微弱信号检测及无损探测技术研究许雪梅湖南科学技术计算机与互联网书籍

在现代工业信息技术、计算机技术迅猛发展的大背景下，无损检测技术的新方法与新理论层出不穷，无损检测技术广泛应用在电力电子、机械制造、石油化工、造船、汽车、陶瓷、航空航天、核电站、智慧城市等工业化生产中，由于其涉及的行业多、学科多，已经成为生产管理的重要环节，并发展成为一门独立的综合性交叉学科。本书主要介绍了比较新颖的无损检测技术的物理基础、硬件设计、检测方法、检测原理和检测工艺。

第pan>章绪论

1.pan style="font-family:宋体">微弱信号及无损探测技术概述/00pan>

1.2新型无损检测技术的目的和意义/00pan>

1.3本书的内容和章节安排/002

参考文献/003

第2章基于混沌振子的微弱信号检测方法

2.pan style="font-family:宋体">概述/005

2.1.pan style="font-family:宋体">混沌振子方法在微弱信号检测中的重要性/005

2.1.2混沌振子检测内外发展的现状及动态分析/006

2.1.3亟待解决的问题/010

2.2基于VPD混沌系统检测方法/01pan>

2.2.pan style="font-family:宋体">基于VPD混沌系统的微弱信号检测原理及频率检测方法/012

2.2.2VPD混沌系统状态阈值及运动状态研究/014

2.2.3系统噪声特性研究/015

2.3本章小结/017

参考文献/020

第3章基于忆阻器的混沌电子学及其微弱信号检测方法

3.pan style="font-family:宋体">忆阻器的物理模型介绍/026

3.2 混沌电路设计方法/029

3.2.pan style="font-family:宋体">经典混沌电路/029

3.2.2 混沌电路设计方法/033

3.3基于忆阻器的混沌电路设计方法/035

3.4 蔡氏电路及其混沌动力学特性/036

3.5基于混沌系统的微弱信号检测原理/039

3.6 混沌系统运动状态判别方法/04pan>

3.6.pan style="font-family:宋体">直观法/04pan>

3.6.2定量法/046

3.7 基于忆阻器Chua 振子的微弱信号检测模型研究/048

3.7.pan style="font-family:宋体">忆阻器Chua 振子微弱信号检测模型/048

3.7.2基于忆阻器的蔡氏电路振子动力学特性分析/05pan>

3.7.3基于忆阻器的蔡氏电路振子的微弱信号检测/052

3.8正弦微弱信号参数估计/053

3.8.pan style="font-family:宋体">幅值检测方法研究和仿真分析/053

3.8.2频率检测方法研究和仿真分析/055

3.9其他周期微弱信号参数估计/056

3.pan style="font-family:宋体">基于忆阻器的蔡氏电路检测模型性能分析/057

3.10.pan style="font-family:宋体">检测系统的信噪比和精度/057

3.10.2与传统混沌检测方法比较/059

3.pan style="font-family:宋体">三次磁控忆阻器等效电路设计/060

3.pan style="font-family:宋体">基于忆阻器的蔡氏混沌微弱信号检测电路DSP实现/066

参考文献/07pan>

第4章基于光纤光栅传感器电力变压器振动无损在线监测系统设计

4.pan style="font-family:宋体">光纤光栅传感器解调原理/075

4.1.pan style="font-family:宋体">光纤光栅传感器的基本原理/075

4.1.2光纤光栅传感器的解调原理/075

……

6.4.3机械臂封装动作设计方案/349

附录6.pan>部分软件代码/349

附录6.2硬件系统电路图/359

参考文献/36pan>

第7章健康数据无损监测系统研制

7.pan style="font-family:宋体">项目背景和建设意义/362

7.1.pan style="font-family:宋体">项目背景/362

7.1.2项目建设的重要意义/364

7.2智能椅子电路设计/365

7.2.1DHTpan style="font-family:宋体">介绍/365

7.2.2MLX906pan style="font-family:宋体">介绍/365

7.2.3MAX30102介绍/366

7.2.4主控板与传感器/366

7.2.5马达驱动板的选取/369

7.3软件设计/369

7.3.pan style="font-family:宋体">软件流程介绍/37pan>

7.3.2网页端/APP处理流程/374

7.3.3端口控制流程/374

7.3.4软件部署/377

7.3.PP简述/379

7.4心率传感器的设计/379

7.4.pan style="font-family:宋体">背景介绍/379

7.4.2电路设计/380

7.5系体调试/383

参考文献/386

第8章基于分水岭分割的粘连颗粒图像分析技术研究

8.pan style="font-family:宋体">颗粒图像分析基础与预处理/390

8.1.pan style="font-family:宋体">图像处理的基本概念/390

8.1.2数字图像与像素的表示/390

8.1.3图像类型/390

8.1.4

图像分割的定义/394

8.1.5图滑处理/395

8.1.6图像二值化/398

8.1.7粘连颗粒图像二值化的结果与分析/40pan>

8.2图像数学形态学处理与距离变换/403

8.2.pan style="font-family:宋体">图像数学形态学处理/403

8.2.2二值图像的腐蚀运算/405

8.2.3二值图像的膨胀运算/406

8.2.4开运算与闭运算/407

8.3粘连颗粒图像的数学形态学处理/407

8.3.pan>粘连图像数学形态学处理的结果与分析/407

8.3.2数学形态学滤波器的设计/412

8.3.3图像距离变换/413

8.3.4粘连颗粒图像的距离变换结果与分析/416

8.4颗粒图像分水岭分割方法/418

8.4.pan style="font-family:宋体">分水岭变换原理及算法研究/419

8.4.2分水岭算法的数学描述/420

8.4.3分水岭算法及其代码实现/423

8.4.4分水岭分割的常用方法/424

8.4.5一种的分水岭分割方法/426

8.5图像颗粒的自动计数与特征参数提取/43pan>

8.5.pan style="font-family:宋体">颗粒自动计数/43pan>

8.5.2颗粒参数提取/434

参考文献/444

由于现代工业化和信息技术、计算机技术等科学技术的迅猛发展，无损探测技术的新方法、新理论和新技术层出不穷，这些技术在设备和装备运行、质量监控、生产力提高、降低成本等方面发挥了重要作用，无损探测技术牵涉的行业多、学科多，现在已经发展成为一门独立的综合性交又学科。

作者20多年来，一直从事无损探测技术的研究，是对光纤光栅传感器、机器视觉和图像处理、混沌电路及忆阻器在无损探测技术及其微弱信号检测领域的应用做了比较系统的研究，完成了与电力部门和医学界的多项合作课题。本书中微弱信号检测及无损探测技术都是我带领研究生完成的课题，基于机器视觉的液体药剂无损探测技术已经得到了广泛应用、光纤光栅技术的电站变压器项目获得湖南省科学技术发明奖，我撰写本书的目的，旨在抛砖引入，吸引更多的同行以及相关领域专家扎根在无损探测领域，做出更大的成就。

本书共分8章，第pan>章为绪论，第2章和第3章为微弱信号检测领域，这两章主要是针对噪声强大、信号弱小的无损探测系统，混沌电路与忆阻器的特点以及对信号的敏感特性，适用于微弱信号的无损探测场所的探测。第4章主要介绍在变压器上布局海量光纤光栅加速度传感器，先测量变压器箱体振动信号，以振动信号异常变化反推变压器的运行状态。第5章至第8章都是采用机器视觉技术、聚类算法和分水岭算法实现无损探测的。

这些章节中的研究成果都是我的团队和我的研究生合作开发的，感谢李丽娴、徐薇钦、罗晶晶、郭巧云、李禹阳、周立超、黄帅、李、欧阳鹏、李晨静、李运龙、郭媛、汪金辉、李俊杰、肖亮、桑延奇、戴鹏、李奔荣、谢伟涛、周文、程伟、董丽荣、石婷婷、邱豪杰、文珺、邱海涛、李维、刘茜倩、叶俊华、郭远威、张健洋、彭航航、倪兰、蒋静、李岸、黃振宇、聂雅琴、陈敏敏和墨芹等研究生，在这里不再一一列举，我们在研究工作中并肩作战，共同成长。限于篇幅，还有一些研究成果没有附上，如今后研究更为深入，再撰写续集。

感谢中南大学自动化学院蒋朝辉教授的国家自然科学基全重大科研仪器研制项目（N0.61927803）的太力古接和摄助。茎本遟写过程中，得到家

人的关心和呵护，在此向我尊敬的家人表示感谢。同时感谢湖南科学技术出版社对本书的出版所给予的支持和辛勤付出。

由于时间仓促，缺点、错误在所难免，敬请各位读者批评指正。

许雪梅

202pan style="font-family:宋体">年pan>月于中南大学

第pan>章绪论

1.pan style="font-family:宋体">微弱信号及无损探测技术概述

微弱信号检测和无损探测技术是一门新兴的综合性应用技术。随着科学技术和生产力的提升，工业技术得到了迅猛的发展，而设备或材料等在高温、高压、高速、高噪声和高负荷下工作已经是现代工业化生产的特点[]~[40，但这些目标的实现必须建立在高质量的生产之上，为确保优质生产，必须采取必要的措施，对强噪声环境下的微弱信号的探测，对不破坏原有生产线、不破坏产品原有的形貌、结构和物理特性，不改变其使用性能的检测方法，能对所有产品实现检测，并确保生产的可靠性、性和便捷性，这种技术称之为无损探测技术[3]-[10]。

无损探测技术指的是不破坏待测对象的前提下，利用设备内部的变化或者异常、缺陷等引起的对力、热、光、声、电、磁等反应的变化，探测各种工程、零部件引起的设备异常运行，能够根据设备的运动状态和历史数据判断和评价设备所处的状态一步分析设备内部、材料或者产品的质量[1]3.[11~15]。

无损探测（以下也称无损检测）技术已经广泛应用在电力电子、机械制造、石油化工、造船、汽车、陶瓷、航空航天、核电站、智慧城市等工业化生产中，无损探测技术已经纳入生产管理的重要环节[15]~[20]。设备厂家根据验收标准，运用无损探测技术把产品质量控制在允许的范围内，提高标准化生产和使用效率；该项技术得到国家和工业生产部门的高度重视，它是保障设备和可靠运行的“战士”，通过及时预测故障，改造设备工艺，提高产品质量[21]~[23]。

1.2新型无损检测技术的目的和意义

刘贵明和马丽丽[0、付亚波[2]、沈玉娣和曹军义[2]、刘燕德[等科技工作者相继编写了无损检测技术著作或教程，并且都很好地诠释了无损检测的定义、目的和主要研究方法。刘贵明和马丽丽的著作是把常规无损检测技术，比如射线、渗透、超声波、涡流和磁粉技术放在篇介绍；第二篇再介绍其他常用的技术，比如种子工业照相技术、声发射技术、噪声检测诊断技术、工业内窥镜技术、激光全息检测技术、微波检测技术和磁记忆技术，本书则侧重于加强工业CT检测技术环节，如果想全面了解无损检测技术的方法，可以参阅刘贵明马丽丽的著作。付亚波的教材由浅入深、图文并茂地阐述各种无损检测技术的要点和特点。沈玉娣和曹军义的著作除了常规检测方法以外，还介绍了振动信号的测量，以及光纤技术做无损检测的手段。刘燕德的著作除了介绍常规检测手段以外，在机器视觉、智能算法和虚拟仪器等方面加强描述。因篇码有限，作者在此不再赘述这些著作、教材或

本书主要介绍新颖的基于杜芬振子和混沌理论的微弱信号无损检测技术，以及基于振动信号测量及其加世农的于检测技术。混沌理论与机器视觉在无损检测领域的应用是传统无损探测技术的延伸和增长点，为无损探测技术开辟了新的道路。因此，本书的主要是介绍基于混沌电路、机器视觉、忆阻器和杜芬振子等新兴技术在无损检测技术中的应用。

1.3本书的内容和章节安排

章是绪论，主要讲述本书的目的和任务。第二章主要是运用杜芬振子，对变压器油中得到的色行深入细致的分析，测量过程不需要损害原有的变压器结构和变压器油。第三章主要介绍采用忆阻混沌电路可以对需要后端处理的背景噪声强大的微弱信号，运用忆阻电路敏感行实时测量，这对后端数据处理起到至关重要的作用。第四章对变压器振动信行测量来判断变压器的运行情况，因为当变压器油出现裂变、变压器铁芯或绕组出现问题时，振动信号就会发生变化，因此振动和噪声反映了变压器设备内部的状态变化，通过检测分析振动与噪声信号，可以找出振动与噪声的部位，判断设备内部的故障；这一章节运用的光纤光栅加速度传感器探测变电站信号的诊断情况，不破坏变电站任何结构，并且能够做到海量布局，生产现场没有嵌入电信号，这对高压高温工作的变电站来说，一是提高性，二是检测效果好，这是一项有重大意义的工作。第五章运用现在自动化机械手、智慧摄像头、图像处理中的聚类算法以及机器视觉领域OpenCV技术，可以做到实时在线大批量检测医用液体药剂的质量，提率，减少劳动力，提高检测质量和检测品位。第六章运用现代化机器视觉技术和的嵌入式技术和手段，可以提高医生看病效率、解决患者排队取药的大难题。第七章运用现代无线集成传感技术，利用的可视化智能椅子可以实时检测自己的身体状况，同时医生可以了解患者情况，为将来智慧诊断技术提供了新的思路，打开未来医患一体程的大门。第八章主要讲述农业生产中的玉米种子、大米、花生等颗粒分类与无损检测技术，这对于提高农业机械化生产起到重要的作用。

……

许雪梅女，，1971年生，湖南省洞口县人，中南大学副教授、硕士生导师，博士，主要研究方向：材料物理与化学、电子技术。

主要经历和学术成果：1994年6月毕业于湖南师

范大学物理教育专业，获理学学士学位；1997年6月毕业于湖南师范大学量子光学专业，获理学硕士学位；2005年12月毕业于湖南大学材料物理与化学专业，获工学博士学位；2007年10月至2009年10月，

中南大学材料学院博士后；2014年7月至2015年8月在美国罗切斯国访学1年；1997年6月至今，在中南大学任教。2003年获中南大学青年教师奖，电子竞赛优秀指导老师；2008年被评为湖南省青年骨；2009年获湖南省教学成果1项；2015年获湖南省科技发明1项。获校级教学成果奖3项；主持或参与各类科研项目10余项，在IEEE和Optic Communication、《电子学报》等国内外期刊文100余篇，大部分被SCI/EI收录，授权和申请发明专利10余项，主编教材《高

频电子电路》。