．实施“扶大限小”的政策，继续积极稳妥地推进改革调整。不断 巩固改革调整成果，对于优势大型企业，采取增加能力、排满生产计划的方式加大扶持力度，对规模和安全技术水平相对低的 企业，逐年减排生产计划，促进企业继续整合、精干．二是完善民爆科研体系，提高技术创新能力．完善科研院所、大专院校和 企业研发机构多层次、各有侧重、产学研结合的民爆科研体系．整合多方面资源，加大政策支持力度，充分发挥各方面的积极 性，开展民爆科研生产的基础性研究和创新技术研究，着力突破制约行业发展的关键技术．鼓励具备条件的大型企业集团设 立自己的研究开发机构，逐步改变民爆行业技术创新能力薄弱、产品附加值低、生产能耗高、安全代价高的现状，提高全行业 技术水平、创新能力．三是建立现代企业制度，提高内部管理水平。民爆行业大部分企业的法人治理结构和内部管理水平仍处 于较低水平，企业要走向持续、健康发展的轨道，必须按照“产权清晰、权责明确、政企分开、管理科学”的原则，完善内部法人治 理结构，建立新型的企业决策体制和科学的管理制度。四是严格安全质量监管，转变政府职能．继续按照有关规定，加强安全 生产和产品质量的日常监管，采取多种形式，开展对企业的安全生产和产品质量的监督检查，开展基层现场、基础管理达标活 动，促进企业规范工艺纪律、规范生产经营行为．在严格履行监管职能的同时，也必须加快政府服务水平的提高． 国防科工委民用爆破器材监督管理局林菊生局长在会上做了年度工作报告．报告中总结了民爆行业2 0 0 7 年成绩和经验， 明确2 0 0 8 年工作目标．会议指出，2 0 0 7 年是民爆行业发展的关键年，一年来，新的民爆条例等法规规章顺利实施，改革调整取 得突破性进展，经济运行态势良好，行业安全生产形势平稳，产品质量稳步提高，各项工作都取得了长足进步． 会上，国防科工委专家咨询委副主任、中国爆破器材行业协会理事长张维民总结了民爆协会一年来的工作，监察部驻国 防科工委监察局局长李东海就加强行风建设问题发表讲话．广西区经委、新疆民爆办、安徽国防科工办民爆处、湖北卫东机械 化工有限公司、福建海峡科化股份有限公司等单位在会上做了经验交流发言．会议由国防科工委民用爆破器材监督管理局副 局长金鑫主持．来自国防科工委、公安部等国家及省级民爆行业主管部门、行业协会的领导．民爆生产企业和部门民爆销售企 业的代表，民爆产品科研单位和设备供应商的代表，民爆产品检验检测机构、安全评价机构、质量体系认证机构等中介服务机 构的代表共1 0 0 0 余人参加了会议． ‘夺刊， ] ] ] ] ] 口 眨 口 H 口 万方数据