【正文】 號幅值之積，其信噪比得到提高，有利于漏磁檢測。 如圖 ，縱坐標(biāo)為信號幅值單位毫米。 xlable(“時間 ”)。 plot(real(xsig))。 xn=xs1+xn1+xs2+xn2。 Matlab仿真核心語句為 figure。隨機(jī)噪聲使用 Matlab中的 randn函數(shù)實(shí) 現(xiàn)。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 )()s in ()()()( 22 tntAtntstx ????? ?? () )()s in ()()()( 11 tntAtntsty ????? ?? () 其中 ? 為時間間隔，由編碼器脈沖信號確定。 使用 matlab軟件驗(yàn)證上面的理論推斷。假定（這也符合實(shí)際情況），若 )(1tn 、 )(2tn 、 )(ts 互相獨(dú)立，則式 ()后三項(xiàng)均為零。 互 相 關(guān)++)(ty )(tx )(?xyR)(ts)(1 tn)(ts )(2 tn++ 圖 互相關(guān)原理 兩 個傳感器的輸出信號分別為 )()()( 11 tntsKtx ?? )()()( 22 tntsKty ?? )(1tn 、 )(2tn 分別表示干擾噪聲。其本質(zhì)上是：利用兩個配置在不同位置的傳感器測量同一信號源的信號，利用有用信號與噪聲相互獨(dú)立的特點(diǎn)可將信號從噪聲中提取出來。 相關(guān)分 析在漏磁檢測中的應(yīng)用 考慮到漏磁信號本身非常微弱而環(huán)境噪聲異常復(fù)雜，因此在設(shè)計中采用互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行信號檢測，利用此方法可在信號頻率未知的條件下有效提高對信號的檢測能力。 目前的許多研究和應(yīng)用領(lǐng)域中，都涉及到微弱信號的精密測量。 （ 2）數(shù)字累加方式 數(shù)字累加是將式（ ） ~（ ）離散化后的直接結(jié)果。因?yàn)榉e分時間有限，所以估計值結(jié)果會有偏差。但是在實(shí)際應(yīng)用中不可能滿足這一點(diǎn)。計算方法分別如下。 （ 2） ? 趨于無窮大時，互相關(guān)函數(shù)可以寫成 )(tx 和 )(ty 均值的乘積，即 yxxyR ????)( () （ 3） 互相關(guān)函數(shù)的上界由下式確定 )0()0()( yxxy RRR ?? () （ 4） 對于平穩(wěn)隨機(jī)噪聲， )(?xyR 僅與時間差 ? 有關(guān)，與計算時間的起點(diǎn)無關(guān)。令 tt?1 、???tt2 ，則 ),(),( 21 ??? ttRttR xyxy ，簡記為 (?xyR ，即 )]()([)( ?? ?? tYtXER xy () 若 )(tx 、 )(ty 同時又是各態(tài)遍歷的，則可以用時間平均來計算式 ()，這時互相關(guān)函數(shù)可以表示為 ???? ?? TTTxy dttytxTR )]()([21)( l i m ?? () 互相關(guān)函數(shù)具有以下特點(diǎn) 。 (4) 隨機(jī)信號的自相關(guān)函數(shù)具有隨 ||? 值的增大而遞減的特性。 (2) 周期信號的自相關(guān)函數(shù)是一個與原信號周期相同，相位不同的周期信號 。令 tt?1 、???tt2 ， ),(),( 21 ??? ttRttR xx ，簡記為 )(?xR ，即 )]()([)( ?? ?? tXtXER x () 用時間平均來計算式 ()，自相關(guān)函數(shù)可以表示為 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ???? ?? TTTx dttxtxTR )]()([21)( lim ?? () 自相關(guān)函數(shù)具有以下重要特點(diǎn)。對于大型工業(yè)系統(tǒng)其動態(tài)性的確定，往往無法直接測量，并且在操作現(xiàn)場噪聲干擾強(qiáng)，利用互相關(guān)分析可較大程度的解決這一問題。 （ 4）距離測量 如果某種對象的運(yùn)動速度已知，那么測出它在兩點(diǎn)之間的渡越時間，就可以計算出這兩點(diǎn)之間的距離。這種方法常用于常規(guī)檢測儀器難于應(yīng)用的檢測對象。利用這一特性，可以由互相關(guān)函數(shù)最大值位置測量出延時值的大小。在不同時刻檢測的信號，其噪聲隨機(jī)性強(qiáng)，利用相關(guān)函數(shù)可有效出去噪聲，提高信號信噪比，由此可將確定信號和干擾噪聲區(qū)別開。 相 關(guān)檢測的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。 相關(guān)分析理論與算法 a. 相關(guān)分析概述 相關(guān)技術(shù)的方法和理論在信號和系統(tǒng)分析中占有重要的位置。 c. 等空間采樣的實(shí)現(xiàn) 編碼器滾輪和鋼絲繩做純滾動，在每一個鋼絲繩的等空間位移處， CPU根據(jù)編碼器脈沖信號確定采樣時刻并發(fā)出觸發(fā)信號，在觸發(fā)信號控制下系統(tǒng)讀取 I/O狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)等空間采樣。位置編碼器的采樣間距 S? 的大小由導(dǎo)輪直徑 D和光柵的數(shù)目 N決定，其關(guān)系式為 。如果采樣間距選擇過大，缺陷信號可能被漏檢；如果采樣間距選擇過小，由圖 對應(yīng)曲線可知，檢測的數(shù)據(jù)將急劇增加，處理速度減慢。 b．等空間采樣間距的選擇 在鋼絲繩檢測中，采樣間距 S? 直接決定著采樣中的數(shù)據(jù)量，影響著鋼絲繩檢測的精度。這一方法的實(shí)現(xiàn)過程如圖 所示。通過這一脈沖控制 A/D 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)漏磁信號按照空間位置的采樣。在漏磁信號檢測過程中，檢測探頭相對于鋼絲繩運(yùn)動完成空間檢測，即完成 對被測鋼絲繩的漏磁場檢測；同時發(fā)出等空間脈沖信號；在脈沖信號的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這樣就完成了空間域離散信號轉(zhuǎn)換為時間域離散信號的工作。但是通常在時域中對信號進(jìn)行分析處理，因此設(shè)計中采用傳感器件將空間域信號轉(zhuǎn)換成時域電信號，獲得與檢測相關(guān)的特征信號 [18]。所以在檢測過程中，需要取得被測鋼絲繩受損位置的空間信息。 表 窗函數(shù)的性能對比 窗函數(shù) 主瓣寬度 旁瓣峰值衰減 (dB) 阻帶最小衰減 (dB) 矩 形 4π/N 13 21 漢 寧 8π/N 31 44 漢 明 8π/N 41 53 布萊克曼 12π/N 57 74 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 經(jīng)過測試，本設(shè)計選用矩形窗以獲得最佳的濾波效果和最低的邏輯門使用量。 () 在相同條件下，這里假設(shè) N=51， ??? ，不同窗函數(shù)的低通濾波特性如圖 所示 圖 a)矩形窗 b）漢寧窗 c）漢明窗 d）布萊克曼窗 由圖可知矩形窗設(shè)計的過渡帶最窄，但阻帶最小衰減也最差，僅 21dB；布萊克曼窗設(shè)計的阻帶最小衰減最好，達(dá) 74dB，但過渡帶最寬，約為矩形窗設(shè)計的三倍。 () (3) 漢明窗 ：長度為 N 的漢明窗定義為 2[ ] 0 .5 4 0 .4 6 c o s 1nWn N??? ?， ( ( 1) /nN?? )。 (1) 矩形窗 ： N 項(xiàng)矩形窗為 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 [ ] 1Wn? ( 1) / 2nN?? ，其他處為零。 b. 窗函數(shù) 窗函數(shù)的作用是從理想沖激響應(yīng) ()dhn中的無限個采樣點(diǎn)中選取有限個采樣點(diǎn)，這個重要的步驟使沖激響應(yīng)的采樣值可實(shí)現(xiàn)為一個實(shí)際濾波器。使用窗函數(shù)就可構(gòu)建滿足使用要求的 FIR濾波器。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置好10( ) ( )Nj j ndnH e h n e??? ??? ?函數(shù)的長度，即可基本實(shí)現(xiàn)其濾波功能。因此為實(shí)現(xiàn) FIR濾波器的功能，只能盡量近似的逼近其原始值。 njnn djd enheH ?? ???????? )()( () 使用 傅里葉反變換可求得理想的單位沖激響應(yīng) ()dhn。因此設(shè)計中選用 FIR濾波器。 FIR濾波器 是在數(shù)字信號處理中經(jīng)常使用的兩種基本的濾波器之一。放大電路選用集成運(yùn)放 LM358差動輸入方式，模擬濾波電路采用帶通濾波方式。 傳 感 器漏 磁 信 號傳 感 器漏 磁 信 號傳 感 器漏 磁 信 號編 碼 器 信 號放 大 濾 波放 大 濾 波放 大 濾 波A / D 轉(zhuǎn) 換A / D 轉(zhuǎn) 換A / D 轉(zhuǎn) 換F I R濾 波A R M存 儲顯 示 L C D 圖 信號處理流程框圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 漏磁場信號微弱且淹沒于強(qiáng)噪聲中，因此必須對其進(jìn)行放大濾波后才能進(jìn)行提取。為了能夠獲取較理想的漏磁信號，設(shè) 計中采用多路檢測探頭采集信號。 CPU報警存儲顯示按鍵復(fù)位采集信息西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 A R M 核 心 軟 件 模 塊A / D 軟 件 模 塊人 機(jī) 互 動 軟 件 模 塊（ L C D 顯 示 、 鍵 盤接 口 ）存 儲 軟 件 模 塊報 警 輸 出數(shù) 據(jù)調(diào) 度 圖 軟件設(shè)計方案 漏磁信號 處 理 信號處理流程 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)信號處理的基本流程是采集已磁化鋼絲繩的漏磁信號，對采集信號進(jìn)行放大濾波，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供 ARM使用，通過 FIR數(shù)字濾波后進(jìn)行相關(guān)處理，對處理結(jié)果進(jìn)行分析判決，從而判斷出鋼絲繩是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。包括A/D轉(zhuǎn)換軟件模塊、存儲軟件模塊、人機(jī)互動軟件模塊、數(shù)據(jù)調(diào)度軟件模塊以及ARM核心軟件模塊。同時為完成這些功能間數(shù)據(jù)的調(diào)度，避免訪問沖突，還應(yīng)設(shè)計數(shù)據(jù)調(diào)度軟件程序。 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在線無損檢測，并判斷鋼絲繩的損壞程度，同 時可將檢測數(shù)據(jù)顯示出來，根據(jù)用戶需要可將數(shù)據(jù)保存或傳輸，另外還應(yīng)使系統(tǒng)能夠完成多種類型鋼絲繩測試，這就要求用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，因此需要有人機(jī)互動接口。 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案框圖 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件設(shè)計是 基于 ADS軟核處理器開發(fā)，使用 C語言實(shí)現(xiàn)。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 系統(tǒng)硬件是鋼絲繩無損 檢測系統(tǒng)的執(zhí)行控制核心，其所有功能諸如對采集時間的控制、運(yùn)算分析、信號存儲、時間調(diào)度等均是以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 整個硬件系統(tǒng)可分為三大部分：檢測探頭單元，信號采集轉(zhuǎn)換單元，基于ARM 的數(shù)據(jù)處理及控制單元。 e. 光電編碼器 它是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，其作用是控制采樣時間和間隔。 d. 人機(jī)互動接口 包括鍵盤、 LCD。 c. 信號輸出 其主要作用是將處理結(jié)果輸出 、顯示、存儲。其中放大處理，模擬濾波處理依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)，包括放大濾波電路， ARM系統(tǒng)及周邊電路。 b. 信號處理 信 號處理的目的是將由傳感器輸出的檢測信號不失真的進(jìn)行放大、濾波處理，從而提高檢測信號的信噪比和抗干擾能力，為進(jìn)一步的信號識別、分析、診斷、顯示、存儲、記錄等打下良好的基礎(chǔ)，能夠顯示出明顯的信號特征或檢測結(jié)果，滿足使用要求。為便于 ARM分析處理，需要將空間域的漏磁場信號轉(zhuǎn)換為時間域信號，采用磁電信號的時空域采樣方法，可滿足這一要求。檢測探頭中傳感器性能的高低直接關(guān)系到能否有效檢測出所需的漏磁信號。 A R M 系 統(tǒng) 顯 示 存 儲A / D 轉(zhuǎn) 換 A / D 轉(zhuǎn) 換放 大濾 波放 大濾 波檢 測探 頭檢 測探 頭編 碼 器被 測 鋼 絲 繩 圖 鋼絲繩檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)組成 a. 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集工作是依靠檢測探頭完成，考慮到漏磁信號十分微弱且淹沒在強(qiáng)干擾噪聲中，因此設(shè)計 中選用磁阻傳感器作為磁敏元件，較霍爾器件靈敏度更高。由于互相關(guān)運(yùn)算針對兩組不同信號的處理，因此系統(tǒng)中檢測探頭布置 2 套，每套內(nèi)裝 4 個磁敏元件，可分別采集四個方向上的漏磁信號，每個磁敏元件對應(yīng)一路放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，即共有 8 路放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。針對不同的鋼絲繩受損狀態(tài)，使用不同的檢測方法進(jìn)行檢測，才能獲得較好的檢測數(shù)據(jù)。 被 測 鋼 絲 繩 傳 感 器數(shù) 據(jù) 結(jié) 果 顯 示C P U 圖 系統(tǒng)工作流程圖 鋼絲繩的損傷類型很多，主要可分為表面缺損和繩徑變化。整個過程可自動實(shí)現(xiàn)。因此鋼絲繩內(nèi)的磁感應(yīng)線會改變傳播方向，有一小部分磁感應(yīng)線會溢出鋼絲繩表面，通過空氣再重新進(jìn)入到鋼絲繩內(nèi)，在鋼絲繩表面形成漏磁場 [14]。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 b. 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)工作流程 對于無任何損傷的鋼絲繩，使用勵磁裝置磁化時，其表面幾乎沒有磁感應(yīng)線穿出，檢測其磁場強(qiáng)度基本為零。由采集系統(tǒng)采集所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理，為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供有效清晰的數(shù)據(jù)信號；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對傳輸過來的數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析處理，并根據(jù)用戶提供的參考值，與處理結(jié)果進(jìn)行比對，從而得出結(jié)論；由數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的顯示、傳輸或其他功能。根據(jù)性能要求， 綜合緒論中的設(shè)計思路， 提出如下設(shè)計