数字滤波与FFT在电磁无损检测系统中的应用

第10卷 第6期 2005年12月 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 JOURNAL HARB I N UN I V.SCI .快速傅里叶变换;数字信号处理;电磁无损检测 中图分类号: TG115. 28文献标识码: A文章编号: 1007- 2683 (2005) 06- 0044- 03 Application ofDigital Filter and FFT in the Electromagnetic - NDT System QU L i2ying, WAN Jing, HE Yun2bin, WAN Guo2qing (Materials Science FFT; DSP; NDT 收稿日期: 2005 - 05 - 19 作者简介:瞿丽英(1981 - ) ,女,哈尔滨理工大学硕士研究生. 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、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 y (x)=x ( t)3 h ( t) (1) 由卷积定理有 Y ( )= X ( ) H ( )(2) 滤波后的输出信号 Y ( )取傅里叶反变换就可以求 出时域波形系数 Y ( t) =F - 1 H ( ) (3) 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 ( )的设计.为便于滤波器特性控 制 , H ( )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 HB( ) 2 = 1 1 + tan 2 tan 2 2 2p tan 2 tan 1 2 2p 1 + tan 2 tan 1 2 2p -(4) 式中, p为巴特沃斯滤波器的阶次;1为滤波器的上 截止频率;2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,1,23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 ( )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 H ( )= HB()+i00 HB()+i0- 0 (5) 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.给定滤波器阶 次p和上、 下截止频率 1,2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 ( ) , 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23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T MS320LF2407A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: 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 54第6期瞿丽英等:数字滤波与FFT在电磁无损检测系统中的应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 作数,提高执行速度;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;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; 采用了大容量的片内存储器,提高了指令、 数据的访 问速度; 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;设 置了特殊的寻址模式,以支持循环寻址和位翻转寻 址;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 411 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 ). 412 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. 参 考 文 献: 1 万国庆,樊景云.钢铁成分、 硬度和裂纹的快速电磁无损检测技术M .哈尔滨:黑龙江科技出版社, 1996. 2 WAN Jing, HE Yun - bin, FAN Jing - yun, WAN Guo - qing . Development andApplication ofWGQ TypeMicro - computer - based Electromagetic Nondetructive Testing Instrument forMetalMaterial J . Tansactions ofNonferrousMetals Society of China, 2002,12(6) : 1058 - 1026. 3 何岭松,周义刚,康宜华.数字化电磁无损检测信号的频域数字滤波J .无损探伤, 2003, 25(4) : 195 - 197. 4 Texas InstrumentsT MS320C2000 C Source DebuggerUsers Guide Z. Custom Printing Company, 1999. 5 丁玉美.数字信号处理M .西安:西安电子科技大学出版社,