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啟停送料引起的渦流檢測(cè)噪聲抑制方法研究

2019-12-13 05:16:40徐雷趙鵬振劉繼
中國(guó)設(shè)備工程 2019年21期
關(guān)鍵詞:信號(hào)檢測(cè)

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。

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