漏磁檢測自動化系統的研究與開發

章合滛，薛建彬，方燦娟

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京210016）

0 引言

漏磁無損檢測速度快，檢出率高，操作簡單，不需要對試件進行打磨、清洗和除銹，可在復雜的環境下進行測量，因而在無損檢測領域得到了廣泛的應用［1］。其檢測原理為：鐵磁性材料，在磁化裝置的磁化下，假如沒有缺陷，則磁感應矢量絕大部分被束縛于材料內，如果有缺陷，磁力線將發生彎曲，使得部分磁感應矢量漏出壁外，此時利用探頭對表面的漏磁場進行拾取，把漏磁場轉換成探頭線圈的感應電壓，經過進一步分析和處理，就可確定是否存在缺陷，以及缺陷的具體信息［2-3］。

DSP處理器以其強大的功能、靈活性和高性價比等優勢，成為信號處理領域的研究熱點。不斷推出的新產品更加推動了DSP的應用研究，基于DSP的壓縮、識別、增強和去噪等技術得到了突飛猛進的發展［4］。小波分析作為數字信號處理領域的先進技術被廣泛應用于各個領域，特別是針對非平穩的強噪聲信號的分析與處理更顯示出良好的性能［5］。在此，利用DSP技術和小波技術，研究與開發了漏磁檢測系統的關鍵模塊，對該領域的研究具有較好的參考價值。

1 被測件柔性磁化的實現

在漏磁檢測中，首先要對被測材料進行磁化，它決定著被測量對象能否產生出足夠的可被測量和可被分辨的磁場信號，同時也影響著檢測信號的性能特征。一般要求以足夠強的磁場進行勵磁以獲得磁敏感應器件可以測量的磁場。因此，提出柔性磁化單元概念，此單元能實現對不同尺寸、材料參數的被測件進行不同強度的磁化。該漏磁檢測系統采用直流磁化的方式對被測件進行磁化，直流磁化方式控制簡單，容易退磁。相比于單線圈對試件進行磁化，雙線圈開路磁化方式其結構上采用了2個磁化線圈，在2個磁化線圈中通入方向相同大小一致的直流電對被測件進行磁化，磁化和檢測效果好。檢測模型如圖1所示。

圖1 漏磁檢測模型

直流磁化方法中磁化強度可通過控制電流的大小進行調節，而電流的大小可通過PWM波進行調制。TMS320F2812芯片的事件管理器可以方便地實現PWM波調制，實現原理如圖2所示。為產生一個PWM信號，定時器需要重復按照PWM周期進行計數。比較寄存器用于保持調制值，比較寄存器中的值一直與定時器計數器的值相比較，當2個值匹配時，PWM輸出就會發生跳變。當2個值產生第2次匹配或1個定時器周期結束時，就會產生第2次輸出跳變。通過這種方式就會產生1個周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復完成計數、匹配輸出的過程中，就產生了PWM信號。輸出的PWM信號可能會比較小，以至于無法得到足夠的可被測量和可被分辨的磁場信號，所以TMS320F2812芯片的PWM信號輸出后，首先經過放大環節再通到磁化線圈。1個比較單元可以產生1對互補的PWM信號輸出，2個磁化線圈分別接收這對經過放大作用后的大小一致的直流電。改變PWM的占空比即可改變直流電流大小，比較寄存器在執行每個PWM周期過程中可以重新寫入新的比較值，可以通過改變比較寄存器的值進行PWM波占空比的調節，從而實現被測件的柔性磁化。

圖2 柔性磁化原理

2 漏磁信號小波去噪模塊

2．1 小波理論基礎

小波變換是一種信號的時域-頻域分析方法，具有良好的時域、頻域局部化特性。在低頻時小波變換的時間分辨率較差，而頻率分辨率較高；在高頻時時間分辨率較高，而頻率分辨率較低，這正符合了低頻信號變換緩慢而高頻信號變化迅速的特點［6］。

設ψ（t）∈L2（R）（L2（R）表示平方可積的實數空間，即能量有限的信號空間），其傅里葉變換為＾ψ（ω）。當＾ψ（ω）滿足允許條件：

則稱ψ（t）為一個基本小波或母小波。將母函數ψ（t）經伸縮和平移后，就可以得到一個小波序列。

對于連續的情況，小波序列為：

a為伸縮因子；b為平移因子。

對于離散的情況，小波序列為：

在實際小波技術的應用中，尤其在計算機上的實現，連續小波必須加以離散化處理。這一離散化是針對連續的尺度參數和平移參數的，而不是針對時間變量的。

2．2 小波去噪應用效果驗證

在采集、轉換和傳輸漏磁信號的過程中，會不可避免地引入噪聲，這樣就會導致漏磁信號失真，如果不進行后期去噪處理，將嚴重影響缺陷的判斷。漏磁信號混雜的噪聲基本屬于高頻部分，小波去噪技術適用于漏磁信號的去噪應用。采用一維平穩小波去噪，具體去噪過程為：

a．首先對一維信號的小波進行分解，選擇1個小波基并確定小波分解的層數，對信號進行N層小波分解。

b．小波分解高頻系數的閾值量化。對第1層到第N層的每一層高頻系數，分別選擇1個閾值進行閾值量化處理。

c．一維小波的重構，根據小波分解的第N層的低頻系數，以及經過閾值量化處理的高頻系數進行小波重構。

仿真選取sym4作為小波基，進行5層小波分解，采用硬閥值函數對小波系數進行處理。圖3為含噪的原始漏磁信號，圖4為去噪后的信號，圖5為殘差信號，可以看出，小波去噪效果良好。

圖3 含噪的原始漏磁信號

圖4 去噪后的信號

圖5 殘差信號

2．3 漏磁信號小波去噪在TMS320F2812芯片的算法實現

漏磁信號小波去噪算法在TMS320F2812芯片的實現分為2個部分，一是系統的主函數，主要完成DSP以及外設的初始化工作；二是DSP／BIOS控制模塊，DSP／BIOS是一種嵌入式實時操作系統，數字信號算法只需以線程的身份嵌入到系統，在DSP／BIOS中預先定義各種對象模型和控制邏輯，在SWI線程中調用小波去噪算法對漏磁信號進行去噪。系統啟動時，首先執行主函數，完成設備的初始化和參數配置工作后，把控制權轉交給DSP／BIOS，預先定義的控制邏輯開始運行，完成承擔的具體任務，并協調各種事件和中斷。其中，小波去噪算法在SWI線程里實現，具體的實現流程如圖6所示。

圖6 基于DSP的小波去噪系統流程

磁敏傳感器得到的漏磁場信號經放大濾波后，可由TMS320F2812芯片的ADC模塊轉換成數字信號供DSP芯片處理。TMS320F2812芯片的ADC模塊有16個通道，可配置成2個獨立的8通道模塊，每個模塊可以通過多路選擇器選擇8個通道中的任何一個通道，如果通道不夠，還可進行外部ADC擴展。當主函數將控制權轉交給DSP／BIOS后，CPU一直查詢ADC模塊的狀態寄存器，檢測ADC模塊是否開始工作。若檢測到ADC模塊開始模數轉換，則產生中斷，向CPU發送中斷請求。CPU利用DSP／BIOS的HWI線程響應中斷請求，在HWI程序中首先重新設置ADC，以進行下一步的數據轉換。同時，利用SWI對象產生中斷，在CPU接收中斷請求后，開始讀取ADC存放轉換數據的寄存器，并調用小波去噪算法子程序處理數據。數據經過中斷子程序處理后，返回的去噪數據等待下一步的缺陷判斷處理。

由于小波去噪的數據處理可能會占用較多的CPU時間周期，因此，為了保證ADC模塊和傳輸通道的正常工作，在HWI響應程序中首先清除ADC模塊的狀態寄存器，然后才啟動數據處理線程SWI，此時由于 HWI沒有執行完，較低優先級的SWI并不會執行，處于等待狀態。等HWI執行完后，SWI開始執行，數據處理程序被調用，同時，ADC模塊正在采集轉換下一幀數據，這種數據采集與處理過程并行的方式，提高了系統的實時性和執行效率。

3 漏磁信號數據壓縮模塊

理論上，要得到被測件精確的漏磁檢測結果，勢必得增加磁敏傳感器數量，以達到高覆蓋率的檢測要求。然而，磁敏傳感器增加的同時也增加了需要處理的數據規模，從而增加了CPU的負擔，所以對漏磁場信號進行壓縮也就顯得很有必要。而且，漏磁信號要快速傳輸與儲存，也需要對信號進行壓縮。在同等的通信容量下，漏磁信號的壓縮可以增加通信能力。相比一些數據壓縮技術，基于小波的數據壓縮可以在同樣的逼近程度或者信號保真度的情況下，獲得最佳的壓縮比。而且在不同的壓縮比下，保證原始信號的最佳逼近，顯著特征失真最小。本漏磁檢測系統利用小波技術對數據進行壓縮，數據壓縮的步驟為：

a．對信號進行小波分解后，對分解的高頻系數進行閾值量化處理。

b．對第1層到第N層的高頻系數，可選擇不同的閾值，并且用硬閾值進行系數的量化，去除信號中的冗余信息。

c．對量化后的系數進行小波重構。

和小波去噪的過程相比，只是在第2步上有區別。如圖7所示，利用Matlab對基于小波技術的數據壓縮進行效果仿真驗證。其中，使用db3小波基，信號為截取的一段電信號，使用函數wdcbm獲取信號的壓縮閾值，采用函數wdencmp實現信號的壓縮。由圖7可以看出，在保證原始信號的顯著特征情況下，信號得到了壓縮，如此將減小CPU的負擔，提高通信能力。

在壓縮算法的實現上，TMS320F2812的擴展單元SDRAM1用來存儲壓縮前的數據，SDRAM2用來存儲壓縮后的數據，而Flash中固化有小波壓縮算法程序。DSP／BIOS得到控制權后，首先完成漏磁信號數據的小波去噪，然后調用Flash的小波壓縮程序，完成數據壓縮后將數據傳輸到SDRAM2，等待下一步的處理。

圖7 原始信號和壓縮信號對比

4 外設通信模塊

在漏磁檢測系統中，DSP芯片需要與外設共享數據，外部處理器能對DSP的存儲器資源進行訪問，并能實現一定的外部控制。TMS320F2812芯片擁有外部擴展接口XINTF，XINTF能配置成各種參數，與眾多不同的外部擴展設備無縫連接。該接口有數據、地址和控制指令3個傳輸通道，可以完成外部設備與DSP的信息交流。DSP處理完的漏磁信號數據需要傳輸到外設，進行顯示、打印等操作，利用DSP的指令可以完成數據的傳輸，但是實時檢測時傳輸的數據規模大，因此，通過DSP指令進行數據傳輸會占用大量的CPU資源。本漏磁檢測系統采用DMA傳輸方式，完成主機與DSP的數據傳輸，從而降低CPU的負擔。TMS320F2812芯片的外部接口XINTF支持外部程序／數據存儲器的DMA傳輸，由XHOLD和XHOLDA信號控制完成。復位時，使能 HOLD模式，允許使用XHOLD請求從外部存儲器引導加載程序。當檢測到XHOLD有效時，可以通過HOLD模式位使能自動產生XHOLDA信號，允許外部總線的訪問，同時在HOLD模式下，CPU可以繼續執行片上存儲器的程序，提高了檢測系統的工作效率。

5 缺陷標記模塊

經過漏磁檢測的被測體，如果沒有對缺陷進行標記，雖然通過系統報警可以發現缺陷的存在，但是在后續觀察中難以找到缺陷的位置從而分析缺陷產生的原因。設計缺陷標記模塊時，本可以在檢測裝置發現缺陷時產生DSP中斷而立即進行缺陷標記，但是由于被測件輸送裝置是處于一直運動狀態，而從發現缺陷到標記有一定的時間間隔，故不能準確標記缺陷。同時缺陷標記裝置如果安裝在檢測裝置里，則增大檢測裝置結構復雜性。本檢測系統在檢測裝置外安裝缺陷標記裝置，通過位置傳感器和DSP的簡單計算來實現標記功能。在漏磁檢測裝置入口和出口各安裝1個位置傳感器，并輸出到DSP的通用I／O接口，此I／O接口一直讀取位置傳感器的輸出。當被測件開始進入檢測裝置時，指定I／O接口讀取到入口處的傳感器輸出狀態變化，此時啟動TMS320F2812芯片計時器開始計時，在檢測過程中當發現缺陷時，DSP程序讀取計時器值，同時可進行報警等操作。假設被測件是以恒定速度前進，則缺陷位置即為計時器的時間值與前進速度的乘積。當被測件全部完成漏磁檢測時，得到的缺陷位置信息輸出到標記裝置，進行缺陷位置標記。而指定I／O接口讀取到出口處的傳感器輸出狀態變化時，通過預設程序使得計時器重新開始計時。

6 結束語

利用DSP技術和小波技術，構建了一套適合鐵磁性材料的漏磁檢測系統，針對不同材料、尺寸的被測件需要不同的磁化強度，提出了基于DSP事件管理器PWM信號輸出的方法，來實現被測件的柔性磁化。去噪是漏磁信號處理時關鍵的一環，檢測系統利用小波技術對漏磁信號進行去噪，并研究了在TMS320F2812芯片的算法實現。傳感器增加帶來的更多數據處理會增加CPU的負擔，基于小波變換的數據壓縮技術減小了DSP的運算量。同時構建了DSP與外圍設備信息交流通道，實現外界與DSP芯片的資源共享。最后，設計了缺陷標記模塊，完善了漏磁檢測系統的結構。所構建的漏磁檢測系統，對漏磁檢測領域的研究具有較好的參考價值。

［1］ 李路明，楊海青，黃松嶺，等．便攜式管道漏磁檢測系統［J］．無損檢測，2003，25（4）：181-183．

［2］ 林俊明．漏磁檢測技術及發展現狀研究［J］．無損探傷，2006，30（1）：1-5

［3］ 丁戰武，何仁洋，劉 忠．管道漏磁檢測缺陷信號的仿真分析與量化模型［J］．無損檢測，2013，35（3）：30-33．

［4］ 董光波，謝桂海，孫增圻．基于DSP和小波分析技術的實時噪聲消除系統［J］．計算機工程，2006，32（4）：247-249．

［5］ 嚴居斌，劉曉川，張 斌．基于DSP的小波算法的實現［J］．四川大學學報：工程科學版，2002，34（2）：92-95．

［6］ 王賢琴，阮江軍，杜志葉．小波分析與漏磁檢測信號處理［J］．無損檢測，2005，27（9）：482-484．