高速機(jī)車車軸超聲探傷信號(hào)的時(shí)域處理方法

韓　輝，郭施霖，張　旗

(1．沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)　110159；2．營(yíng)口供電公司，遼寧營(yíng)口　115000)

1　高速機(jī)車車軸探傷系統(tǒng)構(gòu)成

高速機(jī)車車軸超聲探傷系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、高速AD采集模塊和PC機(jī)組成，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　探傷系統(tǒng)總體框圖

由PC機(jī)控制單片機(jī)使超聲波發(fā)射模塊產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖激勵(lì)探頭組產(chǎn)生超聲波；經(jīng)過(guò)車軸內(nèi)部反射的回波信號(hào)通過(guò)接收預(yù)處理電路進(jìn)行限幅、前置放大、模擬濾波等處理，使超聲波信號(hào)處于高速采集模塊的模擬信號(hào)輸入范圍內(nèi)，進(jìn)行高速AD采集；轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB接口發(fā)送給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)顯示、分析及輸出打印等功能。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高速AD采集的原始數(shù)字信號(hào)仍無(wú)法直接用于缺陷檢測(cè)，原因主要為：

(1)前置模擬濾波器無(wú)法完全消除噪聲干擾，導(dǎo)致原始數(shù)字信號(hào)中含有較強(qiáng)的高頻噪聲，污染了有效回波；

(2)原始數(shù)字信號(hào)為射頻信號(hào)，不能直觀獲得其時(shí)域特征值，無(wú)法直接用于缺陷定位與定量。

所以，將在上位機(jī)中對(duì)原始數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、包絡(luò)提取并進(jìn)行A型顯示，以提取其時(shí)域特征，并完成缺陷判定。

2　超聲回波信號(hào)的數(shù)字濾波

2．1濾波器參數(shù)選擇

圖2　原始數(shù)字信號(hào)

探傷系統(tǒng)采集的原始數(shù)字信號(hào)如圖2所示。從圖2中可以看出原始數(shù)字信號(hào)中含有較強(qiáng)的高頻干擾，噪聲水平達(dá)到滿量程的20%，其主要成分包括電子電路噪聲、車軸的材料噪聲和現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境噪聲等。這些噪聲在探傷過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)，且頻帶較寬，而有效回波信號(hào)則主要集中于探頭固有頻率所在頻段，所以為了更好的濾除噪聲，應(yīng)選擇帶通濾波器。

高速機(jī)車車軸探傷系統(tǒng)采用縱波直探頭，標(biāo)稱頻率為2.5 MHz，帶寬B=25%，選擇的帶通濾波器主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

2．2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)方法上可分為有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器與無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器。與FIR濾波器相比，IIR濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是在相同的階次下可以取得更好的濾波效果，且可以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)果，方便簡(jiǎn)單，所以采用IIR帶通濾波器對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

表1　帶通濾波器主要性能指標(biāo)

一個(gè)IIR濾波器的有理系統(tǒng)函數(shù)為：

(1)

其特點(diǎn)主要有：系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的；需要用遞歸模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面上有極點(diǎn)存在。[2]

IIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。

圖3　數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟

首先設(shè)計(jì)模擬巴特沃斯低通濾波器，模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)由參數(shù)通帶上限頻率Ωp，通帶最大衰減Ap，阻帶截止頻率Ωst和阻帶最小衰減As給出，實(shí)質(zhì)就是根據(jù)這些技術(shù)指標(biāo)計(jì)算出濾波器階數(shù)N和截止頻率Ωc，要求：

(2)

(3)

由式(2)與式(3)可以解出N

(4)

根據(jù)實(shí)際參數(shù)計(jì)算出的階數(shù)N為3階，將Ωc選為1 rad/s，使頻率得到歸一化，得到的歸一化系統(tǒng)函數(shù)為：

(5)

然后經(jīng)頻帶變換轉(zhuǎn)換為模擬帶通濾波器，由模擬低通模型轉(zhuǎn)換為模擬帶通的頻率變換關(guān)系為：

(6)

根據(jù)雙線性變換，模擬帶通與數(shù)字帶通之間s平面與z平面的關(guān)系為：

(7)

將式(6)與式(7)結(jié)合，可得到從模擬低通直接變換為數(shù)字帶通濾波器的表達(dá)式：

(8)

式中

(9)

(10)

式中ωh、ωl分別為數(shù)字帶通濾波器的上、下限截止角頻率，

ωh=2πΩhT=0.281π

(11)

ωl=2πΩlT=0.219π

(12)

利用式(8)的變換關(guān)系，可獲得最終數(shù)字帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：

(13)

數(shù)字濾波處理后的信號(hào)可初步描述回波的時(shí)域信息，但為了準(zhǔn)確獲取回波信號(hào)的時(shí)域特征值，提高缺陷檢測(cè)的精度，還需對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)提取。

3　超聲回波信號(hào)的包絡(luò)提取

用于高速機(jī)車車軸檢測(cè)的超聲回波特征主要包括：幅值、回波時(shí)間、能量等。將采取兩種方法對(duì)數(shù)字濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)處理，提取所需的回波信息。

3．1滑動(dòng)窗能量檢測(cè)法

當(dāng)信號(hào)能量大于噪聲時(shí)，可根據(jù)接收信號(hào)的能量顯著變化來(lái)判斷有用信號(hào)的到達(dá)，滑動(dòng)窗能量檢測(cè)法能夠很好的獲取回波信號(hào)的能量特征，并構(gòu)造信號(hào)的包絡(luò)[3]。

其原理是：設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)滑動(dòng)窗，窗寬度L為一個(gè)回波的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，窗體以固定步長(zhǎng)向后滑動(dòng)，并計(jì)算每一步窗體中的信號(hào)能量做為當(dāng)前的顯示變量，以第j個(gè)采樣點(diǎn)為起點(diǎn)的第n個(gè)滑動(dòng)窗中的能量En為：

(14)

式中x(i)為回波信號(hào)序列。

當(dāng)滑動(dòng)窗中沒(méi)有包含回波的時(shí)候，能量最小，當(dāng)滑動(dòng)窗向后滑動(dòng)并逐漸包含一個(gè)完整回波時(shí)，能量達(dá)到最大值。持續(xù)向后滑動(dòng)直到計(jì)算出所有時(shí)刻的能量數(shù)值，就可以提取出回波信號(hào)的能量包絡(luò)。

3．2希爾伯特(Hilbert)變換法[4-5]

希爾伯特變換是將一個(gè)實(shí)數(shù)信號(hào)變換為復(fù)數(shù)信號(hào)的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，對(duì)一個(gè)實(shí)信號(hào)xr(t)，它的傅里葉變換包含負(fù)的頻率成分，不利于信號(hào)分析，利用希爾伯特變換，可以得出相應(yīng)的解析信號(hào)xht(t)，使其僅含正頻率成分。

利用希爾伯特變換，還可以提取窄帶信號(hào)的包絡(luò)，而超聲回波信號(hào)f(t)正好具有這種窄帶信號(hào)的特征：

f(t)=a(t)x(t)=a(t)cos[ω0t+φ(t)]

(15)

式中：a(t)為一個(gè)低頻的幅值函數(shù)，其最高頻率ωh遠(yuǎn)小于探頭的固有頻率ω0；φ(t)為相位函數(shù)。

從信號(hào)分析的角度來(lái)看，超聲回波信號(hào)是對(duì)高頻載波信號(hào)的低頻調(diào)制，其中高頻信號(hào)x(t)為載波信號(hào)，緩慢變化的幅值函數(shù)a(t)為調(diào)幅信號(hào)，也就是超聲回波信號(hào)的包絡(luò)。

超聲回波信號(hào)f(t)的希爾伯特變換fht(t)為

(16)

(17)

式中：n為時(shí)域的離散采樣點(diǎn)數(shù)；ts為采樣時(shí)間間隔；fs為采樣頻率。

可得到f(t)的解析信號(hào)

g(t)=f(t)+jfht(t)

(18)

g(t)的幅度

(19)

即是回波信號(hào)f(t)的包絡(luò)，包含了回波的幅值、時(shí)間、衰減等重要信息。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用高速機(jī)車車軸探傷系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)車軸進(jìn)行探傷測(cè)試，實(shí)驗(yàn)車軸含有兩處人工缺陷，分別位于距端面35 mm與200 mm處，得到原始數(shù)字信號(hào)如圖2所示。

通過(guò)設(shè)計(jì)的數(shù)字帶通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，得到的波形如圖4所示。

圖4　數(shù)字帶通濾波后的信號(hào)

與圖2對(duì)比可以看出，原始數(shù)字信號(hào)中的高頻噪聲已經(jīng)基本消除，得到的信號(hào)清晰準(zhǔn)確，噪聲水平不超過(guò)滿量程的3%，濾波效果良好。

應(yīng)用滑動(dòng)窗能量檢測(cè)法對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取，得到的包絡(luò)波形如圖5所示：

圖5　滑動(dòng)窗能量法提取的包絡(luò)信號(hào)

如圖5，包絡(luò)波形很好的反映了回波信號(hào)的能量特征，并可根據(jù)時(shí)間間隔求出各個(gè)回波之間的聲程差，從而確定缺陷的具體位置。

其中S1為首波，S2與S3分別為對(duì)應(yīng)35mm與200 mm人工缺陷的缺陷波，S1與S2之間的時(shí)間間隔Δt1=1.166×10-5s，S1與S3之間的時(shí)間間隔Δt1=6.736×10-5s，根據(jù)材料聲速可以計(jì)算出缺陷1位于端面下方34.5 mm，與實(shí)際值35 mm相差0.5 mm；缺陷2與端面的距離為199.4 mm，與實(shí)際值200 mm相差0.6 mm，測(cè)量值基本與實(shí)際相符，誤差符合工程要求。

使用希爾伯特變換提取的包絡(luò)信號(hào)如圖6所示。

圖6　希爾伯特變換提取的包絡(luò)信號(hào)

從圖6可以看出，根據(jù)包絡(luò)信號(hào)可以直觀的獲得回波的幅值信息，通過(guò)計(jì)算聲程差得到：缺陷1位于端面下方34.8 mm，與實(shí)際值35 mm相差0.2 mm；缺陷2與端面距離為199.7 mm，與實(shí)際值200 mm相差0.3 mm，證明希爾伯特變換法提取的包絡(luò)信號(hào)具有很好的準(zhǔn)確性。

5　結(jié)束語(yǔ)

采用多種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)高速機(jī)車車軸的超聲回波信號(hào)進(jìn)行了完善的時(shí)域分析。針對(duì)車軸探傷中經(jīng)常出現(xiàn)的噪聲干擾采取了數(shù)字濾波處理，得到了良好的回波信號(hào)，將信噪比由22 dB提高到49 dB；采用2種方法提取回波包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了缺陷的準(zhǔn)確定位，相對(duì)誤差不超過(guò)1.4%.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以上數(shù)字信號(hào)處理方法精確度高，抗干擾能力好，適用于高速機(jī)車車軸探傷。

參考文獻(xiàn)：

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