啟停送料引起的渦流檢測(cè)噪聲抑制方法研究

徐雷，趙鵬振，劉繼

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201800）

渦流檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。渦流檢測(cè)過(guò)程中，噪聲抑制是核心問(wèn)題。

目前，棒材渦流檢測(cè)在穩(wěn)定連續(xù)送料時(shí)，應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。但是在棒材間歇式啟停送料工況時(shí)，干擾噪聲過(guò)大，渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用受限。間歇啟停送料時(shí)，棒材抖動(dòng)和速度的變化不可避免。棒材的抖動(dòng)會(huì)使提離效應(yīng)增大，干擾噪聲也隨之增大；棒材的速度變化使得棒材表面的渦流畸變，產(chǎn)生低頻干擾噪聲，該類(lèi)噪聲與缺陷信號(hào)頻率接近，幅值重疊，難以分離，給渦流檢測(cè)信號(hào)處理帶來(lái)了難度。本文利用了缺陷信號(hào)的正弦特性，采用總體最小二乘法[TLS]提取缺陷信號(hào)的正弦特性，分離噪聲信號(hào)，達(dá)到了降噪的目的。

1 主要噪聲來(lái)源

1.1 提離效應(yīng)

棒材渦流檢測(cè)時(shí)檢測(cè)線圈與棒材試件間的相對(duì)位置十分敏感，這種由于檢測(cè)線圈與棒材之間距離變化引起的檢測(cè)線圈阻抗變化的現(xiàn)象稱(chēng)為提離效應(yīng)。本文中，主要研究問(wèn)題是棒材間歇式啟停送料工況下的噪聲抑制，這種工況下，棒材會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，提離效應(yīng)加劇，因此提離噪聲也會(huì)增大。

1.2 棒材速度變化引起的噪聲

棒材間歇式啟停送料工況下，棒材運(yùn)動(dòng)速度隨著送料的啟停而周期性的加速減速，速度變化使得棒材表面的渦流發(fā)生畸變，由于磁場(chǎng)之間的相互作用，檢測(cè)線圈的阻抗值也會(huì)隨之變化，干擾噪聲隨之產(chǎn)生。該噪聲頻率與需要采集的缺陷信號(hào)的頻率接近，幅值區(qū)分度不大，給后續(xù)的信號(hào)處理帶來(lái)了難度。

2 正弦提取

2.1 缺陷信號(hào)的正弦特性

本文實(shí)驗(yàn)渦流檢測(cè)系統(tǒng)采用差分穿過(guò)式探頭，理論上采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗分解后分為電阻值和電抗值，都是正弦變化。圖1是實(shí)驗(yàn)室采集到的經(jīng)過(guò)阻抗分解后電阻值（幅值偏小）和電抗值變化，具有明顯的正弦特性。

2.2 總體最小二乘法（TLS）提取正弦波

含有干擾噪聲的正弦波疊加可表示為

圖1 電阻值與電抗值變化圖

上述疊加（不考慮隨機(jī)噪聲e(n)）可以描述為AR（2K）線性預(yù)測(cè)模型：

（6）式可以采用最小二乘法Aa=b求解，求得{a}后，則可求出正弦信號(hào)的頻率，從而求出幅值和相位角。

上述情況沒(méi)有考慮干擾噪聲，在考慮干擾噪聲時(shí)，采用總體最小二乘法（TLS）求解。

問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋找a的最優(yōu)解使得:

的擾動(dòng)矩陣E和r總體誤差||E,r||F2最小。

（8）的增廣矩陣為:

則問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋找最小的范數(shù)擾動(dòng)矩陣[E,r]使得[A,b]+[E,r]為非滿秩矩陣，中最后一個(gè)元素置為-1方便后續(xù)歸一化求出a。

對(duì)[A,b]進(jìn)行奇異值分解：

求得{a}后，則可求出正弦信號(hào)的頻率，從而求出幅值和相位角。

2.3 利用總體最小二乘法處理數(shù)據(jù)

（1）低通濾波。本文中需要處理

的原始信號(hào)中包含了大量的高頻噪聲，如果不進(jìn)行低通濾波，會(huì)對(duì)后續(xù)的正弦提取造成影響。將不同幅值R的2.5Hz的正弦信號(hào)疊加到原始信號(hào)上，用總體最小二乘法提取2.5Hz的疊加信號(hào)；同樣的，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，將不同幅值R的2.5Hz的正弦信號(hào)疊加到濾波后的信號(hào)上，用總體最小二乘法提取2.5Hz的疊加信號(hào)，兩組結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表1是低通濾波前后正弦提取的頻率結(jié)果對(duì)比。

表1 低通濾波對(duì)頻率提取的影響表

表1是對(duì)應(yīng)不同信號(hào)幅值情況下，疊加2.5Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，使用總體最小二乘法提取2.5Hz的信號(hào)，提取的信號(hào)頻率結(jié)果。

圖2 X通道原始信號(hào)低通濾波結(jié)果圖

圖3 X通道濾波信號(hào)與1hz正弦信號(hào)疊加結(jié)果圖

圖4 X通道疊加信號(hào)正弦提取結(jié)果圖

圖5 Y通道原始信號(hào)低通濾波結(jié)果圖

圖6 Y通道濾波信號(hào)與1hz正弦信號(hào)疊加結(jié)果圖

圖7 Y通道疊加信號(hào)正弦提取結(jié)果圖

對(duì)比濾波前后，信號(hào)處理的精度會(huì)因?yàn)榈屯V波而提高

（2）正弦提取結(jié)果。

信號(hào)處理流程：X通道即電阻值信號(hào)通道（或者Y通道即電抗值信號(hào)通道）采集的原始信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波濾除無(wú)用高頻信號(hào)得到圖2（圖5），低通濾波后得到的信號(hào)與1hz的正弦信號(hào)疊加得到圖3（圖6），疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)總體最小二乘法提取正弦信號(hào)，得到圖4（圖7）。

在疊加信號(hào)中提取1hz的正弦信號(hào)，對(duì)比前后信號(hào)差異驗(yàn)證總體最小二乘法的可行性。本文將提取的正弦信號(hào)頻率范圍設(shè)定為0.5hz-5hz。本文研究課題中，需要的缺陷信號(hào)頻率較低，一般處于1hz-3hz范圍內(nèi)，所以頻域范圍符合要求，棒材渦流檢測(cè)中缺陷信號(hào)幅值是一個(gè)很重要的判別指標(biāo)如上列6圖所示，頻率還原結(jié)果符合要求的區(qū)間內(nèi)，幅值還原準(zhǔn)確度也很高。表2為1hz正弦信號(hào)的疊加前后參數(shù)對(duì)比。

表2 1Hz正弦信號(hào)疊加前后參數(shù)對(duì)比表

圖4、圖7正弦信號(hào)提取結(jié)果顯示，在部分未疊加正弦信號(hào)的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了小幅值的正弦波，原因是棒材表面有小尺度的缺陷存在，在渦流檢測(cè)過(guò)程中，產(chǎn)生了正弦特性的缺陷信號(hào)，理論上是我們需要的信號(hào)，但是幅值太小，說(shuō)明該缺陷的尺度在容許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

總體最小二乘法（TLS）在渦流檢測(cè)正弦信號(hào)提取中，對(duì)于正弦特性的缺陷信號(hào)還原準(zhǔn)確度很高，在濾除主要干擾噪聲的同時(shí)，保留了有用信號(hào)的正弦特性，相應(yīng)的頻率，幅值均滿足要求。