電磁超聲導波信號采集分析系統的設計與實現

2018-12-20 08:40:56孫晨光王明明孫曉云

中國礦業 2018年12期

孫晨光，王明明,孫曉云

(1.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北石家莊 050043； 2.石家莊市軌道交通有限責任公司，河北石家莊 050000)

錨桿是各種礦山、公路、鐵路以及其他地下工程(隧道、洞室等)及邊坡護理的重要手段。近年來,應用于邊坡、隧道、礦洞、壩體的錨桿常被用于主體加固支護。但由于材料、施工、地質條件等因素的影響，錨固結構系統在施工和使用過程中必然存在許多缺陷。電磁超聲導波技術是最近興起的無損檢測技術，該方法具有長距離檢測，檢測方式簡單，檢測精度高，且不需要預先對被檢測物進行表面處理，能檢測帶包裹層以及埋地結構中試件等特點，因此該方法可以應用到長部件檢測中，以解決傳統檢測方法無法檢測長部件的問題[1-4]。

但是，由于電磁超聲換能器(EMAT)換能效率低，回波幅值很小，一般為微伏級別。同時，激勵產生的電磁干擾易通過空氣耦合進入電磁超聲接收電路，導致系統存在嚴重的噪聲，使得接收到的信號被淹沒在噪聲信號中，嚴重影響接收系統的可靠性。因此，采集分析系統應該具備在強噪聲條件下的信號檢測能力。

文獻[5]針對電磁超聲檢測電磁干擾強這一問題，設計了消除電磁干擾的硬件電路，在工況下進行測試，結果表明該電路能夠實現共模噪聲的有效消除。文獻[6]為了改善接收信號質量,采用了基于諧振理論的選頻放大技術、基于互相關理論的鎖相放大技術以及平均技術3種方法對電磁超聲接收信號進行處理，實驗表明能將微弱的電磁超聲接收信號從強噪聲背景中分離,而平均技術則能夠有效改善接收信號的信噪比。文獻[7]利用硬件電路對回波信號進行多級放大衰減和濾波以去除噪聲，再用軟件進行濾波和去噪，提高了信噪比和分辨率。

針對錨桿檢測中導波的特性及上述文獻出現的測量準確度問題，本文提出了一種電磁超聲導波信號采集分析系統。利用硬件電路和軟件信號處理對噪聲進行抑制和消除。本文設計的采集分析系統硬件部分包括信號調理電路和信號采集電路，最后對整個電路采用殼體屏蔽的方式用鋁殼進行封裝。軟件部分使用LabVIEW和MATLAB混合編程的方法，將基于變分模態分解(VMD)的希特波特(Hilbert)變換算法導入LabVIEW中進行使用。

1 信號采集硬件電路的設計

1.1 采集系統整體設計

磁致伸縮導波信號采集分析系統以STM32F103ZE為MCU， AD7606 為專用信號采集模塊，結合USB通信，實現對電壓信號的采集和傳輸。工作原理為：由磁致伸縮接收換能器采集磁致伸縮導波信號，經信號調理電路后，通過AD7606將模擬信號轉換為數字信號，在 STM 32 微處理器的控制下進行信號接收和通信等，并結合變分模態分解(VMD)的希爾伯特變換(Hilbert)方法在PC上對信號進行分析處理。系統整體設計圖見圖1。

圖1 系統整體設計

信號采集模塊主要采集信號參數，A/D轉換后傳輸至STM 32微控制器，對接收的數據進行計算打包后，USB傳輸至 PC。系統分析模塊主要接收信號采集模塊發送的數據，并由PC顯示測量結果，利用基于VMD的Hilbert變換方法進行分析處理。

1.2 信號調理設計

信號調理電路見圖2。在該電路的輸入端，加入了限幅電路。該電路由兩個一對二極管 D1、D2 反向并聯組成。當檢測信號經過限幅電路時不會有明顯的衰減，而發射電路的高壓電磁干擾會被二極管直接短接，有效地保證了接收電路的安全性。

第一級放大使用三極管作為輸入器件，以集成運放作為第二級放大，輸出加以高通濾波，同時配以電阻和電容實現外圍補充，使得通頻帶內增益的性穩定和輸入阻抗都較高，而輸出阻抗較低；使用三極管結構替代一般的集成運放，使得電路結構簡單，成本低；采用濾波電阻R6和濾波電容C3等并聯接入第二級級聯的放大器的正向端與地之間，進一步除去干擾信號，使濾波效果更理想；電阻R5與C1串聯接電阻R1的連接關系，可提高級聯放大器的相位裕度、展寬頻帶，從而可實現寬帶寬的穩定放大增益。在集成運放芯片電源處加C11、C12起到去耦的作用。

1.3 信號采集設計

信號采集具體過程：經信號調理電路處理后的電壓信號傳輸至AD7606進行A /D轉換，并傳輸至STM32F103ZE微控制器。STM32F103ZE對接收到的數據進行計算打包，通過USB將數據傳輸給 PC。信號采集模塊連接示意見圖3。

采集電路模塊以STM32F103ZE作為控制和處理核心，以AD7606為模/數轉換芯片。基于磁致伸縮效應的電壓回波信號其頻率主要為30～150 kHz，且信號較為微弱，故需要一款低噪聲、采樣率較高的數據采集芯片，由香農采樣定理計算，AD7606的200 kHz采樣頻率完全滿足本設計的需求，且有8個通道，可對多個信號進行實時采集，即可對多個錨桿進行同時采集，并且其電路組成簡單、價格便宜，可以很好的配合STM32系列芯片，非常適合。AD7606采用5 V單電源供電，不再需要正負雙電源，并支持真正±10 V或±5 V的雙極性信號輸入。

采集模塊與分析模塊數據之間采用基于高速USB通信模塊來實現的。錨桿檢測信息的實時數據保存，存入上位機軟件，需將采集卡采集到的數據傳入上位機軟件，但由于采樣率為200 kHz，一般USB傳輸電路難以達到預期要求，故需要接入高速USB電路，本設計采用較為常見的芯片FT2232HL，此芯片的波特率能到達10 Mbps，但由于STM32的串口最大波特率為4.5 Mbps，故采集電路能實現4.5 Mbps的數據實時數據上傳，完全滿足采集到的信號上傳需求。

圖2 信號調理電路原理圖

圖3 信號采集模塊連接圖

2 信號分析軟件的設計

2.1 VMD算法

為了克服電磁超聲導波存在的模態混疊，分解誤差較大的問題，本文采用變分模態分解(VMD)的方法。VMD的是一個信號分解的方法，與其他的信號分解不同之處體現在中心頻率和帶寬的求解中。該方法不需要對數據進行線性平穩化處理，而是可以自適應的將信號分解，分解后的信號都有一個中心頻率，再根據尋優確定每一個的帶寬[8-11]。

求解過程如下所述。

首先，對每個本征函數進行Hilbert變換，得到每個IMF的解析信號及其單邊頻譜，見式(1)。

(1)

通過加入中心頻率e-jωkt，從而對每一個本征函數進行調制，見式(2)。

(2)

計算上述每個解調信號梯度的平方范數，從而估計出每一個本征函數的帶寬。相對應分的變分模型見式(3)。

(3)

為求取約束變分模型的最優解，VMD通過引入二次懲罰因子a和Lagrange算子λ(t),將待求解的約束性變分問題轉變為非約束性變分問題，其中二次懲罰因子a可保證信號的重構精度，Lagrange算子λ(t)可加強約束，擴展的Lagrange表達式見式(4)。

L=μk(t),ωkt,λ(t)=

(4)

(5)

將上式利用傅里葉變換，把時域變成頻域，用ω-ωk代替ω,則優化問題的解見式(6)。

k∈{1,2,…,k}

(6)

依據相同的過程，則中心頻率更新方式見式(7)。

(7)

2.2 Hilbert算法

Hilbert變換，簡單來說就是一個九十度移相器。

u(t)=a(t)cos[θ(t)]+ia(t)sin[θ(t)]=a(t)eiθ(t)

(8)

這樣一來，信號x(t)的瞬時包絡a(t)、相位φ(t)和頻率ω(t)可以表示為式(9)～(11)。

(9)

2.3 系統上位機設計

為了能夠更加方便地實現人機交互，本文利用 LabVIEW 編程簡單方便、界面形象直觀、具有強大的數據可視化分析與處理等特點(其原理如圖5所示)，設計了如圖6所示的智能錨桿采集系統的主界面。通過它可以讓用戶更加直觀地完成磁致伸縮信號的采集、顯示、分析與處理。

LabVIEW提供了MATLAB Script節點,通過該節點可以直接調用MATLAB應用程序。圖7為LabVIEW程序框圖。該程序將信號分成五個分量，將后三個進行重組顯示，如圖7所示。圖8左側為原始信號，中間為VMD去噪后波形，右側為去噪變換后的信號，明顯可以看出首波位置更加明顯，且信號信噪比增強。

圖4 VMD算法流程圖

圖5 原理流程圖

3 實驗信號分析

本文采用一激一發的原理來進行實驗，實驗模型如圖9所示。激勵信號為30 kHz脈沖信號，被測物為3 m長的裸錨桿，激勵換能器距離右端面60 cm，即A點；接收換能器距離右端面125 cm，即B點；在距離左端面60 cm處鋸開一個深度為8 mm的口作為缺陷。缺陷信號和端面信號不同，端面信號是一個斷面很容易的將信號都反射回來，而缺陷就是一個沒有截斷的口，只會有一部分的信號反射回來，大部分信號都會繼續向前傳遞直到信號遇到端面反射回來。接收波形圖見圖10。