（电机与电器专业论文）电涡流式电缆偏心检测技术的研究.pdf

! 宣i j 鎏堡占：王e 主婴土主丝鎏苎 s t u d y o f e d d yc u r r e n tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o r c a b l ee c c e n t r i c i t y a b s t r a c t 肠ec a b l ee c c e n t r i c i t yh a s 击s a s t r o u se f f e c t so nt h eq u a l i t yo fc a b l e js o 矗i s n e c e s s a r yt oj u d g ew h e t h e rt h ec a b l ee c c e n t r i c i t yt a k e sp l a c ed u r i n gt h ep r o c e s so f p r o d u c i n gc a b l e i nv i e wo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o r c a b l ee c c e n t r i c i t yi so u t o f - d a t ei no u rc o t m t r y , an e we d d yc u r r e n tm e a s u r e m e n t m e t h o di sp r o v i d e di n t h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，ao n 1 i n e r e a l t i m e a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y i ss t u d i e df r o ms e v e r a la s p e c t si nd e t a i l t h ew h o l ee d d yc u r r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rc a b l ee c c e n t r i c i t yi sd e s i g n e d f r o mt h r e ep a r t st h a ta r ee c c e n t r i c i t ys e n s o r , d a t ac o l l e c t o ra n ds u p e r i o rs y s t e mi nt l l e f i r s tp a r to f t h i sp a p e r t h ep r o b eo f t h ee c c e n t r i c i t ys e n s o ri sd e s i g n e d t h ep r o n e m s s u c ha sp o w e rs u p p l yn e e d e db yo s c i l l a t i n gc i r c u i ta n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nf r o m r o t a r yp a r tt os t a t i o n a r yp a r ta r es o l v e d w i t hc o r ec o m p o n e n t so ft l c 2 5 4 3a d c o n v e r t e ra n da t 8 9 c 5 2s i n g l e c h i p ，t i l ed a t ac o l l e c t o ri sd e s i g n e dt of i n i s ht h e c o n v e r s i o nf r o ma n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a l t h es a m p l e dd a t ai s t r a n s p o r t e dt o p cb yr s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n w i t l lv i s u a lb a s i cl a n g u a g e t h es o f t w a r e s y s t e mi sd e v e l o p e dt op r o c e s st h ed a t aa n dd i s p l a yt h er e s u l t t oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，aa n a l o gf i l t e ra n da d i g i t a lf i l t e ra r ea p p l i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a li nm e a s u r e m e n t s y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ea n a l o gf i l t e ra n dd i g i t a lf i l t e ra r ed e t e r m i n e d t h e3o r d e rb u t t e r w o r t ha n a l o gf i l t e ra n d5o r d e re l l i p t i ci i rd i g i t a ll o wp a s sf i l t e r a r ed e s i g n e da n dr e a l i z e dw i t hp r o p e rm e t h o d ss e p a r a t e l y1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft h e f i l t e r sa r ep r o v e dw e l lt h r o u g hs t a t i ce x p e r i m e n t a ls y s t e m e c c e n t r i c i t ys e n s o ri st h ek e yc o m p o n e n to ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n di t s p e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t n l ep e r f o r m a n c eo ft h ee c c e n t d c i t ys e n s o ri ss t u d i e d - i i 堕自：鎏翌j ：厶主：! ：兰堡主：兰垡监塞 t h r o u g ht h es t a t i ce x p e r i m e n t a lm e a s l l r e m e l c f fs y s t e m t h ee f f e c t so fd i a m e t e ro ft h e m e a s u r e dc a b l ec o r e ，t u n a so ft h em e a s u r e m e n tc o i la n ds i z eo ft h em e a s u r e m e n t p r o b e o nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee c c e n t r i c i t ys e n s o ra r ea n a l y z e d k e yw o r d sc a b l ee c c e n t r i c i t y ；e d d yc u r r e n t ；f i l t e r ；s e n s o r 1 1 i 第1 章绪论 1 1 电涡流无损检测技术的发展状况 电涡流无损检测是无损检测的五大常规方法之一。它以电涡流效应为基础， 利用导体试件中产生的涡流来分析试件质量信息，常简称为涡流检测1 “”1 。涡流 检测的实际应用可以追溯到1 8 7 9 年，当时英国人休斯( h u g h e s ) 首先用感应电流 的方法对不同金属和合金进行7 判断实验，揭示了应用涡流对导电材料和零件 进行检测的可能性，但未形成一种检测技术。以后的很长时间内，由于材料的 许多参数以及外部因素都使得检测线圈很敏感，致使涡流检测发展困难，因而 涡流检测技术的发展一直比较缓慢。1 9 5 0 1 9 5 4 年，德国的福斯特( f o r s t e r ) 提出 了阻抗分析理论来解决涡流问题，并发表了一系列论文，其中包括消除涡流仪 中某些干扰因数的理论和实验结果，开创了现代涡流检测理论研究的新阶段。 此后，经过许多人的努力，涡流检测技术最终从实验除段走向实用“”“。 在涡流检测中，当载有交变电流的传感器检测线圈靠近导体试件时，由于 线圈交变磁场的作用，试件中会感应出电涡流，涡流的大小受导体试件的性质、 导体与检测线圈之间的距离以及检测线圈内电流频率的影响。电涡流产生的磁 场与检测线圈产生的交变磁场相互作用，导致原线圈磁场发生变化，从而改变 检测线圈阻抗的大小。通过测定检测线圈阻抗的变化，可以对导体试件的性质 以及导体试件和检测线圈之间距离进行检测。涡流检测可广泛地应用于检测导 体表面或近表面探伤和试件材质的分析，如金属材料电导率、磁导率、金属厚 度、非金属表面涂层的厚度、硬度等“6 。 我国于6 0 年代初开展涡流检测技术的研究工作。自1 9 7 8 年成立无损检测 学会以来，通过有计划有组织地开展学术交流等工作，有力地推动和促进了我 国涡流检测技术的应用和发展。目前在机械、电力、化工、石油、纺织、航空、 原子能、造船等部门，涡流检测技术广泛被用来测量位移、厚度、尺寸、振动、 转速、压力、电导率、湿度、硬度，以及探测金属材料表面的裂纹和缺陷等”1 9 1 ( t 0 1 。 随着涡流理论研究的不断深入，涡流检测新技术得以不断开拓和推广应用， 涡流检测的发展转向了多个方向：多频涡流检测技术、远场涡流检测技术、深 层涡流检测技术、涡流成像技术、新的信号处理方法( 如小波变换) 应用于涡 流检测信号处理”。涡流检测技术的发展前景主要表现在几个方面：首先是 涡流检测探头的设计，涡流检测探头是检测设备的关键部件，目前探头设计的 理论研究尚不充分，探头的制作多是凭经验或是依据实验进行，通过理论分析来 进行探头参数的优化设计是很重要的研究课题；其次是进一步提高涡流检测设 备的检测可靠性和自动化程度，发展数字化、智能化检测仪器；再有就是发展 涡流超声一体化检测技术，由于射线和超声属内部检测，对内部深层和哑表面 缺陷较敏感，但对表面缺陷不敏感，而涡流、磁粉及渗透属表面检测方法，因 此，如何应用各种无损检测的长处，相互结合，取长补短，以提高检测的全面 性、可靠性和灵敏度，是令人关注的研究课题“4 ”“。 随着工业生产和科学技术发展，对无损检测提出了更高更新的要求，随着 电子和计算机技术的飞速发展，可以预见，涡流检测技术的应用必将同趋广泛 并进一步发展“7 “”1 。 1 2 电缆偏心检测技术的发展现状 在电缆生产时出现的电缆偏心现象是影响电缆产品质量的一个重要原因。 电缆偏心是指电缆导电线芯与绝缘层不同心造成的一个截面上绝缘厚度不均。 电缆偏心不仅严重影响电缆的性能，而且造成绝缘材料的大量浪费“”。因此， 电缆生产过程中，为保证电缆的质量，必须对电缆偏心进行准确的检测。 在电缆工业发展的很长一段时间内，由于受当时技术条件的限制，电缆生 产厂家一直采用离线切割法进行电缆的偏心检测。这种方法就是对电缆成品进 行切割，在电缆截面上通过千分尺测量和人的肉眼观察的方法判断电线电缆是 否发生了偏心。这种检测方法的缺点在于无法实现电缆偏心度的在线实时检测， 检测精度较低，而且属于破坏性检验，造成了材料的浪费。随着各领域对电缆 产品需求的不断增加和对电缆质量要求的提高，这种方法已经无法满足实际生 产需要叫儿2 “。 进入上个世纪九十年代，随着电子技术、计算机技术以及材料科学的高速 发展，各种无损检测设备不断出现。国外陆续成功研制出了电缆偏心检测仪器， 且都是专利产品，如德国s 1 k o r a 公司生产的x r a y s 0 0 0 管内测量仪，英国 b e t a 公司研制的c e n t e r s c a n 智能测试仪和瑞士生产m e t r e x 偏心测量系统， 都是具有电缆偏心实时检测功能的无损检测仪器“”“。“。在我国国内，由于对 这类装置的研究起步较晚，电缆偏心检测仪器研制工作的进展相对于欧洲国家 还比较迟缓，至今还没有研制成功的报道。 1 3 本课题研究的意义 电缆产品是我国机械工业中产值比重很大的产品。随着我国电力工业及通 讯事业的蓬勃发展，电缆产品的应用已深入到国民经济的各个领域，从日常生 活到工业生产，对它的需求量在逐年增加。电缆产品生产质量的优劣，直接关 系到整个社会生产能否正常运行。因此，电缆产品的质量问题受到了电缆生产 者和使用者的普遍关注。 电缆偏心作为影响电缆质量的一个重要因素，在电缆生产时必须要进行准 确的检测。但由于国外偏心检测装置价格十分昂贵，每台售价都在5 万美元左 右，对于国内大多数规模较小的电缆生产厂家根本没有能力购进这种设备，而 仍沿用落后的手工检测方法，只有少数电缆生产厂家引进了国外的电缆偏心测 试装置，这就造成了电缆工业生产效率低下，原材料大量浪费。同时，由于手 工检测的精度较低，很难保证其生产质量，造成电缆使用时存在一定的安全隐 患。因此，仅依靠进口国外电缆偏心检测装置已经远远不能满足我国电缆工业 快速发展的需要，研究适合我国市场需求的具有自主知识产权的电缆偏心检测 装置已成为一个很急迫的问题。 针对我国电缆工业的特点和市场需求状况，我们依据电涡流测距原理，把 涡流检测技术应用到电缆偏心检测中，设计电涡流式电缆偏心检测系统。这种 捡测系统不受外界灰尘、潮湿度、温度波动以及绝缘材料的介电常数等因素的 影响，实现起来容易。为了提高涡流检测系统的检测可靠性和自动化程度，我 们选择p c 机( 微型计算机) 作为系统的上位机。由于p c 机还具有很高的性价 比，所以检测系统不仅满足了在线检测的实时性要求，而且缩短了开发周期， 降低了系统的成本。我国电缆生产厂家众多，对高性价比的偏心测量装置的需 求潜力是巨大的，所以研制这种装置的经济效益和社会效益都十分可观。 检测过程中，传感器获取的信号不可避免地要掺杂一些干扰信号。为了提 高检测精度，采用准确的滤波方法对信号进行滤波处理是至关重要的。传感器 是检测系统的关键部件，传感器的性能直接影响检测系统的检测精度。分析传 感器性能，对传感器的优化设计和检测精度的提高具有十分重要的意义。 哈尔滨理l 一大学f 学硕十学位论文 1 4 本课题的主要工作内容 本课题主要包括以f 四个方面的内容： 1 检测系统的整体设计 检测系统主要由三大部分组成：偏心传感器部分、数据采集器部分和上位 机部分。设计偏心传感器测量电路，制作偏心传感器探头。研制以a t 8 9 c 5 2 单 片机为核心器件的数据采集器( 即下位机) ，完成相关的硬件和软件设计，并配以 基于r s 一2 3 2 通信标准的接口电路，实现与p c 机( 上位机) 之间的通信。利用 软件丌发平台v b 开发上位机系统，对检测结果进行输出显示。 2 模拟滤波器在检测系统中的应用 根据检测系统的要求和检测系统中模拟信号的特点，确定模拟滤波器的性 能指标，根据模拟滤波原理，借助m a t l a b 软件设计抗混叠模拟滤波器并进行实 现。 3 数字滤波器在检测系统中的应用 借助m a t l a b 对滤波前的信号进行分析，得到滤波前的信号的频谱，确定 数字滤波器的技术指标，并依据数字滤波原理，设计椭圆型i i r 数字滤波器， 在上位机系统中进行软件实现。 4 检测系统中偏心传感器性能的研究 构建静态实验装置，进行偏心传感器测距实验。结合理论，通过实验数据 分析被测电缆的线芯直径、偏心传感器检测线圈的匝数和检测探头的尺寸对偏 心传感器性能的影响，验证使用这种传感器进行电缆偏心测量的可行性，并掘 此对传感器进行优化设计，使其能工作在最优状态。 4 第2 章电涡流式电缆偏心检测系统的整体设计 2 1 偏心传感器部分 2 1 1 电涡流式电缆偏心检测原理 由涡流检测原理可知，当载有交变电流的传感器检测线圈靠近导体试件时， 由于线圈交变磁场的作用，试件中会感应出电涡流，涡流的大小受导体试件的 性质、导体与检测线圈之间的距离以及检测线圈内电流频率的影响。电涡流产 生的磁场与检测线圈产生的交变磁场相互作用，导致原线圈磁场发生变化，从 而改变检测线圈阻抗的大小。通过测定检测线圈阻抗的变化，可以对导体试件 的性质以及导体试件和检测线圈之间距离进行检测。电涡流式电缆偏心检测正 是基于这一原理。 删芯 旋转d i 电j l7 , a 僭绷- 图2 一l 偏心传感器示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee c c e n t r i c i t ys e n s o r 图2 1 给出了电涡流式电缆偏心捡测系统中偏心传感器的示意图。检测时， 偏心传感器检测线圈中通有频率为4 0 0 k h z 的交变电流，偏心传感器的探头紧贴 电缆表面绕电缆周向以i 0 0 0 r m i n 的速度旋转。由于电缆线芯是导体，因此偏 心传感器检测线圈产生的交变磁场庐，会在电缆线芯中感应出涡流，涡流产生的 磁场，会与庐，相互作用。若电缆发生偏心，则电缆周向绝缘厚度d 就不均。在 偏心传感器探头旋转过程中，电缆线芯和偏心传感器检测线圈之间的距离就会 发生变化。受其影响，偏心传感器检测线圈的阻抗也会随之发生变化。 通过适当的测量电路，把检测线圈等效阻抗的变化转化成电压的变化，建 立电压幅值和电缆绝缘厚度之间的线性对应关系。利用单片机和a d 转换器制 作数据采集器，对这电压幅值进行采样检测。采样数据通过串u 通讯传送给 p c 机，由p c 机处理。p c 机根据检测到的电缆周向不同绝缘厚度对应的电压幅 值，求出电缆周向不同位置对应的绝缘厚度，计算电缆的偏心度，判断电缆的 偏心情况。 21 ，2 偏心传感器探头结构 偏心传感器由电缆线芯和偏心传感器探头构成。偏心传感器的探头主要包 括检测线圈、磁罐和测量电路三部分。 检测线圈紧密地绕制在磁罐内部的芯柱上，用来产生高频磁场。磁罐选用 导磁率较高的材料，这种结构可以使磁场的磁力线集中在传感器探头顶部，增 强了传感器测量区域内的磁密，从而提高传感器的灵敏度和测量的量程。为减 少被测电缆横向位移对测量结果的影响，选用空心的磁罐。 偏心传感器的测量电路用来把偏心传感器检测线圈等效阻抗的变化转化成 电压的变化。电涡流式电缆偏心检测系统中，采用考毕兹振荡电路作为偏心传 感器的测量电路。这种不但电路结构简单，容易起振，而且振荡频率可调节范 围较宽，振荡波形良好。振荡电路如图2 2 所示。 图2 - 2 传感器振荡电路 f i g 2 - 2o s c i l l a t i n gc i r c u i to f t h es e n s o r 图中厶和r ，为偏心传感器检测线圈的等效电感和电阻。电容g 和c ：串联后 哈尔滨理i 人学】：学硕士学位论文 与电感厶和电阻r 。构成并联谐振电路。电路发生谐振时，c 并联谐振回路的 等效阻抗为 z=j-杀ii(rl+jcoli)=群1 加钔中“一c t 肥。= 苦卺。 z ： 墨，! 曼 曩+ j ( c o l - 一葡1 ) 础，一j 一：o 一2 j r 2 7 r 厄c z ：上 q 2 等= 击悟 从式( 2 - 5 ) 可以看出，谐振回路的等效阻抗的大小受检测线圈等效电感和 电阻的影响。检测时，电路发生高频振荡，检测线圈通有交变电流，探头产生 交变磁场。在偏心传感器检测线圈磁场的作用下，电缆线芯内会产生电涡流。 电缆线芯材料一般是铜和铝，均为非铁磁性材料。电涡流产生的磁场的反作用 对检测线圈电感影响甚微，可以忽略不计，而对检测线圈的电阻影响很大。若 电缆发生偏心，在传感器探头旋转过程中，随着电缆绝缘厚度从小到大发生变 ) ) ) ) ) ) 2 3 4 5 6 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 2 ( ( ( ( ( ( 哈尔滨埋= 人学i 学硕十学位论文 化，检测线圈的等效电阻会发生从大到小的变化。谐振回路的等效阻抗就会发 生从小到大的变化。由于电源电压恒定，且图2 2 中电阻r ，不变，因此振荡电 路的端口电压将随之发生从小到大的变化，从而把检测线圈等效阻抗的变化转 化成了偏心传感器输出电压的幅值的变化。通过测量输出电压u 。的幅值，经过 计算就可以得到电缆周向不同位置对应的绝缘厚度，进而确定电缆的偏心度。 2 1 ，3 偏心传感器振荡电路的电源设计 偏心传感器的振荡电路需要8 v 的直流电源供电，但由于传感器探头工作时 处于旋转状态，因此普通的直流电源无法满足要求。这罩我们采用一台盘式旋 转电枢发电机给振荡电路供电。这种发电机的磁极为永磁体，固定在静止机械 部分( 磁极极性是交叉排放) 。发电机的电枢由e 型磁芯和线圈组成，电枢与 传感器探头一起处于旋转机械部分，旋转机械部分与固定机械部分配合装配。 检测时，旋转机械部分匀速旋转，发电机电枢线圈切割永磁体磁场的磁力线， 产生感生电动势。将各电枢线圈诈向串联，就可得到最大的电动势。发电机发 出的交流电经过整流和稳压处理，就可以得到振荡电路所需要的8 v 直流电压。 2 1 4 旋转耦合变压器 偏心传感器输出的电压信号要提供给位于静止机械部分的信号处理和数据 采集电路，这就需要有一个中间环节束完成旋转部分信号向静止部分的传递。 由于传感器输出的是中频的交流信号，因此可利用旋转变压器将信号取出。旋 转祸合变压器的工作原理与普通变压器相同，只不过结构上存在差异。它由四 部分组成：内、外环形骨架和内、外绕组。内、外环形骨架由环氧树脂材料制 成，内、外绕组绕制在骨架上。这样内外骨架上的绕组即为变压器的原边和剐 边。考虑到旋转耦合变压器有足够大的径向空间，可以用增大主磁路面积s 与 漏磁路面积受的比来减小漏磁比，增大耦合磁通。旋转变压器的原边与传感器 输出端相连，副边与信号处理电路的输入端相连。检测时，旋转变压器的原边 线圈随传感器探头一起旋转，传感器输出的电压信号在变压器的副边产生耦台 信号，送入信号处理电路，完成信号从旋转到静止的传递。 2 2 数据采集部分 数据采集部分主要完成以卜功能：确定采样点的周向位置；对传感器输出 的电压信号进行放大和幅值提取；利用a t 8 9 c 5 2 单片机和t l c 2 5 4 3 a d 转换器 对电压幅值进行采样；通过串口通讯把采样数据上传给p c 机。 2 2 1 采样点周向位置的确定 检测电缆偏心时，偏心传感器的探头绕电缆不停旋转，电缆厚度的被测点 位置不停变化。为了确定采样点的周向位置，便于上位机系统判断电缆的偏心 第二平面 第一平面 待铡电缆 旋转部件 匿定部件 图2 - 3 位置检测示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mf o ri d e n t i f y i n gp o s i t i o n 方向，设计了如图2 3 所示的位置检测单元。 如图所示，在电缆出线孔处，与传感器探头同步旋转的机械部分上周向每 间隔1 5o 固定一个磁柱，并且保证这2 4 个磁柱在同一平面上，我们称这个平面 为第一平面。偏心传感器探头和1 号磁柱保持在轴向同一条直线上。在另外一 个平面上固定一个磁柱，该磁柱在轴向处于上述l 号和2 4 号两个磁柱的中间位 置，且极性与其它磁柱相反。在对应的静止机械部分上固定两个霍尔元件，它 们在轴向同一直线上，分别位于磁柱所在的两个平面内，它们放置时极性也相 反。根据霍尔元件的特性，当磁柱从霍尔元件正上方转过时，霍尔元件会产生 一个脉冲信号。在检测时，在第一平面内，传感器探头旋转一周，霍尔元件依 次产生2 4 个脉冲信号，作为采样信号；第二平面内的霍尔元件产生1 个脉冲信 号，作为起始信号。 利用单片机的i n t 0 中断响应起始脉冲，t l 中断响应2 4 个采样脉冲。 i n t l 中断程序负责a d 转换，程序中设置一个指针，每发生一次中断指针加一， 以此来记录每周的采样顺序。i n t 0 中断的发生，代表上一周采样结束，卜一周 采样将开始。中断程序判断i n t 0 中的指针是否为2 4 ，若为2 4 则保存这一周的 采样数据，如果不是，认为发生采样点丢失或有误中断，本周采样数据无效， 重新采集。探头旋转一周，单片机就采集电缆周向2 4 个不同位置绝缘厚度对应 的电压幅值。判断是几号磁柱对应的采样点发生了偏心，根据这一时刻1 号磁 柱的位置町以确定探头的实际位置，也就确定了电缆的偏心方向。传感器探头 以1 0 0 0 转分的速度绕电缆旋转，则电缆周向某一采样位嚣对应的采样频率为 1 66 7 h z 。 2 2 2 信号放大电路的设计 偏心传感器输出的正弦电压信号的信号能量较低，负载能力较筹，不但容 易受到外界的干扰，而且在传输线路上也会很快地衰减。因此，我们设计了如 图2 - 4 所示的信号放大电路对信号进行放大。 幽24 信号放火电路 f i g 2 4a m p l i f y i n gc i r c u i to f l h es i g n a l 图中u 。代表偏心传感器传的输出信号，u 。代表放大器的输出信号。此放大 电路是一个同相比例放大器，采用运算放大器l m 3 1 8 作为核心元件，电路中电 阻r 和马的值为1 0 k f 2 ，r ：是可调范围为5 0 k q 的可调电位器。放大倍数为 1 0 a ，= 1 + 兰( 2 - 7 ) 月3 调试时根据实际情况将r 2 设定为一个固定值。为防止集成运放的输入差模 或芪模电压超过规定的极限值，造成输入极的管子击穿损坏或件能变差，存 l m 3 1 8 的输入端接入了两个保护二级管d 1 、d 2 。 2 2 3 幅值检测电路设计 传感器输出的电压信号的幅值直接反映了传感器探头到电缆线芯的距离，也 就是电缆的绝缘厚度，提取电压信号幅值的幅值检测电路如图2 5 所示。 d u 图2 - 5 幅值检测电路 f i g 2 5m e a s u r i n gc i r c u i tf o rt h ea m p l i t u d e 图中玑代表提取出的电压幅值。在二极管导通期阃，电容c 被充电，其电 位逐渐升高，在二极管截止期间电容通过电阻胄放电，电容上电位逐渐下降。阻 容电路的放电时间常数取足够大，则在二极管截止期间，电容上的电荷不能放 完，电容上的电位始终是上正f 负。只有二极管正向电压大于电容电压时，二 极管才能导通，因此，二极管只在电压正半周峰值附近的一部分时间内导通。 幅值检测电路在有效地提取电压信号幅值的前提下，还必须保证当相邻两 个采样点的输出电压有变化时能准确的反映，也就是要求电路的放电时间常数 要小于相邻两检测点之间的时问间隔。检测时，传感器探头转速为1 0 0 0 转分， 则相邻两检测点时间间隔为2 5 m s 。放电回路的时间常数r = r c ，选择电阻 r = 5 k q ，电容c 卸3u f ，则f = 5 0 0 0 0 3 1 0 “一1 5 m s 。当检测信号频率为 4 0 0 k h z 时，周期为2 5 us 。r c 放电电路的放电时间常数远大于信号周期。同时， f q ，时，特性以2 0 n d b 速度f 降。 近年来，各种信号处理应用软件发展迅速，它们为滤波器设计提供r 许多 方便，例如用m a t l a b 软件可直接按用户所需技术指标参数求得滤波器的频响、 冲激响应或作零、极点分析。 根据模拟滤波器的技术指标，运用m a t l a b 信号处理工具箱提供的b u t t o r d 函数求出模拟滤波器的阶数n = 3 和截至频率q ，= 15 9 8 5 2 1 。查表可得到= 3 的频率归一化的巴特沃思多项式 岛( s ) = ( s 。) 3 + 2 ( s ) 2 + 2 s + 1 = ( s 4 - 1 ) ( s ) 2 + s + l 】 ( 3 2 ) 则归一化的滤波器传递函数为 h ( s 。) 2 高2 两孓高丽2 矿而薪一s ， 解归一化，即令s 。= 代入h ( s ) ，得到滤波器的传递函数为 一虿两1 4 0 8 5 x 1 0 6 = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - u u + ，- - 一 s 3 + 3 1 9 7 s 24 - 5 1 1 1 1 0 4 s + 4 0 8 5 1 0 6 哈尔滨理一【：火学1 ：学硕士学位论文 滤波器的幅频响应特性如图3 - 4 所示 ( j q ) f i g3 - 4a m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef i l t e r 3 4 检测系统中模拟滤波器的实现 确定模拟滤波器的传递函数之后，就要采用适当的电路网络进行实现。模 拟滤波器的实现可以分成无源网络实现和有源网络实现两种。下面对电涡流式 电缆偏心检测系统中的模拟滤波器分别进行无源网络和有源网络实现。 3 4 1 模拟滤波器的无源网络实现 模拟滤波器是一个二端口网络。模拟滤波器的无源网络实现是指利用达林 z l l ( s ) 图3 - 5 选林顿电路结构 f i g 3 - 5d a r l i n g t o nc i r c u i ts t r u c t u r e 顿电路结构，把二端口网络的实现问题转化为一端口网络的实现问题。达林顿 电路结构如图：3 - 5 所示。 一殷情况电路都是在延配情况下工作，所以取信源内阻月。和负载电阻矗， 相等。归一化的反射系数 邢，= 器 c 。- t ， 廿、i oj 其中，b 。( s ) = b ，( s 。) = ( s ) 3 十2 ( s 。) 2 + 2 s + 1 。 策动点阻抗函数z ，( s ) 可表示为 邵一器璁揣 此巴特沃思低通滤波器的无源实现有两种形式 z “s 瑚s 端 和 邵2 s 器 为简化计算，把策动点阻抗函数z 。( s ) 对信源内阻归一化， 为 z l 。( s ) b n ( s ) ( s ) “ r nb ( s 1 ) z - ( s ) ” ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 式( 35 ) 表示 ( 3 8 ) 弟一种实现： 等= 鞘= 鼍静等竽。，r s b ( s ) 一( s ) 32 ( s 。) 2 + 2 s + 1 “ 展开成连分式表示 警毋+ 再1 咱s + 蕊11 仔，。， r 5 2 s + 三一1 e s 。+ 一l s + 1 3 s + 1 其中厶+ ，c z ，l 3 为归一化的电感、电容值，其实现电路如图3 6 所示，称为t 型结构实现，电路中的元件值都是对频率和内阻归一化的。 第二种实现 掣=裂=意氅簧品(3-11)b s s 2 ( s 2 s1r s3 ( ) + ( ) 3 。) + 2 ( s ) 2 + + ! 垒j 鎏墨! ：厶兰：主堡主主卫生圣 e s 展丌成连分式表示 z 1 l ( s ) r s 1厶= 1 图3 - 6t 弛结构实现 f i g3 - 6r e a l i z a t i o no f ts t r u c t u r e 生：1 月。 实现的电路如图3 7 所示，称为兀型结构实现。 r s = 1l 2 = 2 厂_ 1 r _ r 一。1 一j t 一、 雎业t ；惫叫 图3 7n 型结构实现 f i g 3 - 7r e a l i z a t i o no f 丌s t r u c t u r e 利用下式对元件值去归。化， f三：堕三 q ( 1c ：j c |q f ，r n 在电涡流式电缆偏心检测系统中，模拟滤波器处在 面，令r 。= r ，= 1 0 k f l ，则t 型结构电路中的元件值 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) t l c 2 5 4 3 a d 转换器f i l ：生l 。： ! 1 0 4 6 2 6 h q ，1 5 9 8 5 2 1 _门中一 一 一 墨 ， 哈尔滨理】：人学1 ：学硕 ：学位论文 c 22 矗c ”面蒜地。1 2 5 2 胪 厶= 鲁厶= 丽1 1 0 4 = 6 2 6 h 兀型结构电路的元件值 c 1 = = 二c 1 = 二_ 1 = 0 ，6 2 6 f q r1 5 9 8 5 2 1 1 0 4 。 三：生，：! l o a ：1 2 5 2 1 1 2 ( 2 ，。1 5 9 8 5 2 1 c 32 矗c 32 面矗斋刈卸6 2 6 川? 可以看出，由于电缆偏心检测系统中的模拟滤波器的工作频率较低，所以 采用无源网络实现就表现出明显的缺点：电感、电容元件值较大，电感元件的 体积、重量也就较大，而且电感o 值下降不宜制作实际的电路网络。因此， 采用有源网络来是实现实际的模拟滤波器： 3 4 2 模拟滤波器的有源网络实现 模拟滤波器的有源网络实现是指利用运算放大器、电阻和电容来实现滤波 器的传递函数，通常采用级联实现法。 电涡流式电缆偏心检测系统中的模拟滤波器的归一化传递函数可以表示为 11 砸) 3 赢。两 吾石( 3 - t 4 ) 对这个三阶巴特沃思低通滤波器，可以用一个阶与一个二阶有源滤波器串联 l 。5 图3 - 8 门一化有源网络 f i g 3 - 8n o r m a l i z e da c t i v en e t 2 9 堕笙鎏型! ；：i ：! ；：z ：些士：生丝苎 实现，元件值归一化的有源网络如图3 - 8 所示。 根据运算放大器原理可以求出两个串联环节的传递函数分别为 1 h t ( s ) = 一了了r 二t c t 3 _ 1 5 ) r 2c l h 2 ( s ) ( 31 6 ) 由h ( s ) = 月一( s ) h 2 ( s ) ，对照式( 3 - 1 4 ) 司得到万程组 ，l ：1 lr t q t 志； 。1 7 三一：1 j毒c 击+ 古+ 去，= c 。郴， != 1 对方程组( 3 - 1 7 ) ，选r 。= r ，= 1 ，则c 。+ = 1 。对元件值去归化，令 r l = r 2 = r r l = 1 0 k q ，则 r t1 c l2 志r 。1 5 9 8 5 2 而1 1 0 划6 2 6 胪。 q ， 4 归去随件 一兀水 1 3 i i c3 = c 得求 则 f i q b 呲 = = 心 b = m 心 = 选 心 ， = 趵 心 一 i i 组 令 程 ， 方 化 对 一 c2。南2赢i_1，878zi。r5 98 5 2 11 0 n ，、1 4 l g = 击= 面5 9 蒜8 5 2 10 = 眈唧f 。 q ，r1l 4 。 所以，电涡流式电缆偏心检测系统中模拟滤波器的有源网络实现的实际电 路如图3 - 9 所示。 06 2 6 “f 1 0 k 3 5 本章小结 图3 - 9 实际的有渊网络 f i g 3 - 9a c t u a la c t i v en e t 本章从模拟滤波器的作用出发，指出了电涡流式电缆偏心检测系统中应用 模拟滤波器的重要性。接着根据滤波要求，确定了模拟滤波器的性能指标，设 计了三阶巴特沃思低通滤波器。在和无源网络实现比较的基础上，对所设计的 滤波器进行了有源网络实现。 第4 章数字滤波器在检测系统中的应用 4 1 数字滤波技术的发展 数字滤波是数字信号处理理论的一部分。数字信号处理学科的。项重大进 展就是关于数字滤波器设计方法的研究。关于数字滤波器，早在4 0 年代末期， 就有人讨论过它的可能性问题，但直到6 0 年代中期，才开始形成关于数字滤波 器的，一整套完整的正规理论。在这一时期，提出了各种各样的数字滤波器结构， 有的以运算误差最小为特点，有的则以运算速度高见长，而有的则二者兼而存 之；出现了数字滤波器的各种逼近方法和实现方法，对递归和非递归两类滤波 器作了前丽比较，统一了数字滤波器的基本概念和理论“。 数字滤波器领域的一个重要发展是对有限冲激响应( f i r ) 和无限冲激响应 ( i i r ) 关系的认识的转化。在初期，一般认为i i r 滤波器比f i r 滤波器具有更高 的运算效率，因而明显地倾向于前者。但当人们提出用快速傅立叶变换( f f t ) 实 现卷积运算的概念之后，发现高阶f i r 滤波器也可以用很高的运算效率来实现， 这就促使人们对高性能f i r 滤波器的设计方法和数字滤波器的频域设计方法进 行了大量研究，从而出现了此后数字滤波器设计中频域方法和时域方法并驾齐 驱的局面。然而，这些均属数字滤波器的早期研究。早期的数字滤波器尽管在 语音、声纳、地震和医学的信号处理中曾经发挥过作用，但由于当时计算机主 机的价格很昂贵，严重阻碍了专用数字滤波器的发展。7 0 年代科学技术蓬勃发 展，数字信号处理丌始与大规模和超大规模集成电路技术、微处理器技术、高 速数字算术单元、双极型高密度半导体存储器、电荷转移等新技术、新工艺结 合了起来，并且引进了计算机辅助设计方法，它使数字滤波器的设计仅仪是对 相应模拟滤波器的逼近。般说来，通过对模拟滤波器函数的变换来设计数字 滤波器，很难达到逼近任意频率响应或冲激响应，而采用计算机辅助设计则有 可能实现频域或时域的最佳逼近，或频域时域联合最佳逼近。这样，数字滤波 器的分析与设计其内容也更加丰富起来”2 “。 数字信号处理理论与技术的发展，主要是由于电子计算机与大规模集成电 路的大量生产和广泛应用，替代了原来的模拟信号处理中的线性滤波与频谱分 析所应用的模拟计算机和分立元件r 、厶c 线性网络，高度发挥了计算机技术 与数字技术相结合的特色和优越性。特别是微处理器和微型计算机技术f 新月 异的发展，将更有利于电子仪器与电子技术应用系统朝着数字化、小型化、自 动化以及多功能化等方向发展，促使他们成为富有智能性的电子系统”“。现 在，包括数字滤波器在内的数字信号处理技术正以惊人的速度向纵深和高级的 方向发展，据估计这种趋势还要持续一个较长的时期，未来的发展可能会比过 去的进程更为激动人心，必将引起某些领域的飞跃性转折。”“。 4 2 检测系统中数字滤波器的作用 由第3 章哪知，电涡流式电缆偏心检测系统中，在a i d 转换器前设置了抗 混叠的模拟滤波器。但是仍会有一部分频率范围在零到折叠频率之间或频率接 近有用信号频率的干扰信号存在，这必然会影响检测精度。根据检测系统的特 点，可以采用适当的数字滤波器对采样后的离散数据进行数字滤波以满足检测 精度的要求。 数宁滤波器是一个线性时不变的离散时问系统，它的输入输出均为离散的数 字信号。数字滤波器的功能就是通过一定的运算关系对输入信号进行处理，改 变输入信号的波形或频谱，达到保留信号中有用成分去除无用成分的目的。数 字滤波器的系统框图如图4 1 所示。 ， x ( ) x ( z ) x ( e ) h ( n ) y ( h ) = x ( ”) + h h ( z ) y ( z ) = x ( z v h ( e ”)y ( e 。、= x ( e 。 n ) ( z ) h ( e ”) 图4 - 1 数字滤波器系统框图 f i g 4 - 1s y s t e m a t i cb l o c kg r a p ho f d i g i t a lf i l t e r 输入x ( n ) 是一个时间序列，输出y ( n ) 也是一个时间序列。数字滤波器的系 统函数为h ( z ) ，其单位冲激响应序列为h ( n ) ，在时域内存在下面的关系 y ( 门) = x ( 玎) 七矗( n )( 4 1 ) 在z 域内，输入输出存在下面的关系 】，( z ) = x ( z ) h ( z )( 4 - 2 ) 式中x ( z ) 、y ( z ) 分别为输入x ( n ) 输出y ( n ) 的z 交换。 在频域内，输入输出存在下面的关系 y ( e ”) = x ( e ”) h ( e )( 4 3 ) 式中，h ( e ”) 为数字滤波器的频率特性，x ( e ”) 和r ( e 一) 分别为x ( n ) 和 y ( n ) 的频谱，为数字角频率。 哈尔滨理：人学l ：学硕士学何论文 与模拟滤波器相比较，因为信号的形式和实现滤波的方法不同，数字滤波 器在体积、重量、精度、稳定性、可靠性、存储功能、灵活性以及性能价格比 等方面都冠示明显的优点，而且，数字滤波器除利用硬件电路实现之外还可借 助计算机以软件编程方式实现。 检测时，传感器探头以1 0 0 0 转分的速度绕电缆旋转。传感器探头每旋转 一周，电缆周向每一个位置对应的传感器输出电压的幅值被采集一次。周向2 4 个位置中的每一个位置都对应”个绝缘厚度，也对应一个采样频率为1 6 6 7 h z 的离散电压序列，离散序列恰恰可以用数