紅外光測量漆包線漆膜連續性方案探討

周鵬毅，宋章明，黃英俊，陳東澤，賀慧勇

（長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南長沙，410114）

0 引言

隨著現代科學技術的發展和處理器運算速度的提高，互相關檢測技術在圖像匹配、微弱信號分析、管道泄漏、流量測量、速度測量等工程領域應用越來越廣泛。許多研究者討論了在不同領域內互相關檢測技術應用和算法優化問題，如：燃燒測試與控制領域[1,2]，工業故障診斷[3]，圖像測速[4,5]，噪聲分析[6]等方面。但是，國內外暫時沒有研究者將互相關技術應用于漆包線檢測領域。

首先分析互相關計算應用于漆包線檢測領域的理論依據。其次，從互相關應用角度考慮，計算窗口越小，越能反映信號局部特征，但由于窗口內數據太少，信號相似的可靠性降低，同時計算窗口的時間必須大于漆包線固定位置缺陷信號經過兩紅外對管所需的時間；相反，窗口太大，由于漆包線運動受外界干擾，采集到的信號中包含許多干擾信號，致使計算誤差偏大或偏小。在漆包線線速度恒定和已知的條件下，如何選擇合適互相關計算窗口大小，能在不同采樣率下識別出漆包線漆膜連續性缺陷，并滿足實時性要求成為了本文討論的核心。因此，在漆包線在線檢測模擬系統平臺上進行了實驗。

1 傳感器實驗裝置和測量原理

通過光信號檢測目標可以做到快速、準確、實時和非接觸的效果，且操作方便。光信號傳感器采用紅外對管，紅外對管包含了紅外發射管和紅外接收管。實驗裝置結構如圖1所示。實驗用紅外對管包含的紅外發射管和紅外接收管間距為3mm，紅外對管1和紅外對管2采用同型號產品。在采樣過程中，紅外對管1中的紅外發射管發出來紅外線被漆包線反射后，一部分紅外線被同組中的紅外接收管接收，后級電路將反射回來的紅外線強度轉換為0～5V的電壓信號，再由虛擬示波器INSTRUSTARISDS205B對信號進行采集，轉換成數字信號存儲在計算機中。紅外對管2同理。

在漆包線運動過程中，只要經過兩組紅外對管前方的漆包線漆膜連續性缺陷不發生太大偏移或偏轉，同時兩組紅外對管間隔距離L選取合適，則通過這兩組紅外對管的漆包線反射回來的紅外光信號 x (t)和 y (t)之間具有相似性，在時間上 y (t)比x(t)后移了渡越時間τ。而非漆膜連續性缺陷信號和噪聲的相關性比較弱。

圖1 實驗裝置結構

相似性的評價可以通過互相關函數來實現。在有限的積分時間T內，對于平穩的隨機信號 x (t)和 y (t)，其互相關函數可以表示為：

對具有較大相似性，存在一定時差的兩路信號計算互相關函數 Rxy(τ)，則互相關函數峰值所對應時間點τmax為兩路信號的時間間隔[7]。

式(1)的離散化形式為：

式(2)中，N表示累加平均的次數，k為延時序號。

對于離散數字信號互相關函數 Rxy(k)峰值所對應的延時序號 k'為延遲點數，根據采樣頻率 f和延遲點數 k'可以確定延時時間τmax。

2 信號處理過程

在傳感器距離和漆包線線速度都已知的前提下，對互相關計算延時結果的影響主要由系統采樣頻率和互相關計算窗口大小決定。根據奈奎斯特定理：采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。為了不丟失信號中包含的有用信息，系統采樣率應該足夠高；互相關計算窗口大小決定了計算區域內互相關計算的數據量，而數據量又決定了CPU計算時間。另外，也要求計算窗口內數據代表的時間必須大于兩路信號的渡越時間。下面數據處理過程中試驗數據來自漆包線在線檢測模擬系統平臺。電機為單項感應減速電動機，速度可調。漆包線直徑為Φ1.0。數據采樣率為50kHz，漆包線樣本長度為7.5m，靜止狀態下漆包線距離紅外對管4mm。

2.1 z-score標準化

由于安裝工藝的偏差、電子元器件的離散型等，導致漆包線在經過不同紅外對管時產生的幅度信號可能不同，為了保證互相關計算的可靠性，對采集的數據進行z-score標準化處理。

圖2 原信號

圖3 信號z-score標準化處理

在保證實時性的前提下，采用局部平均值對數據進行z-score標準化處理。即首先計算互相關計算窗口內數據的平均值和標準差，然后窗口內的每一個數據減去平均值再除以標準差，將其轉換成無量綱的純數值。計算表達式為：

其中，ix為計算窗口內的原始數據，μ為計算窗口內數據的均值，σ為計算窗口內數據的標準差。z-score標準化處理后的信號如圖2所示。根據式(3)得到的數據符合標準正態分布，即均值為0，標準差為1。

3 結果分析

對50k采樣率信號按整數因子抽取，采樣率轉換成10k和5k。按整數因子抽取降低采樣率處理滿足信號抽取后頻譜不產生混疊[8]。

調節漆包線線速度為24m/min，兩組紅外對管間距為5.3cm，因此漆包線上固定位置的缺陷信號經過兩紅外對管所需時間理論上為126.19±11ms（紅外發射管的散射角度為60°）。

采樣頻率是10k的情況下，對同一系列數據按照窗口大小分別為1024、2048、4096進行計算。圖4顯示了不同窗口下，5.7m處互相關計算的延時。由計算結果可以看出，當窗口大小是1024時，延遲點數無法準確計算；當窗口大小是2048時，計算出的延遲點數結果是1192，轉換為時間是119.2ms；當計算窗口大小是4096時，延遲點數結果是1194，轉換為時間是119.4ms。

圖4 10k采樣率對應的計算窗口延時

圖5 5k采樣率對應的計算窗口延時

采樣頻率是5k的情況下，對同一系列數據按照窗口大小分別為1024、2048、4096進行計算，圖5顯示了不同窗口大小下，5.7m處互相關計算的延時。由計算結果可以看出，當窗口大小是1024時，延遲點數結果是596，轉換為時間是119.2ms；當窗口大小是2048時，延遲點數結果是597，轉換為時間是119.4ms；當窗口大小是4096是，延遲點數結果是597，轉換為時間是119.4ms。

從圖4和圖5中可以看出，采樣率越高，計算窗口越大，信號的關聯越大。但是在速度和采樣率恒定的前提下，并不是計算窗口越大，計算結果越準確，過大的計算窗口會引入較大的誤差。計算窗口也不能過小，如圖4中窗口大小為1024時，無法準確計算出相關延遲點數。因此，在進行互相關算法運算時，互相關計算窗口大小應根據采樣率和實際需求來確定。

4 結束語

本文從漆包線漆膜連續性缺陷出發，介紹了紅外接收管采集漆包線漆膜連續性信號的實驗裝置和互相關檢測原理，對檢測到的數據進行z-score標準化處理后再進行互相關運算，保證互相關運算的可靠性。對比了在10k和5k采樣率下不同互相關計算窗口對計算結果的影響。在速度恒定的前提下，過大的計算窗口會引入較大的誤差，過小的計算窗口無法準確計算出相關延遲點數，互相關計算窗口大小應根據采樣率和實際需求來確定。因此采用紅外測量漆包線漆膜連續性具有可行性。

參考文獻

[1]程長建,黃晉,宋文立,等.光信號互相關法測量循環流化床內顆粒速度的應用研究:中國顆粒學會2004年年會暨海峽兩岸顆粒技術研討會會議, 中國山東煙臺, 2004[C].

[2]周潔, 袁鎮福, 岑可法, 等. 光信號互相關測量兩相流中顆粒流動速度的研究[J]. 中國電機工程學報, 2003(01):186-189.

[3]馬增強,谷朝健,王夢奇.基于互相關檢測的滾動軸承實時故障診斷方法[J].振動.測試與診斷, 2017(04):787-792.

[4]陳維真,陳標,張春華,等.基于自適應窗口選擇PIV技術的序列星圖運動估計方法[J].光學精密工程,2008(07):1279-1284.

[5]康海貴,王平讓.孫鶴泉.互相關技術在海洋工程中的應用研究[J].海洋技術.,2003(04):58-61.

[6]D’Arco M, De Vito L. A Novel Method for Phase Noise Measurement Based on Cyclic Complementary Autocorrelation[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement:1-8.

[7]韓亞秋.基于ARM的互相關紅外測速系統研究[D].南京理工大學, 2017.

[8]高西全.數字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.