（控制理论与控制工程专业论文）钢丝绳在线无损检测系统.pdf

钢丝绳在线无损检测系统 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：予晦 指导教师签字：3 - - ) 钢丝绳作为牵引、承载的重要部件，它们的状态直接关系到设备的安全，一旦发生断 裂，后果将是十分严重。但是，目前的钢丝绳检测系统还存在很大不足：基于单片机的检 测系统其浮点数据处理能力不足，无法实现大数据量的检测；而基于p c 机的检测仪器又 过分依赖于p c 机，不利于现场检测。同时检测现场噪声干扰强，漏磁信号弱，对信号的 分析处理难度较大，精度较低。因此，本文提出了一种以e p 2 c 3 5 处理器为核心，用互相 关处理检测信号的无损检测系统的设计方案。 本文首先简单介绍了钢丝绳无损检测的基本原理和方法，结合钢丝绳在线无损检测的 实际需要，提出了采用e p 2 c 3 5 芯片为核心的检测系统，具有功耗低、运算能力强、精度 高、便于携带等优点。 根据钢丝绳漏磁检测原理，总结了系统总体功能和设计方案。结合钢丝绳漏磁信号的 特点，选用磁阻传感器h m c l 0 2 2 作为磁敏元件并完成了信号检测探头的设计；运用相关 函数进行信号处理，通过理论、仿真以及实验，验证了相关分析在漏磁信号提取中的有效 性。 根据系统设计方案完成了系统硬件和软件的设计与实现。硬件电路主要包括漏磁信号 采集电路、e p 2 c 3 5 外围电路、存储电路、u s b 接口电路等。整个系统利用了智能体软件 模型构建整体软件系统，使系统具有一定的适应性，通过强制学习的方法即可在线更改系 统配置参数，达到有针对性检测不同种类钢丝绳的目的。 实际调试应用中，该系统对于漏磁场信号有较好的分辨能力，能有效测量出钢丝绳表 面破损，基本达到设计要求。 关键词：钢丝绳；无损检测；漏磁；磁阻传感器；相关函数；f p g a s t e e lw i r e r o p e l i n en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e m d i s c i p l i n e ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t s t e e lw i r er o p e ，w h o s es t a t ei s d i r e c t l yr e l a t e dt od e v i c es a f e t yi nt h ee v e n to ff r a c t u r e , i st h e i m p o r t a n tp a r t so ft h et r a c t i o nl o a d h o w e v e r , t h ee x i s t i n gi n s p e c t i o ns y s t e m sf o rs t e e lw i r er o p e s t i l lh a v es o m es h o r t a g e s f o re x a m p l e ，t h ei n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do ns c mc a nn o td e t e c t l a r g em o u n t so fd a t as i n c et h e yl a c kt h ec a p a b i l i t yo fp r o c e s s i n gt h ef l o a t i n g - p o i n td a t a w h e r e a st h ed e t e c ti n s t r u m e n tb a s e do np ch a so v e r - r e l i a n c eo nt h ep c ，a n di ti sn o tc o n d u c i v e t ot h eo n - s i t ei n s p e c t i o n m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h eb a c k g r o u n d n o i s ea r o u n dt h ed e t e c t i o np o i n ti sv e r ys t r o n g ，a n dt h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a li sv e r yw e a k , i t i sv e r yd i f f i c u l tt op r o c e s st h es i g n a l sa n dt h ed e t e c t i o na e c t h r a e yi sv e r yl o w t h e r e f o r e ，t h ec r o s s - c o r r e l a t i o n n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mw h o s ec o r ei se p 2 c 3 5p r o c e s s o rw a sp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f t h es t e e lw i r er o p en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gw e r e b r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r 耵l ed e t e c ts y s t e mw h o s ec o l ec h i pi se p 2 c 3 5w a sp r e s e n t e d b a s e do nt h ea c t u a ln e e d so ft h es t e e lw i r er o p ei nn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g t l l i sd e t e c ts y s t e m h a st h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e rc o m u m p t i o n , s t r o n gc o m p u t i n gc a p a b i l i t y , p r e c i s i o na n d p o r t a b i l i t y s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h es t e e lw i r er o p em a g n e t i cf l u xl e a k a g ed e t e c t i o np r i n c i p l e ，t h e s y s t e mf u n c t i o na n dd e s i g ns c h e m ew e r es u m m e du p b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l sf o rs t e e lw i r er o p e ，t h em a g n e t or e s i s t i v es e n s o rh m c 10 2 2 w a s s e l e c t e da sm a g n e t i cc o m p o n e n tt oc o m p l e t et h ed e s i g no fs i g n a ld e t e c t i o np r o b e f u r t h e rt h e c o r r e l a t i o nf u n c t i o nw a su s e dt op r o c e s s i n gt h es i g n a l s ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h er e l e v a n t a n a l y s i si nm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a le x t r a c t i o nw a sv e r i f i e dt h r o u g ht h e o r yd e d u c e ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mw e r ed e s i g n e da c c o r d 堍t ot h es y s t e m d e s i g ns c h e m e 田地h a r d w a r ec i r c u i tm a i n l yi n c l u d e st h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，e p 2 c 3 5e x t e r n a lc i r c u i t ，t h em e m o r yc i r c u i t ，a n dt h eu s bi n t e r f a c ec i r c u i t i no r d e rt om a k et h es y s t e mh a sac e r t a i na d a p t a b i l i t y , t h ei n t e l l i g e n ts o f t w a r em o d e lw a s ” 咄k 么 a d o p t e dt o c o n s t r u c tt h ew h o l es o i 撕a r es y s t e m t h em e t h o do fo n l i n ec h a n g es y s t e m p a r a m e t e r sw a se m p l o y e d t oc o m p l e t et h ep u r p o s eo ft e s t i n gd i f f e r e n tt y p e so f s t e e lw i r er o p e i na c n l a ld e b u g g i n ga p p l i c a t i o n s ，t h es y s t e mh a sb e t t e rr e s o l v i n gc a p a b i l i t yf o rm a g n e t i c f l u xl e a k a g es i g n a l s ，a n dc a nm e n , s u r et h es u r f a c eo fd a m a g e ds t e e lw i r er o p ee f f e c t i v e l y t h e p r o p o s e ds y s t e mc a r lm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s t e e lw i r er o p e ；n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ；m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ；m a g n e t o r e s i s t i v e s e n s o r ；c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ；f p g a 目录 l绪 仑i 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 国内外相关研究现状1 1 2 1 国外研究概况1 1 2 2 国内研究现状一2 1 3 系统设计思路及论文主要研究工作2 1 3 1 系统设计思路2 1 3 2 主要完成的研究工作3 2 系统总体设计方案4 2 1 钢丝绳无损检测系统概要4 2 1 1 钢丝绳无损检测系统总体设计方案一4 2 1 2 钢丝绳无损检测系统组成5 2 1 3 钢丝绳无损检测系统硬件设计方案：6 2 1 4 钢丝绳无损检测系统软件设计方案一7 2 2 漏磁信号调理8 2 7 1 信号处理流程8 2 2 2f i r 数字滤波9 2 3 信号处理方法1 1 2 3 1 等空l 日j 采样技术1 l 2 - 3 2 相关分析理论与算法l3 2 3 3 相关分析在漏磁检测中的应用l6 3 检测探头设计2 5 3 1 钢丝绳磁检测原理2 5 3 1 1l f 型缺陷检测及漏磁场检测原理2 5 3 1 2l m a 型缺陷检测及磁通测量原理2 7 3 1 3 磁桥路分析2 9 3 2 聚磁检测技术与原理3 2 3 3 双网路磁化设计3 2 3 4 传感器选择3 4 3 5 漏磁检测探头设计3 6 3 6 漏磁检测系统3 7 4 漏磁检测系统硬件设计3 9 4 1 漏磁柃测系统硬件组成3 9 4 2 各模块硬件电路设计4 0 碍 4 2 1 核心芯片和配置芯片4 ( ) 4 2 2a d 接口设计4 3 4 2 3 存储器设计4 6 4 2 4 串行存储器设计4 9 磬 4 2 5u s b 电路设计4 9 4 2 6 编码器计数器设计与实现5 0 4 2 7 人机交互接口的设计与实现5 2 4 2 8 系统电路板制作5 3 岛4 3s o p c 嵌入式系统硬件设计5 4 4 3 1s o p c 技术及其丌发环境5 4 4 3 2n i o s l l 软核处理器及总线结构5 5 4 3 3n i o s l l 嵌入式软核的建立及调试5 6 4 3 4 系统n i o s 软核电路6 4 5 漏磁检测系统软件设计- 6 6 5 1 系统软件设计6 6 5 1 1 软件设计方法6 6 5 1 2 模块关系6 8 5 1 3 系统软件框图6 9 5 2v h d l 语言概述6 9 5 3v h d l 硬件语言程序设计7 0 5 3 1 编码器初始化实现7 0 t 5 3 2a d 采集转换模块软件设计7 5 5 3 3 数掘调度模块7 8 5 4 基于n l o s1 1 的c 语言程序设计8 ( 】 5 4 1n i o si ii d e 丌发工具8 0 毒 5 4 - 2c 语言程序主框架。8 0 5 4 3 主要功能模块的实现8 3 6 检测系统测试及测试数据分析9 l 6 1 系统整体9 l 案6 2 系统检测实验9 2 6 3 检测数据分析9 4 7 总结与展望9 5 7 1 工作总结9 5 7 2 研究展单9 5 眦叫 一 一 i | 一 | | | | | ； | | | ； ；| | | 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | ； ；| 一 i ； | | | | | | 一 一 一 | | | ； ；| 文 一 论 的 表 明 发 声明 一问 权声 期 | | 产性 位 一识创 学 知独 献士 文文 文硕 ；| 论论考读谢位位参攻致学学 。分吨t l ， l 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 l 绪论 钢丝绳作为人员物料搬运过程中提升、牵引、拉紧、承载的载体，具有较高的强度和 韧性，因而钢丝绳被广泛的使用在工农业生产和居民生活的各各方面【l 】 2 1 ，从建筑工地 的吊车到高层住宅中的电梯，从工厂的牵引机到港口码头的龙门吊，从油井的录井钢丝绳 到建筑工地的升降机，到处都可见到钢丝绳的身影。但是在使用过程中，钢丝绳不可避免 的出现磨损和疲劳损伤，导致钢丝绳强度和韧性下降甚至断裂，直至引发事故，这其中重 大人员伤亡及财产损失的事故举不胜举。 2 0 0 4 年9 月1 7 日，慈溪市某电器制造厂电梯钢丝绳断裂造成1 人死亡1 人重伤的事 故。2 0 0 4 年2 月4 日，淮南新集矿发生钢丝绳断绳事故，直接经济损失上亿元。据不完 全统计，四川渡口矿务局1 9 7 0 年到1 9 8 5 年间钢丝绳事故为9 0 次，占事故总数的1 6 ， 造成停运时间7 3 4 小时，占总停运时间的2 4 t 3 】；上海港务局近几年发生的机毁事故中， 约3 3 也是钢丝绳事故造成的；架空索道钢丝绳事故更是不胜枚举：军事上为实施机动 作战对武器装备进行吊装时，由于钢丝绳强度下降导致的重大事故也时有发生。 钢丝绳一旦有损伤，其强度和韧性会迅速降低，因此为保证生产安全和人身安全，必 须对工作状态的钢丝绳进行定期缺损检测。随着检测技术和电子技术的不断发展，现在的 检测方法都立足于对被测物体不造成任何损伤，即无损检测技术。目前应用于钢丝绳检测 的无损检测方法较多，主要有目视检测、磁粉检测、涡流、超声波、射线、工业c t 等， 但在高速度、可靠性、高效率等方面，这些方法均存在着不同的不足【3 】。 从磁粉检测演化而来的漏磁无损检测是建立在如钢丝绳、钢棒等磁性材料的高磁导率 这一特性基础之上的。磁性材料如钢丝绳被磁化后，磁场会在磁回路中建立，对于无损伤 钢丝绳，磁回路中的磁场强度为固定值，且其表面基本无磁场溢出。当钢丝绳有破损时， 其磁通会发生相应变化，引起磁回路中磁场强度的变化，在其表面亦会有部分磁场溢出。 通过检测磁回路中的磁场变化以及溢出磁场的强度，即可判断出钢丝绳的破损状态和位 置。本文主要研究通过检测溢出磁场即漏磁场强度判定钢丝绳表面损伤的状态。漏磁场检 测方法具有在线检测能力强、自动化程度高、检测精度高等优点，从而能满足生产实际应 用中的连续性、快速性和在线检测的要求，使得漏磁检测成为目前应用最为广泛的一种检 测方法，大量应用于钢丝绳、管道等铁磁性材料的无损检测中【4 】。 西安工业大学硕士学位论文 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 国外研究概况 钢丝绳无损检测是指在不损坏钢丝绳使用的情况下，应用一定的检测技术和分析方 法，对钢丝绳的状态特性予以测量，从而判断出钢丝绳的受损程度【4 】1 5 】。国外开始研究 漏磁检测技术的起步较早，1 9 3 3 年z u s c h l u g 首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想， 但直至u 1 9 4 7 年h a s t i n g s 才设计出了第一套漏磁检测系统，该系统由于其检测精度和检测速 度广受好评，漏磁检测才开始受到普遍关注。随着研究的不断深入，各种各样的漏磁检测 设备不断被研发出来，应用范围也不断扩大，从管道内测量到管道内外的各类型缺陷的测 量，从刚开始的定性测量到后期的定量测量，漏磁技术不断完善。目前，漏磁检测设备主 要在其检测精度、在线检测、无干预检测这几个方面不断升级。 漏磁场分析的研究主要集中在利用计算机模拟分析各种不同缺陷对应的检测信号， 通过模拟计算判断被测磁性物体损伤的类型、大小和位置。目前的漏磁检测装置，不仅能 够完成被测物体的缺陷报警，同时能够通过对检测信号的分析来定量的判断其损伤的类 型、大小和位置，其检测精度不断提高，检测内容不断完善。 1 2 2 国内研究现状 我国漏磁检测技术研究工作起步较晚，其总体技术水平落后于欧美发达国家。但随着 国内科研人员的不懈努力，漏磁检测技术蓬勃发展，在各行业各领域均可见到国内漏磁检 测技术的研究成果。诸如输油管道内外缺陷无损测量、钢丝绳无损测量等技术设备。 国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳 工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等，在储罐底板漏磁检测研究 和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作 【6 】 嗍 1 l 】，其研究成果广泛应用于相关行业，填补了国内漏磁检测的相关空白。但是总体 而言，国内的漏磁检测技术及设备落后于国外同类产品，尤其是在设备的小型化、智能化 和在线检测能力上相差较大。因此本文提出一种基于现场可编程门阵列( f p g a f i e l d p r o g r m m n a b l eg a t ea r r a y ) 的漏磁检测系统，该系统采用f p g a 为硬件核心，依靠f p g a 快 速的运算能力，减少检测时间，提高检测精度，并且f p g a 功耗较低，有利于设备小型化， 使之能够实现在线检测的要求。降低系统对于操作人员的素质要求，提高系统的自适应性 和智能化。 1 3 系统设计思路及论文主要研究工作 1 3 1 系统设计思路 通过对国内外漏磁检测数据的研究，总结出如图1 1 所示的设计思路： 2 1 绪论 图1 1 系统设计思路 漏磁场信号的特点及检测系统的性能要求是整个检测系统设计的基础，根据漏磁信号 的特点来确定信号采集和分析处理的方法，根据检测系统性能要求进行系统硬件选择，并 综合考虑信号采集和处理方法的硬件要求；在硬件基础之上进行相应的软件实现；最后对 系统进行综合调试及检测实验，对实验数据进行分析处理，从而确定设计系统是否满足设 计要求。 在整个系统设计过程中，先对各部分进行相应的调试，确保各部分都能达到设计要求， 从而降低综合调试的难度。 “ 1 3 2 主要完成的研究工作 本文主要是钢丝绳在线无损检测系统的设计研发。通过研究目前常用的漏磁场检测方 法和仪器，设计了以磁阻传感器为核心部件的漏磁探头，采用相关分析方法对采集的漏磁 信号进行处理，可有效的提高测量精度，尤其对于单根钢丝绳细微的表面破损有较好的检 测效果。本系统基于f p g a ，极大的降低系统功耗，便于实现在线检测的目的，同时提高 系统的可靠性，简化设计，提高运算速度，具有设计灵活，现场可编程，调试简单和体积 小等特点，可实现工作现场直接检测的要求。同时，由于f p g a 的模块化设计，只需修 改核心的控制模块，并重新烧写，就可实现算法的改进和升级，为提高系统的适应性打下 良好的基础。 论文完成了以下工作： 1 文中分析了常用的钢丝绳无损检测技术，总结其优缺点，选用以测磁原理为基础 的漏磁场信号检测方法：通过对国内外漏磁检测技术应用的研究，确定了以f p g a 为硬 件基础，相关分析为信号处理方法的设计思路，实现钢丝绳在线无损检测的功能。 2 完善系统设计思路的细节，确定检测系统总体方案及软硬件方案。并讨论了相关 分析的理论及算法，在理论上对相关分析消除噪声、提高信号信噪比进行数学推导，并运 用仿真及实验的方法论证了相关分析提取信号的方法及在漏磁信号检测中的有效性。 一 3 通过研究漏磁检测原理，分别完成磁敏元件选择，聚磁回路和双回路磁化设计， 在此基础上完成检测探头的设计工作。 4 完成了漏磁检测系统的硬件电路设计，包括e p 2 c 3 5 芯片电路、a d 转换电路、 s d r a m 及s r a m 存储电路、f l a s hm e m o r y 电路、液晶接口电路、u s b 电路等的设计 3 西安工业大学硕士学位论文 工作。 5 通过对各种软件设计方法的研究，提出模块化智能化设计思想，在此基础上完成 系统软件设计，包括使用v h d l 语言完成硬件初始化程序、设计f i r 滤波等，使用c 语 言实现互相关算法编程及人机交互界面。 6 通过对钢丝绳进行检测试验和数据分析，确定检测系统的性能指标，检测结果显 示其性能基本达到设计要求。 7 总结系统存在的缺陷和不足，提出改进思路。 4 2 系统总体设计方案 2 系统总体设计方案 2 1 钢丝绳无损检测系统概要 钢丝绳无损检测系统的目的是对受损钢丝绳进行检测，判断出被测钢丝绳的受损程 度，并由此确定被测钢丝绳性能安全与否。基于这一思想，提出检测系统的性能要求，即 连续性、快速性和在线检测。根据性能要求，综合绪论中的设计思路，提出如下设计方案。 2 1 1 钢丝绳无损检测系统总体设计方案 1 总体方案 数据采集、数据处理和数据输出是一个数据处理系统的三大基本功能，本文中的钢 丝绳无损检测系统也同样具有这三大功能，图2 1 显示了这三大功能之间的相互关系。由 采集系统采集所需数据并进行相应预处理，为数据处理系统提供有效清晰的数据信号；数 据处理系统对传输过来的数据进行分析处理，并根据用户提供的参考值，与处理结果进行 比对，从而得出结论；由数据输出系统完成数据的显示、传输或其他功能。 图2 1 系统功能框图 设计中的丝绳无损检测系统，其数据采集部分的核一畦传感器! 主要功能是通过励 磁装置对被测钢丝绳进行磁化，聚磁回路加强漏磁场强度，磁敏传感器探测漏磁信号；数 据处理模块主要由预处理及相应算法组成，其作用是提高信号信噪比，抑制噪声，增大微 弱信号幅度，从而能有效提取出有用信号，并根据信号中包含的有效信息，判断出钢丝绳 的损坏程度；数据输出模块包括数据显示、存储及传输。 2 钢丝绳无损检测系统工作流程 由实验可知，对于无任何损伤的钢丝绳，使用励磁装置磁化时，其表面几乎没有磁 感应线穿出，检测其磁场强度基本为零。钢丝绳由于损坏变形其本身的磁导率会发生变化， 西安工业大学硕士学位论文 在损坏变形处磁导率变小，磁阻增加。因此钢丝绳内的磁感应线会改变传播方向，有一小 部分磁感应线会溢出钢丝绳表面，通过空气再重新进入到钢丝绳内，在钢丝绳表面形成漏 磁场【1 4 j 。因此可使用灵敏度较高的磁敏元件对已磁化钢丝绳进行测量，采集漏磁场信号， 经过信号放大滤波处理后，进行模数转换，再送入f p g a ，进行f i r 数字滤波、处理、分 析，并将结果输出，然后用户可根据分析结果判断被测钢丝绳受损是否超标，从而确定该 钢丝绳是继续使用还是需要更换。整个过程可自动实现。其工作流程如图2 2 所示： 图2 2 系统工作流程图 钢丝绳的损伤类型很多，主要可分为表面缺损和绳径变化。表面缺损最为常见如裂纹、 坑点、孔洞、断裂等。针对不同的钢丝绳受损状态，使用不同的检测方法进行检测，才能 获得较好的检测数据。在第三章中将详细论述针对不同的受损情况所采用的不同的漏磁检 测方法。 本系统基于现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 设计，采用漏 磁检测方法，运用互相关运算，以期望能够满足多种不同状态受损钢丝绳的检测要求及精 度要求。由于互相关运算针对两组不同信号的处理，因此系统中检测探头布置2 套，每套 内装4 个磁敏元件，可分别采集四个方向上的漏磁信号，每个磁敏元件对应一路放大滤波 和模数转换电路，即共有8 路放大滤波和模数转换电路。系统结构简图如图2 3 所示。 囤2 3 钢丝绳检测系统结构简图 6 2 系统总体设计方案 2 1 2 钢丝绳无损检测系统组成 1 数据采集 数据采集工作是依靠检测探头完成，考虑到漏磁信号十分微弱且淹没在强干扰噪声 中，因此设计中选用磁阻传感器作为磁敏元件，较霍尔器件灵敏度更高。检测探头是整个 系统检测的初始端，也是系统信号的来源，其主要功能是完成对被测钢丝绳漏磁信号的检 测，将磁信号转变为电信号。检测探头中传感器性能的高低直接关系到能否有效检测出所 需的漏磁信号。检测探头主要包括传感器、聚磁和磁化三个部分【1 刀。为便于f p g a 分析处 理，需要将空间域的漏磁场信号转换为时间域信号，采用磁电信号的时空域采样方法，可 满足这一要求。采集的漏磁信号为模拟信号，需将其转换为数字信号才可传送给f p g a ， 这一工作由a d 转换电路完成。磁电信号的时空域采样利用位置编码器和v h d l 编程实现， 模数转换使用硬件电路实现。 2 信号处理 信号处理的目的是将由传感器输出的检测信号不失真的进行放大、滤波处理，从而提 高检测信号的信噪比和抗干扰能力，为进一步的信号识别、分析、诊断、显示、存储、记 录等打下良好的基础，能够显示出明显的信号特征或检测结果，满足使用要求。 信号处理是整个设计的核心部分，主要包括放大处理，模拟滤波处理、f i r 数字滤波 处理、和漏磁信号的相关分析等。其中放大处理，模拟滤波处理依靠硬件电路实现，包括 放大滤波电路，f p g a 系统及周边电路。而f i r 数字滤波处理、漏磁信号的相关分析等依 靠软件实现。 3 信号输出 其主要作用是将处理结果输出、显示、存储。通过相应硬件电路完成，如：s d r a m 及s r a m 存储电路、u s b 电路等。 4 人机互动接口 包括键盘、l c d 。用户可以使用键盘进行系统操作，也可设置系统参数；l c d 提供界 面显示。 5 光电编码器 它是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器， 其作用是控制采样时间和间隔。 6 时钟： 由f p g a 内部晶振提供5 0 m h z 频率的时钟信号。 2 1 3 钢丝绳无损检测系统硬件设计方案 整个硬件系统可分为三大部分：检测探头单元，信号采集转换单元，基于f p g a 的 数据处理及控制单元。其硬件设计方案框图如图2 4 所示： 7 西安工业大学硕士学位论文 图2 4 系统硬件设计方案框图 2 1 4 钢丝绳无损检测系统软件设计方案 系统软件设计是基于n i o s l i 软核处理器开发，使用v h d l 硬件编程语言和c 语言实现。 硬件是系统功能的实现者，软件是系统功能的指挥者，优秀的软件能极大提高系统的硬件 性能。 钢丝绳无损检测系统的功能就是实现钢丝绳在线无损检测，并判断钢丝绳的损坏程 度，同时可将检测数据显示出来，根据用户需要可将数据保存或传输，另外还应使系统能 够完成多种类型钢丝绳测试，这就要求用户能够对系统参数进行修改，因此需要有人机互 动接口。 其主要功能可分为六部分：1 数据采集；2 数据处理，包括数据滤波和数据分析：3 数据显示；4 数据存储；5 参数设置；6 数据传输。同时为完成这些功能间数据的调度， 避免访问冲突，还应设计数据调度软件程序。 根据功能划分，结合硬件电路，可将软件划分为相应的模块进行编写。包括a d 转换 软件模块、存储软件模块、u s b 软件模块、人机互动软件模块、数据调度软件模块以及 f p g a 核心软件模块。基本设计方案如图2 5 所示： 8 2 系统总体设计方案 2 2 漏磁信号调理 图2 5 软件设计方案 2 2 1 信号处理流程 钢丝绳无损检测系统信号处理的基本流程是采集已磁化钢丝绳的漏磁信号，对采集信 号进行放大滤波，经a d 转换为数字信号供f p g a 使用，通过f i r 数字滤波后进行相关处理， 对处理结果进行分析判决，从而判断出钢丝绳是否符合使用标准。由于钢丝绳工作现场环 境恶劣，检测系统会受到多种干扰的影响，并且漏磁信号及其微弱，经常被淹没在强噪声 背景中。为了能够获取较理想的漏磁信号，设计中采用多路检测探头采集信号。信号处理 流程框图如图2 6 所示： 图2 6 信号处理流程框图 漏磁场信号微弱且淹没于强噪声中，因此必须对其进行放大滤波后才能进行提取。因 此系统中设计了放大电路和模拟滤波电路。放大电路选用集成运放l m 3 5 8 差动输入方式， 模拟滤波电路采用带通滤波方式。其原理如图2 7 、2 8 所示： 9 西安工业大学硕士学位论文 k 图2 7 差动输入式放大器图2 8 带通滤波器的辐频特性 f 设计中，放大器放大倍数与所选的磁阻传感器有关，磁阻传感器使用的是h m c l 0 5 2 ， 其测量磁场范围为士6 高斯( g a u s s ) ，由此设置放大倍数为2 5 。带通滤波器的主要功能是去 除异常噪声，如钢丝绳意外振动等等，因此其截至频率根据经验设置为5 0 h z 。 2 2 2n r 数字滤波 f i r 是有限冲激响应( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 的简称。f i r 滤波器是在数字信号处理 中经常使用的两种基本的滤波器之一。由于设计中运用相关处理，则要求信号具有较强的 相关性，所以在滤波过程中，对信号的频率、相位等参数影响越小越好，而使用f i r 滤波器 容易获得严格的线性相位特性，可以有效避免信号的相位失真。因此设计中选用f i r 滤波器 【1 8 】 o ( 1 ) f i r 滤波器原理 一个理想滤波器的特性可以用下式表达： h d ( p 扣) = ( 刀弘一脚 ( 2 1 ) 月z 使用傅里叶反变换可求得理想的单位冲激响应吃( 拧) ： 吃( 力) = 瓦1 吼( p 阚) p 归d 国 ( 2 2 ) 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可知理想滤波器在物理上是不可实现的，因为冲激响应具有 无限性和因果性。因此为实现f i r 滤波器的功能，只能尽量近似的逼近其原始值。考虑使 用有限长度的冲激响应函数，使函数日0 扣) - y h a ( n ) e 一阚的值尽量逼近理想f i r 冲激相 ，一l 应函数玩 归) 。根据实际需求，设置好胃( p 扣) = n a t 7 n ) 、e , 一抑函数的长度，即可基本实 n = o 现其滤波功能。若使用h ( n ) 表示截取后的冲激响应，即h ( n ) = h a ( n ) w ( n ) ，式中的w ( n ) 为 1 0 2 系统总体设计方案 窗函数，长度为n 。使用窗函数就可构建满足使用要求的f i r 滤波器。这里需构造一个长 度为n 的线性相位滤波器，将吃( 功截取一段，并保证截取的一段对( n 1 ) 2 对称。 ( 2 ) 窗函数 窗函数的作用是从理想冲激响应( 以) 中的无限个采样点中选取有限个采样点，这个 重要的步骤使冲激响应的采样值可实现为一个实际滤波器。 f i r 数字滤波器中较常用的窗函数主要有以下几种： 1 矩形窗：n 项矩形窗为： w i n - 1 ，( i n - ( n - 1 ) 2 ，其他处为零) ( 2 3 ) 2 汉宁窗：长度为n 的汉宁窗定义为： 阶】- o “0 5 c o s 器州 ( 一1 ) 2 ) 。 ( 2 4 ) 3 汉明窗：长度为n 的汉明窗定义为： 阶】_ 0 5 4 + 0 4 6 c 。s 器州 ( 一1 ) 2 ) 。 ( 2 5 ) 4 布莱克曼窗：长度为n 的布莱克曼窗定义为： 形【刀】= o 4 2 + 0 5 c o s 三翌+ o 0 8 c o s 塑，( h ( 一0 2 ) (26)n1n - 1 。 一 、l l 、。7 在相同条件下，这里假设n = 5 1 ，婢= 0 8 x ，不同窗函数的低通滤波特性如图2 9 所 示 售嘲 = | 0 乞 互瑚 一l -o 一2 0 重 量一船 气一 警一 一加田 号 姜 墨 图2 9 窗函数的过渡带对比a ) 矩形窗b ) 汉宁窗c ) 汉明窗d ) 布莱克曼窗 由图可知矩形窗设计的过渡带最窄，但阻带最小衰减也最差，仅2 1 d b ；布莱克曼窗 设计的阻带最小衰减最好，达7 4 d b ，但过渡带最宽，约为矩形窗设计的三倍。几种窗口 西安工业大学硕士学位论文 函数的具体性能比较见表2 1 。 表2 1 窗函数的性能对比 窗函数主瓣宽度 旁瓣峰值衰减( d b )阻带最小衰减( d b ) 矩形4 n n 1 3- 2 1 汉宁8 n n 3 1小 汉明8 n n - 4 1- 5 3 布莱克曼 1 2 r d n5 77 4 经过仿真和测试，本设计选用矩形窗以获得最佳的滤波效果和最低的逻辑门使用量。 设计中采用n i o s l p 软核实现f i r 滤波器的功能，具体实现方法在第五章详细论述。 2 3 信号处理方法 2 3 1 等空间采样技术 钢丝绳无损检测过程中，漏磁场信号与钢丝绳受损位置有关，而与检测时间无关，这 种空间位置函数的信号称之为空间域信号，其特征在空间域中才能得到真实反映。所以在 检测过程中，需要取得被测钢丝绳受损位置的空间信息。设计中，使用编码器获取这一相 应空间域信息。但是通常在时域中对信号进行分析处理，因此设计中采用传感器件将空间 域信号转换成时域电信号，获得与检测相关的特征信号【i 引。 空间域采样方法主要有信号的等时间间隔采样方法、信号的等空间间隔采样方法、时 空域混合采样方法。考虑到在实际测量过程中，受外界影响，钢丝绳运动为非匀速运动， 因此等时间间隔采样方法有可能会出现漏测的问题，而混合采样实现起来比较复杂，所以 在设计中使用等空间间隔的采样方法，实现简单，且能满足采样需求 2 0 l 。 1 信号的等空间间隔采样方法 空间域信号采样的核心是如何将空间域信号转换为便于处理的时域信号。在漏磁信号 检测过程中，检测探头相对于钢丝绳运动完成空间检测，即完成对被测钢丝绳的漏磁场检 测；同时发出等空间脉冲信号；在脉冲信号的控制下进行数据读取，这样就完成了空间域 离散信号转换为时间域离散信号的工作。 根据空间域信号采样方法，设计中将位置编码器固定于检测探头，使编码器的导轮沿 钢丝绳轴向作纯滚动，带动编码器的光栅同步运动，当检测探头相对于钢丝绳每移动一个 空间采样间距s 时，在光栅的作用下，光敏管输出一个脉冲信号。通过这一脉冲控制a i d 进行数据采集和转换，实现漏磁信号按照空间位置的采样。由于检测探头移动距离均为等 日j 距，即空间上是等空间的，因此，经过这一脉冲序列控制的采样数字信号序列即为等空 间采样信号。这一方法的实现过程如图2 1