电磁无损检测方法,尤其是利用初始磁导率法检测钢材材质,以其非破坏性、简单快速及可实现100%逐件检测等优点,在工业上得到广泛应用.现代工业检测技术对在线检测和实时处理的要求越来越高,尽管在仪器中采用了相位、频率分析及幅值鉴别等信号处理方法,可最终检测结果仍不尽人意,尤其是对钢铁件的内部细微缺陷还难以准确判定[1, 2].因此,为了适应现代工业的发展,进一步研制出高效率、高精确度、低成本的电磁无损检测仪器,本文探索了一种基于DSP来实现数字滤波与快速傅里叶变换的方法[3].此方法在CCS开发平台下,对电磁无损检测仪的软硬件进行调试和仿真[4],取得了较好结果.
1 检测系统结构设计
电磁无损检测系统通过探头对检测件进行信号采集,然后对信号进行放大处理.由于信号采集系统在检测过程中会受到各种外界干扰和噪声的影响,因此放大处理后用硬件实现初步滤波,提出有用信号送到A/D转化器.由此得到的数字信号送入DSP系统进行实时数据处理.系统结构主要由信号提取、模拟部分、A/D采样、数字信号处理、结果输出组成,如图1所示.
2 数字滤波与FFT的算法设计
本文采用一种零相位、通带最平的数字滤波器构造方法,和以FFT为基础的快速频域数字滤波器算法,有效的滤除A/D采样后数字信号中的低频晃动和高频噪声干扰,在一定程度上抑制了噪声对检测结果的影响.主要的设计思想是,在频率域直接定义滤波器副频和相频特性,用正反快速傅里叶变换进行信号滤波.
信号的滤波过程为输入信号x(t)与滤波器脉冲信号响应h(t)的卷积
由卷积定理有
滤波后的输出信号Y(ω)取傅里叶反变换就可以求出时域波形系数
信号的正反傅里叶变换可以用FFT(快速傅里叶变换)算法简单地实现.因此,滤波的重点在于滤波器传递函数H(ω)的设计.为便于滤波器特性控制,H(ω)的幅频特性采用双线性变换后的数字带通巴特沃斯滤波器来定义,其幅频特性为
式中,p为巴特沃斯滤波器的阶次;ω1为滤波器的上截止频率;ω2为滤波器的下截止频率.
该滤波器的特点是通带最平,同时过渡带的锐截止性和频率通带位置可由p,ω1,ω23个参数直接确定,使用简便.几个阶次的数字巴特沃斯滤波器幅频特性见图2.
为保证滤波后信号不产生相位失真,滤波器H(ω)的相频特性必须满足线性相位.为此,将频域滤波器的传递函数定义为
其频谱是偶对称的,对应的脉冲响应函数h(t)具有零相位的特点,满足线性相位条件.这样就完成了频域滤波器的幅频和相频特性的构造.给定滤波器次p和上、下截止频率ω1,ω2后,按式(4)和式(5)快速计算出符合要求的滤波器传递函数H(ω),代入式(2)和式(3),就可用快速傅里叶变换进行频域信号滤波,其运算框图见图3.
3 基于DSP的数字滤波与FFT的实现
数字信号处理算法的特点是对大量数据进行相同的操作、实时性强.由于大多数DSP芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法,而且提供专门的FFT指令(如位倒序寻址),使得FFT算法在DSP芯片上实现的速度更快[5, 6]. DSP芯片是专门为信号处理而设计的,是解决实时处理要求的单片可编程微处理器芯片.它使用灵活,用来作数字信号处理,例如快速傅里叶变换或数字滤波等,要比通用微机快2~3个数量级.信号转换成数字形式进入到数字信号处理器后,用统一的方法存储和加工处理比使用模拟线路对信号进行处理更为精确、有效和方便.
我们采用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片.在此基础上实现数字滤波与FFT是有一定的物质基础的,DSP芯片具有以下特点:①内部采用程序和数据分开的哈佛结构,可以在一个机器周期内同时获取程序存储器内的指令字和数据存储器内的操作数,提高执行速度;②芯片配置了一个或多个硬件乘法器,能实现单指令乘加运算和变址运算,从而加快运算速度;③采用了多个并行处理单元,诸如MUL(硬件乘法器)、ACC(累加器)、ALU(算术逻辑单元)、ARAU(辅助逻辑单元)、DMA控制器等.它们可在同一机器周期内并行地执行不同的任务;④采用了大容量的片内存储器,提高了指令、数据的访问速度;⑤提供了特殊的DSP指令,如DMOV,LTD,MPY等,可以减少所需操作的指令条数;⑥设置了特殊的寻址模式,以支持循环寻址和位翻转寻址;⑦处理器中的运算大多是重复运算,因此不用额外编写重复运算指令.
4 实验结果
4·1 65Mn弹簧钢硬度检测
选取21个直径为8mm、长度为80mm的65Mn弹簧钢试样,进行通常的淬回火工艺后,用上述电磁无损检测系统检测其硬度,结果如图4所示.
图4中显示出本系统的数显值与65Mn弹簧钢的硬度之间呈明显线性关系.利用此线性关系可以较准确的分辨出合格件与不合格件(超出某一硬度值范围。
4·2 急冷铸铁件裂纹检测
所用的急冷铸铁件来自生产实践,直径17mm,长33mm.共39个试样,人为认定19个裂纹件, 20个非裂纹件(合格件).本实验将一非裂纹件作为参考样,运用此系统检测所得数据如图5所示.
由图5可知,其中有3个合格件混入了裂纹件中,裂纹件全部选出,误判率大大降低.由于这些工件的合格与否都是人为用肉眼观察而判定的,对于试样的内部裂纹是不能观察到的,混在裂纹件中的合格件很有可能有内部裂纹或缩松等缺陷存在,待进一步研究.
5 结 语
本试验完成了在电磁无损检测仪中应用DSP实现数字滤波与FFT的研究.结果表明,该检测系统在对65Mn弹簧钢的硬度、急冷铸铁件的裂纹进行检测时,取得了较好的结果.数字信号处理技术在电磁无损检测中的应用还处于起步阶段,有些方面有待于进一步研究.
