（材料学专业论文）基于dsp的电磁无损检测装置的研究.pdf

哈尔滨璀t 人学t 学坝t 学位论义 基于d s p 的电磁无损检测装置的研究 摘要 d s p 具有程序和数据分开的哈佛总线结构、流水线处理、专用的硬件 乘法器以及灵活的寻址方式等特点，极大地提高了指令的执行速度，为各种 数字信号处理算法的实现提供了硬件基础。同时，随着消费者对产品质量的 要求越来越高，仅仅依靠原有的技术已经无法满足客户提出的更为苛刻的要 求了。所以本文根据实际的生产需求，将d s p 应用到电磁无损检测领域， 开始了以数字处理器为核心的电磁无损检测装置的研究。 本文详细论述了基于数字信号处理的电磁无损检测试验装置的理论基 础，并给出了总体的设计方案。全文着重叙述了前置模拟系统的具体设计步 骤以及数字信号处理系统的硬件和软件设计过程，并对装置中检测信号的稳 定性进行了分析。对数字信号处理中最为经典的应用一一快速傅里叶变换 ( f f t ) 运算，在定点d s p 芯片上的实现做了充分的分析和研究，并对急 冷铸铁挺杆进行了测试研究。 试验结果表明，采用以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理器为核心的d s p 系统， 利用傅旱叶算法具有较强的滤波功能，更能准确的提取特征信号，使检测精 度有所提高。 关键词电磁检测；数字信号处理器：傅罩叶变换 堕尘堡堡三查兰三兰竺圭兰堡篓兰 r e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i c n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gs y s t e mb a s e d o nd s p a b s t r a c t d s ph a st h eh a r v a r db u sc o n s t r u c t i o nt h a tt h ep r o c e d u r es e p a r a t e sw i t ht h e d a t a ，t h ef l o w i n gw a t e r l i n ep r o c e s s o r ，a p p r o p r i a t i v eh a r d w a r em u l t i p l i c a t i o n m a c h i n e ，a n dv i v i dm o d e so fa d d r e s s ，w h i c hi m p r o v e si n s t r u c t i o n - e x e c u t i n g s p e e d s ok i n d so fa r i t h m e t i co fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra r er e a l i z e d a tt h es a m e t i m e ，a l o n gw i t ht h ec o n s u m e rm o r ea n dm o r eh i g ht ot h er e q u e s to ft h ep r o d u c t q u a n t i t y ，t h ec u r r e n tt e c h n i q u eh a v ec a n ts a r i s f yt h er e q u e s tt h a tw h a tc u s t o m e r p u tf o r w a r di s m o r es t r i c t l yw i t ht h ed e m a n do ft h ea c t u a lp r o d u c t i o n s o ，t h e a u t h o ra p p l i e st h ed s pt oe l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gr e a l m ，a n dh a s b e e nb e g i n n i n gt or e s e a r c hn d t s y s t e mb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h et e x td e s c r i b e st h i sf i e l db a c k g r o u da n dh a sd i s c u s s e dt h et h e o r yo f e l e c t r o m a g n e tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gd e v i c eb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， t h e no f f e r sab l u e p r i n to fe l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gs y s t e m t h e p a p e rp u t st h ee m p h a s i z a t i o no nt h ed e t a i l e ds y s t e mo ft h ed e s i g no ff r o n ta n a l o g d e v i c e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd e v i c e ，a n dh a s a n a l y s i s e dt h es t a b i l i t yo ft h es i g n a li nt h es y s t e m t h ea u t h o ra l s oa n a l y s i s e s c a r e f u l l y t h e i m p l e m e n to ff a s t f o u r i e rt r a n s f o t i n ( f f t ) ，t h em o s tc l a s s i c a l a p p l i c a t i o n o nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s m e n t ，b a s e d o nt h e p o i n t b i t d s p p r o c e s s o rf i n a l l yas e r i e so fc o l dc a s ti r o nw a s t e s t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o r r e l a t i v es i g n a lo ft e s t i n gp a r a m e t e rw a s p i c k e d u pm o r ea c c u r a t e l ya n df a s t e r ，m a k i n gu s eo fa r i t h m e t i co ff f t w i t hf i l t e r f u n c t i o ni nt h en d t s y s t e mb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 k e y w o r d se l e c t r o m a g n e tt e s t i n g ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；f a s tf o u r i e r f r a n s f c l r m i i 哈尔滨埋t 人学t 学硕t 学位论文 1 1 课题背景及其意义 第1 章绪论 经过万国庆教授和樊景云教授二十多年的不懈努力和悉心研究，金属材料 质量的电磁无损检测技术的研究已经取得了巨大的成就，成功的解决了众多企 业和厂矿遇到的难题，并且相继推出了g d c 、w g f 、及w g q 等一系列的电 磁无损检测设备卜”。随着消费者对产品质量的要求越来越高，我们电磁无损 检测研究室遇到的问题也变得更为复杂，仅仅依靠原有的技术已经无法满足市 场经济下客户提出的更为苛刻的要求和实际生产的需要，所以我们研究室不断 开发新的电磁无损检测设备。近些年，随着计算机技术、微电子技术的发展， 因此也很有必要将一些新的技术应用到金属材料质量的电磁无损检测仪器中 柬。 目前，我们急需解决的问题是对于某些特殊工件，在实际检测过程中，仍 然有缺陷信号淹没在噪声信号中，导致检测结果不理想。现在我国已经加入了 w t o ，钢铁产品正走出亚洲，走向国际市场，参与国际竞争。对于这些产 品，在出口前进行质量检测对增强他们的市场竞争力有不可低估的作用。 1 2 电磁无损检测技术的现状 无损检测技术已历经了一个世纪，其重要性在全世界已经得到了公认。美 国前总统罩根曾说，没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的 领先地位。的确，我们很难找到其它任何一个应用学科分支，其涵盖的技术知识 之渊博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检测 相比。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是机械产品为5 ， 国防、宇航、原子能产品为1 2 1 8 ，火箭为2 0 左右。德国奔驰公司汽车 几千个零件经过无损检测后，整车运行公罩数提高了一倍。人们可能会对这些 数字的准确和精确程度提出疑问，但对无损检测技术的重要作用却是不会有任 何疑问的h “。 无损检测就是要在不损伤被检测对象使用性能的前提下，探测其内部或表 面的各种宏观缺陷，判断缺陷的位罱、大小、形状和性质，还应能对被评价对 精尔滨理工丈掌一学颈 一学位论交 象的固有属性、功能、状态和发展趋势簿进行分析、预测，并做出综合评价。 电磁法与其它的无损检测方法相比具露独特鲍优点。与超声法枣珏射线法相比， 它不需要藕合麓，可以遴纾i 接戆洼溅爨；与磁粉法褶眈，它对磁往帮龚磁瞧 材料均有效，而且不污染环境，操作简单，省工省力；与渗透法相比，它不需 臻清沈试件，可以实现检测的自动化。电磁无损检测是近年来获得较大发展的 新技术，其蠢检测灵敏度离、设冬麓擎、操 乍方便、易于实现羧测囊动纯等优 点，困藏，泡磁无损检测怒检测技术中其有重要意义的一秘方法。 1 9 5 0 1 9 5 4 年，f o s t e r 发表了一系列的论文，其中包括消除涡流仪器中某 些干扰因素的理论分析和试验研究成果，并研制了以阻抗分析法工作和补偿千 魏因数懿仪器，开截了现代涡流检测方法彝设备毂磺剑工作”5 。从筵，漏滚竣 测技术有了较快的发展并广泛应用予生产实践，逐步发展成为无攒检测方法中 一种重要的检测方法。以尉，懂着多得等人在理论上对涡流检测然本原理的深 入研究，进一步提出了涡流试验方法中应用调制分析技术、多频方法和脉冲方 法的理埝镀掇。特爨是7 0 年 弋鑫来，囊予电子技零、诗算凝鼓零秘信息技术 的飞速发展，对涡流试验产生深刻的影晌，促进了涡流检测原毽的理论研究， 研制和生产丁备种性能受加宪善的涡流检测设备。 7 0 年代，西德f o s t e r 研究所就研制并出售用于溉料的各种电磁分选仪，如 m a g n a t e s tq s 3 。2 0 4 ”仪、 m a g n a t e s t 3 + 6 | 拶坟耧 m a g n a t e s t v h r 3 。2 2 2 ” 仪。近年来，同本也研制出小型亿的“辩者试验器”以及会属材料简易判别分析 器。对于“m a g n a t e s tq s ”仪和“m a g n a t e s tv h r ”仪通常也可用于分选钢铁件热 处理后的硬艘，达到了热处理后质量的无损化检测。在日本和美围等国家，繁 予连续退火带镶酶疆凄与蒸季乃始磁罢攀氇残反篦戆琢莲纛裁戒翁电磁无损硷溺 仪器进行在线连续自动测定”】；苏联对钢铁件硬度电磁无损检测仪的研制也十 分重视，1 9 7 3 年研制出了铸铁硬度电磁无损检测仪，如用于3 8 c r s i 、3 5 s i m o 等钢的硬度测试装置垂l l 一1 y 型等。 垂1 9 8 5 年柬，良万豳疾教授、樊最云教授为首豹漂逶缓在我澄电磁无损 检测领域取得了一系列成果，其中机械工业部下达的科研项目一新型 “s z g y 数字式钢铁硬度分选仪”和“s t g y 型数字式钢铁材质分选仪”一 在囊京透过浆定潍。这一焱刭仪器在豳内外众多家工矿金、监锝到了有效的应 鳎，实瑷了铡材的混精分逡i ”1 ，结构镶、弹簧钢静磺度检测引1 ，高速钢俘过浇 【i ”，硬度的快速无损捡测，尤其在结构钢的快速无损检测定碳以及表面裂纹， 心部裂纹，折叠，疏松，气孔夹杂的检测等方面取得了良好的效果 1 3 - 15 1 ，可作 定瞧鲍分援泓l 。透翥在搜鹅臻线管式 套篱) ，笔式探头戆馕猿下，可以实瑷 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 对局部淬火件硬度进行快速电磁无损检测。近年来，以万国庆，樊景云为首 的课题组研制成功了w g f _ e 这种新型电磁无损检测仪7 】。这种仪器从根本 上解决了低合金钢硬度与仪器数显值之间的“n ”型关系，实现了以4 0 c r 钢和 6 5 m n 钢为代表的五种低合金钢试样其回火硬度与仪器数显值之间的线性或者 单值关系。 1 3 电磁无损检测中应用的新技术 随着微电子、计算机、数学等技术的快速发展以及消费者对产品的要求越 来越高，有很多新技术应用到电磁无损检测中。如小波变换技术、小波边缘检 测技术、人工神经网络技术、磁光涡流成像技术、金属磁记忆检测技术等等 。 1 3 i 小波变换 近年来，小波变换是从傅里叶变换的基础上发展起来的，它突破了傅早叶 变换没有任何分辨力的限制，可以对指定频带和时间段内的信号成分分析 1 1 9 1 2 “。在时域和频域具有良好的局部变化性质，并且由于对频率成分采用逐渐 精细的时域或频域采样步长，从而可以聚焦到信号的任何细节。小波变换的一 切应用全在于此。根据电磁检测，涡流在导体中传播时，要受到导体材料介质 和表面缺陷的影响而变形和衰减，从而接收到的涡流响应是一个被干扰了的信 号，同时由于缺陷几何尺寸的不同，接收到的涡流响应的时序和频率成分也不 同。如果能从被干扰了涡流响应中提取与时间位置有关的频谱信息，无疑对确 定材料缺陷的特性和结构是十分有益的。 小波变换是一种能够谐波分析的方法口”。设厂( ，) 是一个能量有限的信号， 其小波变换定义为f ( t ) 与一个波函数集。( f ) 的内积，即 矽( d ，b ) = ( 厂( f ) ，( f ) ) = i ( f ) y 二( t ) d t ( 1 _ 1 ) 式( 1 1 ) 中共轭： 虬。( ，) 分析函数y ( f ) 经过平移扩展后得到函数集 ( f ) = a - t 2 9 ( t b ) a 式( 1 - - 2 ) 中a 小波的刻度a r + ： b 小波的时间位置参数6 r 即： ( 1 2 ) 哙尔演理王太学王孝顺1 学位论义 y ( ，) 满足以下条件： ( 1 ) f y ( f ) 勰= o ： ( 2 ) 扣矿( f ) i 2 曲 o o ，朝( f ) 平方可狠，其中设妒( ，) l 2 ( r ) ( 3 ) 攀鸱甜 栅，矿( 国) 鸯y ( f ) 的偻晕时变换 ：国 则( r ) 称为小波函数。 由于小波变换是可邀的，信号f ( t ) 的重构公式及其逆变换为： f ( t ) = c 。i d f ( a ，6 ) ( 啪d a d b ( 1 3 ) 二i 式( 1 - - 3 ) 巾c = i l y ( 脚) l l 国。l d c o 。 毫磁炙损检测薅，凌实溺信号孛建襞毒裹簇臻声秘羲簇撬麓等，透过枣渡 变换将信号分解为位于不同频段和时段内的成分，游干扰信号与有用信号位于 不同频段内，只要将干扰信号所对应的那一阶小波系数簧零，构造零通小波。 然后按照隧笈公式对信号进霉亍重构就可以达到消除予扰的晷的。对能量有鼹 耱售号，哥在不弱尺度下对信号避霉亍分艇，去摔不鬻要懿蓓怠，然君对信号羹 构，就得到去噪后的信息f 2 = i j 。 1 3 2 人王神经网络 电磁无损检测作为种非破坏性的检测方法，在令属材料的电磁无损检测 中得到广泛的应用，但幽于影响电磁无损检测的因索很多，所以电磁无损检测 的定性、定墩检测一直存襁很多的难点f 2 。尽管现在的各种电磁无损检测采用 了摇蕴势撰浚、频率分攒法、毒墓蓬整窥法隧及模鍪法等信号箍遴方法，但最终 的缺陷识别仍存在误选麓至不能分选的情况，这就需要把现代科学的各种方法 综合起来，以尽量的减少谡选口”。 人工享申缝网络是在研究生物神经系统的启示下发展起来的一种信息处理方 法。它不需簧涉及任嚣数学貘壅，哭纛过去熬经验寒学习。可戬楚理模鞠豹、 非线性的、台有噪声的数据口“。可用于预测、分类、模式识别、j e 线性回归、 过程控制等祷种数据处理的场合。而且在大多数情况下，应用效果优于传统分 价尔滨理t 火学工学硕卜学位论文 析方法。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 简称a n n ) 是模仿生物神经元 细胞传递信息方式的一种计算机软、硬件技术 2 7 】【2 ”。广义上讲人工神经网络可 以理解成由大量像生物神经元的处理单元高度并联、互联而成的，具有某些智 能功能的系统。 通常，神经网络模型由网络的拓扑结构、神经元特性和学习或训练规则三 个因素决定。神经元网络按拓扑结构可分为分层网络模型和相互联接性网络模 型。前者将神经元分成若干层，各层顺序联接，第1 层的输入仅于第( i - 1 ) 层 输出相关联：后者允许任意两个神经元之间存在相互联接。还有一些网络是上 述两种结构的混合【2 9 】。 在人工神经网络中，学习规则是修正联接强度的一种算法，以获得知识的 结构或适应周围环境的变化。学习过程可分为有监督学习和无监督学习两种类 型。有监督学习就是通过外部“示数者”进行学习，对于给定的输入模式，实 际的输出结果与正确的期望输出有误差时，网络将通过自动调节机制调节相应 的联接强度，向减少误差的方向改变联接强度，经过多次重复训练，最后和j 下 确的结果相符合。这类算法中最著名的就是带隐含层的网络的反向误差传播算 法。 目前虽然已经有数十种的神经网络模型，但已有的神经网络可分为三大 类：即阿向网络、反馈网络和自组织网络。其中，前向网络有输入层、中间层 ( 或叫隐含层) 和输出层组成，中间层可以有若干层，每一层的神经元只接受 前一层神经元的输出。它利用联接强度及神经元的非线性输入输出关系，实现 能够从输入状态空间到输出状态空间的非线性映射【3 ”。 人工神经网络技术应用于电磁检测信号处理具有很大潜力【3 ”。只要解决好 信号特征参量( 即输入矢量) 的f 确选择与提取，就可以满足实时处理和在线识 别的要求。在国外，美国f 借助该技术实现核反应堆中蒸汽发生器的维护检 测。如果能用神经网络技术解决涡流检测信号特征的识别难题，那将使涡流检 测技术在核工业、航空、航天工业中发挥重大作用。r 本已研制出用人工神经 网络对缺陷信号进行识别并应用于煤气管道的装置中检测【3 ”。 1 3 3 磁光涡流成像技术 磁光涡流成像技术的原理实际上是法拉第电磁感应定律与法拉第磁光效应 的综合应用。根据法拉第磁光效应：以平行于外加磁场方向传播的线性偏振 哈尔滨理t 大学工学硕：学位论文 光当穿过磁场中的旋光介质时，其偏振平面会被扭转，如图1 1 。 o 剀l 一1 磁光涡流成像原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo f m a g n e t i s ml i g h tw h i r l p o o li m a g e 将线性偏振光平面的扭转角度定义为法拉第旋光度【3 5 】，其公式为 0 = 曰，( x m ) h ( i k i l m i ) ( 1 4 ) 式( 1 4 ) 中0 ，法拉第旋光率； k 通过旋光介质的入射光波矢量； h 旋光介质的厚度； 吖旋光介质的磁化强度矢量 由公式( 1 4 ) 可见，若旋光介质的厚度、材料和入射光的大小、方向一 定，则0 的大小只与磁化强度矢量m 有关。因此，根据电磁检测原理可知，只 要在被检区域内产生直线流动、均匀分布的层状电涡流，此涡流会在空洲感应 出垂直于被测试件的磁场。如果试件在该区域含有缺陷，则缺陷处的涡流流动 将发生变化，并引起该处的垂直磁场发生变化；此时，可采用与该磁场平行放 置的磁光传感元件将磁场的这种变化转化成相应的光强度的变化，即可对缺陷 进行实时成像【3 6 】。 磁光涡流成像技术很适合飞机表面现场检测，美国已经开始在波音飞机的 生产与维护过程中采用磁光涡流技术来检测飞机表面是否存在疲劳裂纹和蒙皮 内隐藏的腐蚀裂纹【3 7 】。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论史 1 4 嵌入式系统的概述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌 入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应 用相结合后的产物。 微处理器( m p ) 中，除通用c p u 以外，还有微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，简称单片机) 和数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ，共三类或三个方向发展【”i f 9 1 。 1 4 1 嵌入式微处理器 1 4 1 1 微控制器m c u 在c p u 基础上，将输入输出( i o ) 接口电路、时钟 发生器以及一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上，即使比较早的单片 机，在其外部加上晶体振荡器、a d 、d a 等外围器件就构成了计算机系统。 从1 9 7 5 年美国得克萨斯仪器公司单片机问世，至今已经经历了4 位机、8 位机、1 6 位机、3 2 位机等发展阶段，向不断强化控制功能、将更多的外围电 路集成到一个硅片内，及按用途分别集成不同的外围电路形成系列化产品等方 向发展。工业控制的一般场合，采用8 位机是能满足要求的，它仍占单片机市 场的6 0 。 第一代8 位机主要有i n t e l 公司的m s c 一5 1 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 l 系列、z i l o g 公司的z 8 系列同本n e c 公司的u p d 7 8 0 0 等。目酊国内单片机 主流产品为i n t e l 公司和p h i l i p 公司的8 0 c 5 1 系列( 包括a t m e l 公司的8 9 c 产 品) 、m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 、6 8 h c l l 系列及m i c r oc h i p 公司的p i c l 6 c 系 列等等f 3 9 】。 1 4 1 2 数字信号处理器( d s p ) 与m c u 注重控制功能不一样，d s p 接收声音 图像等模拟信号，注重数字化后的各种快速算法，通过数字信号处理，完成如 声音图像的压缩编码、识别和鉴别、加密解密、调制解调、信道辨识与均衡、 频谱分析等运算功能，所以它对处理速度、实时性能以及运算能力等要求很 高。出于声波模拟信号进行数字处理具有可控性、稳定性、可重复性、抗干扰 性、可实现自适应等智能算法、数据压缩等优势【4 0 】。 d s p 作为高速数字信号处理的微处理器，是改进的哈佛结构，可以提高运 算速度，除此以外还采用流水技术、硬件乘法和乘加指令m a c 独立的直接存 哈尔滨驯t 人学t 学硕i 学位论文 储器访问( d m a ) 总线及控制器、数据地址发生器( d a g ) 、定点d s p 和浮 点d s p 处理等技术。 2 0 世纪8 0 年代d s p 开发以来，以8 位机为主形成的t i 、l u c e n t 、 m o t o r l a 、a d 四大公司产品的格局。近几年l u c e n t 和m o t o r l a 公司 成立了4 一个联合的d s p 核设计中心，开发高性能1 6 位定点d s p 核( s t a r c o r e ) ；i n t e l 和a d 公司也联合开发高性能d s p 核：t l 公司也与m i p s 公司 合作开发新系列d s p 核。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制领域的 c 2 0 0 0 系列，c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 系列。 1 4 2 嵌入式软件特征及实时操作系统 1 4 2 1 嵌入式软件特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关 键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。软 件要求固态化存储，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一 般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中。软件代 码高质量、高可靠性，尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存 储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空问仍然是极其宝贵的，还存在 实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量电高，以减少程序二进制 代码长度、提高执行速度。系统软件的高实时性是基本要求，多任务嵌入式系 统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时 执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调 度只能由优化编写的系统软件来完成【4 1 1 。 1 4 2 2 嵌入式实时操作系统从2 0 世纪8 0 年代国外就丌始进行一些嵌入式系 统和专用操作系统的开发。目前应用范围比较广泛、著名的嵌入式操作系统有 w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p s o s ，q n x ，p a l mo s ，l i n u x ，u c o s 等等。 近年来，国内嵌入式系统的开发也取得了一定的成绩，包括中国科学院的 e e o s ，凯思的h o p e no s 等。e e o s 是中国科学院计算机所组织丌发的丌放 源码的嵌入式操作系统，重点支持p - j a v a ，另一方面能使用l i n u x 的驱动和其 它模块。h o p e no s 是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体积 很小的内核和可以根据需要进行定制的系统模块组成【4 2 j 。 1 4 2 3 嵌入式操作系统u c o s i i 嵌入式操作系统通常分为商用和源码公开两 晴尔演理t 大学工学顿：l 学位论史 种。前者静主露代表有v x w o r k s ，p s o s ，w i n d o w sc e ：特点是性能优良，使用 方便但价格十分昂贵。后者由于代码公开的，具有性能和价格两方面的优势。 对国内大部分用户来说，u c o s i i 是个不错的选择”3 1 1 4 。 u c o s l | 楚一个稔占式豹蠹援，鼙溅经疆冬羲缝瓣嵩优先缓任务可以剥夺 诋在运行的低优先级任务的c p u 使用校。这个特点使得它的实时性比非抢占 式的内核要好。通常都是在中断服务程序中使高优先缴任务进入就绪状念，退 出中断服务程序后，将进行任务切换，高优先级任务被执行。以 下m s 3 2 e l f 瓣o ? a 为爨，魄骏一下裁可强发魏这样皴稳好经。霰麴灌要震中鞭 方式采集一批数据并进行处理，在传统的编程方法中不能在中断服务程序中进 行复杂的数撼处理，因为遮会使得关中断时间过长。所以经常采用的方法是置 一标志位，然麓退出中断。由予主程序怒循巧执行的，所以它总毒帆会检测到 遮一标志势转澍数据楚理稷侉孛去。毽怒霆必无法确定发生中断辩程序虱疫菰 行到了什么地方，也就无法判断要经过多长时间数掘处理程序j 会执行，中断 响应时间无法确定，系统的实时性不强。若使用u c o s 。i i ，只要把数据处理程 廖的 尤先级设定戆赢一些劳在中断羧务程j 事中馒它送入就绪态，中凝结束后数 掘处理程序赣会被立帮瓠行。这样可以撼对中断响应辩闻鞭赣在一定范围蠹。 对一些中断响应时间有严格簧求的系统，这样就未必合适。因为u c o s i i 要求 中断服务程序束尾使用o s i n t e x i t 函数以判断是否进行任务切换。 u c o s i l 秘大家熟知的l i n u x 等分时操 毒系统不蚓，它不支持漪潮片轮转 法。它是一个整于优先缀瓣实时揉俸系统。每一个任务必须具有不丽的优先 缄。进入就绪态的优先级最高的任务首先得到c p u 的使用权，只有等它交出 c p u 的使用权后其他的任务才可以被执行。所以只能说是多任务。u c o s i i 是 好楚蓼，主要爨获骨么煮发来判繇了。爨瑟易霓，蓑考虑窭霹缝，它比分时系 统要好，可阻髁证重要任务总是优先占有c p u 。 u c o s 1 1 对共享资源提供了保护机制。一个完漱的程序可以划分成几个 任务，不同的任务执行不同的功能。这样一个任务就相当于模块化设计中的一 令子模袭。亵任务中添葫戗秘时，只要不是共享姿深藏不必担心夏榻之闫毒影 响。对共享资源，u c o s i i 搓供了很好的解决办法。简单的说，先创建一个信 号量并对它进行初始化。当一个任务需攒使用一个共摩资源时，它必须先申请 错到这个信号爨。丽一旦它褥到了此信号量，那就只霄等它是用完了该资源， 信号量蠢。会薮释赦。在这令过程中帮捷富饶先校更裹的任务送入了就绪态，蠢 不能使用该资源。 和其它一魃著名的嵌入式操作系统不同，u c o s i i 在系统中的启动过程比 较简单。不象肖些操作系统，需要把内辕编译成一个映象文俘写入到r o m 中 去，上电复位爝从r o m 中把文件加载到r a m 中去，然后再运行应用程序。 u c o s i i 的内核是和应用穰序放在一起编译成一个文件的，只要把这个文件转 浚藏h e x 掇式，写入r o m 中藏霹班。 1 5 课题主要内容及其安排 壤据实嚣暌究约嚣要将邂澈无损捻测装董剡分为掰部分寒实瑰：一邦分是 以模拟器件为主的模拟电子部分，这部分主要完成对传懑器的激黝、信号的摄 取、低通滤波以及信号的调理等：另一部分是数字电路部分，该部分主要包括 数字信号处理硬件和软件设计，以及算法实现等部分。 哈尔滨理工人学t 学硕j j 学位论史 第2 章试验装置的理论基础 电磁无损检测广泛应用于航空航天、能源、交通、机械、化工以及材料等 工业部门。电磁无损检测的原理可以概括为，利用某种能量与被检测对象进行 交互作用，产生某种信号，来指示材料质量的性能或产品的缺陷和损伤。 2 1 电磁无损检测的原理 电磁无损检测是利用材料在电磁场作用下，呈现出的电学或磁学性质的 变化，判断材料内部组织及有关性能的试验方法。电磁方法检测材料表面具有 检测灵敏度高、信号耦合简单方便等优点”1 。 图2 i 金属件材料的成分和组织结构、电磁性能和机械性能关系图 f i g 2 - 1r e l a t i o no f m e t a lc o m p o s i t i o ns t r u c t u r e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t y 2 1 1 钢铁材质电磁无损检测的基本原理 金属件材料的成分和组织结构对其电磁性能和机械性能均有显著影响。三 者之间的关系可用图2 1 来说明。 可见，会属件成分与组织结构的不同，必然导致其电磁性能与质量指标也 不同。即金属件成分和组织结构与其电磁性能和质量指标是直接相关的。进而 得出余属件的电磁性能和质量指标存在间接相关性。钢铁工件的成分和组织结 构对其磁性能和机械性能均有显著的影响。三者之间的关系可以用图2 - 1 来说 明。可以看出钢铁件的机械性能与物理性能之间存在间接相关性。因此，对于 某种钢铁件来说，能否利用电磁法对其热处理后的质量进行检测取决于硬度与 喻尔演理丁大学t 学倾 学位论文 其磁性指标如初始幅值磁导率等磁性能之间是否存在单值关系。如果经实验确 认磁性能指标与机械性能指标在某一范围内存在单值相关关系，则可以用电磁 法来测量其机械性能，否则不能。而且化、b ，和何。皆为化学成份和组织结构 敏感参数，尤其热处理后的组织状态对其影响很大。所以，只要事先获知或实 验找出钢铁成分、组织结构和机械性能与磁性能参数的测量，便可以根据事先 得到的关系求得其成分或机械性能等指标。根据被测参数是。、b ，还是h ，而 分为初始幅值磁导率法、剩磁法和矫顽力法。 以、b ，和只的大小与外加磁场、材料的成分和组织结构、应力、晶粒度 及温度等因素有关。矫顽力法检测存在分选速度低、需要接触性测量、要求被 测工件的表面光洁度高等缺点，虽然在7 0 年代国内曾经流行一时，但仍然没 有得到广泛的应用。 剩磁法是先用直流磁场将工件磁化，然后去除直流磁场，测量工件上剩余 磁场的大小。这种方法对工件必须在检测前预退磁，防止因带剩磁而影响工件 测量的精度。测量后也必须退磁，以免影响工件的加工和使用性能，检测的工 序过于繁杂，很难得到推广应用。 磁性试验方法和磁性检测包含所有以磁场为主要作用的方法。电磁方法也 叫磁感应法，在相应的频率下检验铁磁零件时国外通常与一个标准样品的比较 检查半成品和大量生产的零件的性能，各种偏差主要通过磁导率的变化检出。 在实际应用中，常以一个工件作为参考试样，用被测工件的初始幅值磁导率的 相对值也即电磁仪的指示值来反映钢铁的成分、硬度、裂纹等。这是因为在电 磁方法的应用中会属的磁导率( 。) 是一个占有主导地位的变量，其与会属 的化学成分，冶金组织和热处理状态以及应力有相关关系。电磁方法是分选和 区分铁磁材料的个主要手段，其比常规化学分析及硬度试验和拉力试验等具 有无损、快速、方便和经济的检测特点。由于以、b ，和，皆为化学成分和组 织结构敏感参数，尤其热处理工艺等因素对其大小影响很大，因此只要事先获 知或通过实验找出钢铁成分，组织结构和其机械性能，如硬度等与其磁性能 1 。、b ，和日。在相应范围内所具有的相关关系，便可据事先测得的关系曲线而 求得其成分或机械性能如硬度等指标。这就是用电磁法进行无损检测的原理。 应用电磁无损检测法能成功的完成钢铁材料及零件的性能测试、质量检查和监 控、混料分选以及硬度、表面淬硬层和覆盖层深度、应力和残余应力、晶粒 度、抗拉强度和屈服点、相对延伸率、奥氏体钢中的铁素体含量和钢中残余奥 氏体含量的测定。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 钢铁件的趋肤效应和趋肤深度 钢铁在交流磁化过程中，根据法拉第电磁感应定律，会在其内部产生磁通 的变化，磁通的变化又在其周围产生感应电动势，铁磁材料作为一种导体自然 会在感应电动势的作用下，按照欧姆定律产生涡电流。显然，涡电流与钢铁件 的电阻率成反比。除了这种宏观的涡电流外，在钢铁件内部的磁畴畴壁处，还 会出现微观的涡电流。涡电流的流动，在每个瞬间都会产生与外磁场产生的磁 通方向相反的磁通，即削弱外磁场。越到材料的内部，这种反向的作用就越 强，致使磁感应强度和磁场强度沿样品截面分布严重不均匀，这种现象称为趋 肤效应。试验发现，钢铁件的磁导率“和电导率盯越大，则磁感应强度曰和日 磁场强度自表面向内部减少的愈激烈【2 j 。 对厚度为d 的无限大的平板，引入所谓的趋肤深度或透入深度的概念。这在 何种频率下检测何种钢件质量有十分重要的指导意义。趋肤深度占( 单位为 晰) 定义为钢铁件中电磁波强度减少为表面强度的1 e 倍时深度，p 为自然对 数的底数。6 可由公式( 2 1 ) 计算： 占= p x f l a ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中p 电阻率，n m ； 厂频率，h z ； 绝对磁导率即= ”，p o = 4 x 1 0 。7 h m 由式( 2 1 ) 可知，钢铁件的磁导率越高，电阻率越低，则趋肤深度就越 浅；而频率越高，其趋肤深度也越浅。但工作频率f m ，则 s 寸0 ( 3 时，也会使h f s l _ o 。此时，我们说s 在无穷远处有n m 阶传输零 点，常称作无限传输零点。这是在滤波器传输函数中很重要的一类传输零点。 与此相比，把n f s l 的零点称作h ( s ) 有限传输零点。 当s = i w 时，网络函数可写成 一 哈尔滨理工火学工学硕l 学位论艾 n ( j w ) = l n ( j w ) l e 7 9 ( 3 2 ) 其中i 日( w ) i 为其幅度特性，妒( w ) 为相位特性。 在滤波器设计中还常用衰减特性来描述滤波器的选择性，并用a 表示 爿= 一l o j g l h ( j w ) 1 2 ( 以1 ( 3 3 ) 滤波器的技术要求常用衰减给出，例如个低通滤波器的技术要求可以 给出，在通带内衰减不能超出允许最大值爿，而在阻带则不能小于某一最小 值4 l 扩 在滤波器设计中，还常用反射系数p 表示通带内的最大衰减( p 1 ) ，它 和a 。关系为 。= 一1 0 1 9 ( 1 一p 2 ) ( 3 - - 4 ) 3 3 1 滤波器类型的选择 在设计滤波器时，首先要考虑选择滤波器的类型。从通带性质来分，滤波 器主要有四种类型：低通滤波器( l p f ) 、高通滤波器( h p f ) 、带通滤波器 ( b p f ) 、带阻滤波器( b e f ) 。此外，在滤波器的设计中，按照不同的频域或时域 特性要求又可分为巴特沃斯型( b u t t e rw o r t h ) 、切比雪夫型( c h e b ys h e v ) 、贝塞 尔型( b e s s e l ) 和椭圆形( e l i p t i c ) 。巴特沃斯型要求传递函数中分母采用巴特沃斯 多项式，这种滤波器输出幅度随频率增高单调减小，具有最平坦的通带幅频特 性，因此又称为最大平坦型。贝塞尔型要求传递函数分母为贝塞尔多项式，这 种滤波器通带边界下降较缓慢，但其相频特性接近线性，具有最佳的相位特 性，故又称为线性相位型。椭圆型滤波器的幅频特性在通带内和阻带内都是波 动的，即过渡带最陡。切比雪夫型，其特点是通带内增益有起伏( 纹波) ，因 此也叫纹波型，这种滤波器与贝塞尔型和巴特沃斯型滤波器相比通带边界下降 较快，与椭圆型滤波器相比具有较平的通带幅频特性。由于本检测装置过渡带 比较宽，因此采用巴特沃斯型滤波器。 3 3 2 滤波电路及其设计方法 在设计滤波器过程中，可以采用有源滤波电路，也可以采用无源滤波电 路，有源滤波是有源元件( 常是运算放大器) 和一些电阻组成的网络，这种滤 堕堡堡鐾三查耋三耋堡圭兰竺鎏兰 波器体积小，便于集成，但受有源元件最高频率的限制，因此在较低的频段， 如采用无源滤波电路( l c 滤波器) ，其体积就显得过大，电感元件也难获得较 高的q 值，使滤波器的选择性变差，而使用有源滤波器是比较合适的。 在本试验中，矩形波的低次谐波携带有用信号，其频率不是太高的，因而 采用有源滤波器。 滤波器又有一阶、二阶、三阶滤波器之分。现在以二阶低通滤波器的设计 为例介绍滤波器的设计过程。 对于压控电源型二阶低通滤波器，在设计的时候常取c ，= c 2 = c ，= c ， r l = r 2 = r 。 于是有 6 0 0 = 去 c ，吲 口：3 一爿“ ( 3 6 ) 式( 3 5 ) 、( 3 - - 6 ) 表明，滤波器的固有角频率由滤波电容c 和滤波电 阻r 决定，而阻尼系数口由集成运放的闭环增益a 。，决定的，设计步骤如 下。 1 选择滤波电容根据给定的截止频率l 选择滤波电容c 在选择滤波 电容时参照以下的经验数据： 0 1 k h zc = ( 1 0 1 ) 矿 兀= ( o 1 0 k h zc = ( o 1 o o o f 兀= ( 1 1 0 ) k h zc = ( 0 0 1 o 0 0 t ) g f 厶= ( 1 0 1 0 0 ) k h zc = ( 1 0 0 0 1 0 0 ) p f 无1 0 0 k h zc = ( 1 0 0 1 0 ) p f 2 滤波电阻根据选择的滤波电容c 和给定的阻尼系数a ( 或品质因 数q ) 以及截止频率g o 。的值，然后根据式( 3 6 ) 求滤波电阻r 。 r ：型! 二芝( 3 7 ) 。c 3 求闭环增益根据式( 3 7 ) 求出能满足阻尼系数要求的集成运放 的闭环增益。 铲- + 鲁小口( 3 - - 8 ) 4 求电阻r o 和r ，r o 和r ，可以根据以下两个要求来确定。首先，为 哈尔滨理工人学工学硕j ：学位论文 了消除集成运放偏差引起的失调，要求集成运放i 司相端对地的直流电阻等于 反相端对地的直流电阻，即 盟：2 r ( 3 - - 9 ) r + r 适当选择r 。和r ，的值，以满足公式( 3 9 ) 所确定的集成运放闭环增 益爿。，的要求，由式( 3 - - 7 ) 、( 3 - - 8 ) 、( 3 9 ) ，可得 耻筹( 3 - - 1 0 ) r ，= 2 a 。，r ( 3 1 1 ) 以上是滤波器的设计过程，但是，由于以上的设计过程只是在理想的条件 下的设计过程。但实际的设计过程中，由于器件的参数并非理想的，设计时如 需要精确的设计，必须经过反复试验调整器件的参数，爿能完成设计，图3 - 6 是滤波器电路图。 图3 - 6 滤波器电路图 f i g3 - 6c i r c u i to f l o wp a s sf i l t e r 3 4 信号的调理 由于从滤波出来信号的幅值在一5 v + 5 v 之间，而数字信号处理器的 哈尔滨璀t 大学t 学顿j 一学位论文 a d