热辐射检测系统测量热喷涂粒子参数时的数据处理
武 涛,李长久
西安交通大学学报
出于优化涂层性能和阐明涂层形成机理的需要,热喷涂飞行粒子的参数测控一直倍受重视.基于热辐射检测技术的方法在20世纪80年代中期出现后,因具有造价低、易使用、可同时测量多粒子参数等优点而成为继激光法后的主流方法[1-4].针对采用单窗型调制光阑时测得的粒子信号,本文建立了包括零漂校正和降噪预处理、有效脉冲位置判定和最小数据集截取、单脉冲拟合和特征参量提取、粒子参数换算4个环节的数据处理方法,并利用模拟和实测数据对其处理效果进行了评定.
摘要:建立了适用于单窗调制型热喷涂粒子参数热辐射检测系统的数据处理方法,并应用模拟和实测数据进行了效果评估.结果表明:预处理宜采用低通滤波基础上的算术补偿去除零漂、再应用多邻点平均降噪的复合方法;利用噪声重构法建立的幅值判据可准确确定单个有效脉冲位置并实现相关数据截取.截得的Ⅰ型曲边梯形脉冲可近似为5参量等腰梯形函数,并可运用线性展开与梯度寻优相结合的最小二乘法拟合获得其特征参量,根据所得拟合结果可统计换算出速度、表面温度、直径及景深偏移等关键粒子状态参数.
关键词:热辐射;热喷涂;有效脉冲;数据处理;粒子参数
1 试验设备和方法
采用CH-2000型HVOF系统和Sulzer Metco公司生产的粒度为63~76μm的Mo粉及25~53μm的TiC-50Co包覆粉进行喷涂.燃气、助燃气和送粉气分别为压力0·35 MPa、流量35 L/min的C3H8,0·55 MPa、440 L/min的O2和0·35 MPa、10 L/min的N2.采用宽1·4 mm的正方形单窗口调制光阑和直径10 mm的孔径光阑,在距喷枪出口160 mm处以75 mm的标准瞄准距离进行测量,测量中采样频率为10 MHz,每通道单次采样点数为65 280点.
2 信号的零漂补偿和降噪处理
以通道2为例,在图1a的上半部分给出了喷涂Mo粉时的实测波形,可看到信号中包含有幅度约为±200 mV的噪声和水平不定的小幅零漂.为准确提取脉冲特征参量,应进行零漂补偿和降噪处理,提高信噪比并确保脉冲信号比例特征不被破坏,避免引入新的误差源.
首先考察最常用的带通FFT滤波方法的处理效果.由于常用喷涂工艺下喷涂粒子速度一般在10~1 000 m/s范围[5],相应的单窗调制产生的单脉冲信号的折算频率约为3·6~360 kHz,因而以[3·6,360] kHz作为带通滤波截止频率来考察其处理效果.由图1a中对实测信号的处理效果来看,无论是噪声抑制还是零漂补偿,带通滤波效果都很显著,但因其具有三角函数性,处理后造成了图1b所示的“基线下陷”现象,即水平较高的有效粒子脉冲附近出现一定程度的基线下陷,这显然不利于脉冲特征参量的准确提取.
另一种较常见的降噪方法是移动多邻点平均,因其只能降低高频噪声水平,无法去除零漂分量,而单次采样时间仅为6·258 ms,可假设其间零漂水平不变,所以考虑先采用100 Hz低通滤波获得零漂分量,对采样数据进行算术补偿去除零漂后,再采用多邻点平均处理的复合方法.采用100 Hz低通滤波加算术补偿及16邻点平均后,结果如图1c和1d所示,可见复合方法不但可以较好地去除零漂,而且其降噪效果与带通滤波处理相当,同时可获得平直的水平基线,避免基线下陷现象的发生,因而更适合本文涉及数据的零漂补偿和降噪预处理需要。
3 有效粒子信号脉冲的判定和截取
3.1 自适应幅值判据的建立
预处理后粒子脉冲具有正向和幅值远高于噪声幅值带的特点,在信号特征和信噪比都得到保证的前提下,要求建立适当判据实现脉冲位置判定.图2a和2b给出了采样态、仅作零漂补偿处理和复合方法预处理后,实测纯噪声信号和含粒子脉冲信号的典型状态,可以看到零漂补偿后,无论是否进行降噪处理,噪声幅值带均围绕时间轴呈宏观对称分布.
图2c的统计结果也表明,零漂补偿后噪声幅值围绕零点对称分布,均值趋近于0.图2d显示,正向粒子信号脉冲并不影响负半轴噪声幅值分布.基于此,提出如下方法确定噪声幅值分布的上、下界,以之作为粒子脉冲的幅值判据:首先对含粒子脉冲的实测信号进行零漂补偿和降噪处理,然后提取所有零点以下数据点,每提取一个小于0的数据点,在提取数据集合中自动增加一个符号与之相反的数据点,所得的重构噪声的统计分布如图2e所示,与图2c所示实测噪声统计分布比较可发现,重构噪声的统计结果可准确描述当前噪声的高斯分布特征,可认为噪声信号幅值分布的上、下界为±3σ,统计所得的3σ即可作为正向有效粒子脉冲的幅值判据.由于重构数据直接来自当前实测数据,因而该判据在测量中随噪声起伏特征的变化而变化,具有自适应性.图2f给出了TiC-50Co包覆粉的实测信号和利用噪声重构法确定的噪声幅值判据线,可以看到所确定的±3σ线准确地界定了噪声起伏范围,验证了使用3σ线作为有效粒子脉冲幅值判据的合理性.
3.2 单脉冲数据的截取和参数预估
幅值判据是判断粒子脉冲信号的存在、对其定位和截取单脉冲拟合所需最小数据集的依据.高阶邻点平均虽然对脉冲特征破坏较为严重,但可显著降低噪声水平,同时基本不改变脉冲中心位置,因而可以用来提高搜寻有效脉冲的效率.在高阶邻点平均处理后应用3σ幅值判据,即可获得与实际脉冲位置对应的基本δ方波窗函数,其建立的步骤是:
①对零漂补偿处理后的2通道信号分别进行64邻点平均处理;②应用噪声重构法分别获得2通道各自的3σ幅值判据后,对2通道同时应用幅值判据,当2通道信号强度均高于对应幅值判据时,令δ窗函数在该点取1,否则取0,以相同时间轴为变量,得到基本δ窗函数.
图3为Mo粉实测信号应用上述步骤得到的基本δ窗函数的宏观和局部效果.可以看到,具有较高强度的粒子脉冲信号全部被准确辨识,所得基本δ方波窗函数中每个方波的持续时间小于但接近粒子脉冲实际持续时间.因此,有必要在基本窗函数基础上适当扩展单个δ方波宽度,使单个粒子脉冲完整进入对应窗口内,同时单脉冲拟合也需要一定长度的基线段来确定脉冲底边对应的强度.由于基本δ方波的持续时间已较为接近粒子脉冲实际持续时间,故只需以单个δ方波的宽度为度量单位,适当向两侧拓展1~2倍,即可得到拓展δ方波窗函数.
在拓展过程中,对相邻较近的粒子脉冲应特殊处理,以确保拓展后每个窗口只对应一个有效粒子脉冲.由图4a给出的基本窗函数、扩展窗函数及预处理后信号的局部放大比较,可以看到建立的扩展δ窗函数可准确确定有效粒子脉冲及其邻域,同时妥善协调邻近脉冲邻域的分割.图4b给出的用扩展窗函数分离出的典型单脉冲数据显示,上述算法可靠地完成了截取单脉冲及其邻域数据的任务,可有效去除冗余采样噪声数据,降低拟合处理数据量.同时,对截取的单脉冲数据进行简单估算后得到的脉冲位置、高度、半高宽等预估值,还可作为后续拟合的输入初值.
4 单脉冲精确拟合及粒子参数换算
4.1 粒子脉冲波形的近似分段函数
前期研究表明,理想粒子脉冲应为Ⅰ型曲边梯形脉冲[4],因其两侧曲边曲率较小,可考虑以直线进行近似.当粒子轨迹参数对信号特征影响较小时,信号以对称的Ⅰ型曲边梯形为主,用直线近似其两侧曲边后,可用直边等腰梯形描述其几何特征,其中心位置xc、下底宽Bl、上底宽Bh、下底高Hl和上底高Hh五个独立参数可用来惟一确定脉冲的位置和形状.
4.2 线性展开-梯度寻优的最小二乘拟合
定义目标函数是参数为aj的函数y(x),最小二乘法的关键在于确定y(x)的参数aj的数值,使式(2)的χ2函数取极小值.本文采用Mar-quadt提出的一种在搜寻的远程类似梯度寻优而具有较快收敛速度、当寻优开始收敛时又类似线性展开而具有较高精度的复合寻优方法,其关键是引入了一个因子λ来控制两个极端算法间的内插.该算法的理论细节见文献[6],此处不再赘述.
4.3 拟合算法的模拟和试验验证
通过已建立的脉冲信号特征理论模型[3,4,7],可以模拟出特定材料和试验参数下的单个粒子脉冲.采用随机方法产生一系列粒子脉冲,同时使之出现在单次采样时间段内的不同随机时刻,再适当叠加噪声和零漂,即可模拟出一组单次采样数据.由于所有信号脉冲的特征参量已知,将其输入定位-搜寻-分割-拟合算法程序,然后比较预设脉冲特征参数与拟合结果,可检验直边等腰梯形近似的合理性和拟合算法的精度.首先根据预设特征参量计算出单个模拟脉冲的半高宽Bw,相对饱和强度R12,通道1、2内的强度V1、V2,上升/下降沿宽度Bs,然后根据拟合结果计算相对误差E,结果如表1所示,计算中xc、Bw和Bs均为2通道取值的均值.检验结果显示,数据处理程序输出的对测量粒子状态参数最关键的6个特征参量基本可靠,大部分参量的拟合结果与预设值接近,拟合精度令人满意,其中xc与Bw的误差很小,可忽略不计.总体而言,在粒子状态参数拟合结果中,精度最差的是景深偏移,表面温度和粒子直径的精度稍好,速度的精度最高.
由于实测信号中所包含的粒子脉冲的特征参量未知,只能观察拟合所得等腰梯形函数与实测脉冲的吻合程度来定性考察拟合精度.图5给出了典型的拟合函数与实测脉冲的对比,可以看到大部分脉冲的拟合函数与原始信号轮廓吻合良好,2通道内拟合所得等腰梯形各段始末位置也基本一致.如图5c和5d所示,当脉冲信号由于粒子飞行轨迹偏斜引起脉冲不对称时,拟合所得梯形高度略低于应有水平,但对脉冲特征参量的提取影响不显著.以上结果表明,建立的数据处理算法可排除噪声干扰,再现粒子脉冲信号并获得其关键特征参量,在此基础上采用文献[3]中描述的方法,即可换算和统计出喷涂粒子的速度、表面温度、粒子直径以及空间分布4个状态参数.
5 结 论
低通滤波结合算术补偿排除零漂、多邻点平均降噪的复合方法的降噪效果与带通滤波相当,对脉冲形状特征影响也较小.对根据负半轴噪声特征重构的噪声数据进行统计,其3σ值可准确界定噪声涨落的上下界,以之作为有效粒子脉冲的幅值判据可确定对应单脉冲位置的基本窗函数,经合理拓展后建立的扩展窗函数可准确确定单脉冲位置及其邻域,实现最小单脉冲数据集的截取.将Ⅰ型曲边梯形信号近似为直边等腰梯形后,拟合目标函数可用5参量分段函数形式给出,运用线性展开-梯度寻优相结合的最小二乘法进行拟合可准确再现脉冲信号的几何特征,并统计换算出速度、表面温度、直径及景深偏移4个关键粒子状态参数。
参考文献略
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