本发明专利技术公开了一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置，在阐述互相关算法原理的基础上，基于Xilinx FPGA硬件平台，给出了互相关算法的核心组件的数字化设计，因算法仅需单片FPGA及少量接口器件即可实现，利于检测设备的小型化和便携化；经互相关算法得到的结果与LCR测试结果比对，误差保持在±0.5％内,算法准确性高；互相关算法约2.4s完成8组频率响应下的单只工件分选，算法实时性强，适合在线检测；同相及正交支路分量输出趋近直流的程度是互相关算法精度的体现，同相支路的直流输出仍有低频抖动，后续工作的开展从成形滤波后引入滑动平均滤波算法入手，让更多周期的分量数据参与均值运算，则直流分量计算准确度预计会进一步提高。
A Method and Device for Solving Eddy Current Impedance Based on Cross-correlation Algorithms
【技术实现步骤摘要】
一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置
本专利技术涉及涡流阻抗
，更具体的说是涉及一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置。
技术介绍
当具有导电性能的工件置于涡流探头磁场时，便会在涡流线圈中产生特定的阻抗值，由相同材料制成的所有试样在探头中便会产生相同的阻抗，据文献记载，其阻抗变化曲线是被测物体性质和检测仪器的仪器特性函数。被测物体性质包括：1)电导率；2)被检物体尺寸；3)磁导率；4)工件缺陷等。仪器特性包括：1)检测线圈中交流场的频率；2)检测线圈的大小和形状；3)检测线圈与被检物体间的距离(提离)等。硬度是基于试样的初始幅值磁导率来检测的，在保证测试线圈的仪器特性、电导率及尺寸标样相同、检测线圈与被检工件的位置固定等条件下，标定出合格曲轴的阻抗值，将待测试样的阻抗值同已知试样的阻抗值进行比较，形成一个公差带，用公差带即可判断待测曲轴硬度区间，公差带范围决定硬度分选的分辨率。这样，基于涡流技术的硬度检测实际上变成一种在试样阻抗值区间进行比较的分选方法，分选的关键是研究出一种可靠性好、准确度高、实时性强的阻抗求解技术。有学者将机器学习应用到涡流检测特征提取，如葛亮利用支持向量机(SVM)技术实现了窄搭接焊缝涡流信号的特征提取与缺陷识别，缺陷判别准确率达到80％以上，但该算法需要巨大的GPU开销，实时性和成本不能得到较好的保证，对于定性分析来说，准确率仍有欠缺；SasiB研究了基于线性代数法的双频涡流检测技术，但该方法运算量较大，处理周期较长、实时性较差；范孟豹基于相敏检波器(PSD)及低通滤波器(LPF)技术，从阻抗二维信息中分离出幅度和相位，给出了基于分立元器件的涡流检测信号X-R正交分解电路原理图，奠定了阻抗信号定量分析的基础，但该电路仅针对单频激励的特征信息提取，对需要多个频率才能反映试件特性的情况有较大局限性；高军哲提出基于锁相放大器的阻抗信息求解方法，采用模拟乘法器和模拟低通滤波器，设计了锁相放大电路，受限于实现方案中采用8阶巴特沃斯滤波器作为低通滤波器，其-3dB截止频率仅为30Hz，输出幅值约有33ms周期的抖动，在测试结果的重复性上需要提升。因此，如何提供一种准确度高、实时性强的涡流阻抗求解方法及装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置，在阐述互相关算法原理的基础上，基于XilinxFPGA硬件平台，给出了互相关算法的核心组件的数字化设计，因算法仅需单片FPGA及少量接口器件即可实现，利于检测设备的小型化和便携化；经互相关算法得到的结果与LCR测试结果比对，误差保持在±0.5％内,算法准确性高；互相关算法约2.4s完成8组频率响应下的单只工件分选，算法实时性强，适合在线检测；同相及正交支路分量输出趋近直流的程度是互相关算法精度的体现，同相支路的直流输出仍有低频抖动，后续工作的开展从成形滤波后引入滑动平均滤波算法入手，让更多周期的分量数据参与均值运算，则直流分量计算准确度预计会进一步提高。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，具体步骤包括如下：步骤一：得到涡流检测线圈的阻抗信号，将所述阻抗信号与高斯噪声信号叠加；步骤二：引进与阻抗信号同频的同相参考信号，同时引进与所述同相参考信号相差90°的同频信号正交参考信号；步骤三：计算叠加后的信号分别与同相参考信号、正交参考信号的乘积；步骤四：进行滤波通过三角函数运算可得到线圈阻抗的幅值和相位值。优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法中，所述步骤一中涡流检测线圈的阻抗信号为：式中Vsig为阻抗信号的幅值，为阻抗信号的频率，φ0为线圈阻抗信号的相位；阻抗信号s(t)与高斯噪声信号n(t)叠加后的表达式x(t)为：优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法中，所述步骤二中，同相参考信号r1(t)与阻抗信号同频，φr为同相参考信号的相位值，r1(t)为：正交参考信号r2(t)是与r1(t)相差90°的同频信号，φr为正交参考信号的相位值，则r2(t)为：优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法中，所述步骤三中，叠加后的信号x(t)与同相参考信号r1(t)的乘积记为Vpsd1(t)：叠加后的信号x(t)与正交参考信号r2(t)的乘积记为Vpsd2(t)：优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法中，所述步骤四中，将步骤三中的乘积通过截止频率仅为0.5Hz的低通滤波后有：进一步，将参考信号的幅度值Vr设置成单位电压，系数1/2为系统增益，令相角差φsig＝φ0-φr，通过三角函数运算可得到线圈阻抗的幅值Vsig和相位值φsig，则有：一种基于互相关算法的涡流阻抗求解装置，包括：DDS核、电桥差动回路、功率放大器、乘法器、第一滤波器、第二滤波器和CORDIC电路；其中，DDS核提供余弦激励信号，同时提供余弦信号作为同向参考信号，提供正弦信号作为正交参考信号；激励信号经D/A输出后与参考线圈、检测线圈组成电桥差动回路；所述电桥差动电路输出线圈阻抗信号；阻抗信号经放大后进入A/D转化成数字量，进行互相关算法处理；互相关运算方向分为同相支路和正交支路，两支路在FPGA内同步进行，阻抗信号与同相参考信号和正交参考信号经乘法器，同步通过第一滤波器及第二滤波器低通滤波处理，后得到阻抗同向和正交幅值，最后经CORDIC电路运算得到阻抗幅值Amp1和相角值Angle1。其中，注：菱形图左下代表检测线圈，右下代表参考线圈；左上代表与线圈检测线圈匹配的电阻，右上代表与参考线圈匹配的电阻。优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解装置中，所述第一滤波器和所述第二滤波器采用CIC+HB+FIR结构进行低通滤波器的设计，先对阻抗倍频信号进行梳状滤波和半带滤波处理，降低倍频信号的数据速率，再用较低阶数的有限长单位冲击响应滤波器成形处理，滤除经梳状滤波和半带滤波后阻带内的频谱混叠，满足最后一级滤波的要求，进而准确地获取阻抗幅度信息。优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解装置中，经CIC滤波后的同相支路信号进入同相支路第1级HB滤波，依次经过同相支路第2级、第3级、第4级HB滤波、第5级FIR滤波输出；经CIC滤波后的正交支路信号进入同相支路第1级HB滤波，依次经过正交支路第2级、第3级、第4级HB滤波、第5级FIR滤波输出。优选的，在上述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解装置中，所述CORDIC电路采用XilinxArtix-7内置的CORDICIP核完成阻抗幅度值Vsig和相位值φsig，IP核求解模式选用定向模式。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法及装置，在阐述互相关算法原理的基础上，基于XilinxFPGA硬件平台，给出了互相关算法的核心组件的数字化设计，因算法仅需单片FPGA及少量接口器件即可实现，利于检测设备的小型化和便携化；经互相关算法得到的结果与LCR测试结果比对，误差保持在±0.5％内,算法准确性高；互相关算法约2.4s完成8组频率响应下的单只工件分选，算法实时性强，适合在线检测。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，具体步骤包括如下：步骤一：得到涡流检测线圈的阻抗信号，将所述阻抗信号与高斯噪声信号叠加；步骤二：引进与阻抗信号同频的同相参考信号，同时引进与所述同相参考信号相差90°的同频正交参考信号；步骤三：计算叠加后的信号分别与同相参考信号、正交参考信号的乘积；步骤四：进行滤波通过三角函数运算得到线圈阻抗的幅值和相位值。
【技术特征摘要】
1.一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，具体步骤包括如下：步骤一：得到涡流检测线圈的阻抗信号，将所述阻抗信号与高斯噪声信号叠加；步骤二：引进与阻抗信号同频的同相参考信号，同时引进与所述同相参考信号相差90°的同频正交参考信号；步骤三：计算叠加后的信号分别与同相参考信号、正交参考信号的乘积；步骤四：进行滤波通过三角函数运算得到线圈阻抗的幅值和相位值。2.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，所述步骤一中涡流检测线圈的阻抗信号为：式中Vsig为阻抗信号的幅值，为阻抗信号的频率，φ0为线圈阻抗信号的相位；阻抗信号s(t)与高斯噪声信号n(t)叠加后的表达式x(t)为：3.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，所述步骤二中，同相参考信号r1(t)与阻抗信号同频，φr为同相参考信号的相位值，r1(t)为：正交参考信号r2(t)是与r1(t)相差90°的同频信号，φr为正交参考信号的相位值，则r2(t)为：4.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，所述步骤三中，叠加后的信号x(t)与同相参考信号r1(t)的乘积记为Vpsd1(t)：叠加后的信号x(t)与正交参考信号r2(t)的乘积记为Vpsd2(t)：5.根据权利要求1所述的一种基于互相关算法的涡流阻抗求解方法，其特征在于，所述步骤四中，将步骤三中的乘积通过截止频率仅为0.5Hz的低通滤波后有：进一步，将参考信号的幅度值Vr设置成单位电压，系数1/2为系统增益，令相角差φsig＝φ0-φr，通过三角函数运算可得到线圈阻抗的幅值Vsig和相位值φsig，则有：6.一种应用权利要求1-5所述的基于互相关算法的涡流阻抗求解方法的装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏飞，沈力，杨楠，宋茂江，杨霏，龙波，邓兵，
申请(专利权)人：贵州省计量测试院，
类型：发明
国别省市：贵州,52
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