CN103743810A - 一种磁致伸缩导波检测信号处理方法及装置 - Google Patents

一种磁致伸缩导波检测信号处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩导波检测信号处理方法及装置，方法截取原始检测信号得到分析信号u(n)，再进行带通滤波得到x(n)。设激励信号长度为L，令M=[L/4]，R=[M/2]。初始i=0，截取数据x(i),…,x(i+M-1)，构造R*(M-R+1)的矩阵A，对矩阵A进行奇异值分解得到奇异矩阵B和特征值λ，将λ中小于中位数的值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异变换得到矩阵D，从矩阵D中还原出处理后的信号y，计算其能量z。令i=i+1，重复上述步骤，直至计算完所选分析区域的信号经处理后的能量，根据能量分布图的畸变特征判断信号中有无缺陷。实施本发明可有效提高磁致伸缩导波检测信号的信噪比及检测精度。

Description

一种磁致伸缩导波检测信号处理方法及装置
技术领域
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种磁致伸缩导波检测信号处理方法及装置。
背景技术
由于磁致伸缩导波技术具有非接触，表面无需打磨等优点，近年来开始在工业中得到应用。如公开号为CN101393173A的发明专利公开了一种斜拉索锚固区磁致伸缩导波检测系统；公开号为CN101451976A的发明专利公开了一种磁致伸缩导波检测中工作点的确定方法；公开号为CN101710103A的发明专利公开了磁致伸缩导波单方向检测方法；公开号为CN102520057A的发明专利申请公开了一种用于换热管内检测的磁致伸缩导波传感器及其检测方法。然而，由于磁致伸缩导波技术的非接触性带来的换能效率低，信号信噪比低，成为制约其应用的一个重要因素，而一般的滤波手段往往也无法满足要求。公开号为CN101126743A的发明专利公开了一种提高磁致伸缩导波检测信号信噪比的方法，但需要无缺陷的试样采集标准信号，而这在现场检测中是很不方便的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高磁致伸缩导波检测信号的方法及装置，方法通过抑制某一阈值下的背景噪声得到磁致伸缩导波信号能量分布，降低了外界干扰对信号的影响，该方法无须标准试样，极大地方便了现场应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种磁致伸缩导波检测信号处理方法，用于提高磁致伸缩导波检测精度，所述方法包括以下步骤：
S1、对原始磁致伸缩导波检测信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为所述分析信号u(n)的长度；
S2、对分析信号u(n)进行带通滤波得到信号x(n)，同时初始化i=0；
S3、利用窗宽为M的矩形窗截取信号x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度；
S4、构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure BDA0000445495780000021
S5、对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
Figure BDA0000445495780000022
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
S6、将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
Figure BDA0000445495780000023
S7、从矩阵D中还原得到处理后的信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)，并计算处理后的信号的能量z；
S8、令i=i+1，重复步骤S3-S7直至i=N+1-M，计算完所选分析区域信号经处理后的能量。
在本发明所述的磁致伸缩导波检测信号处理方法中，所述方法还包括以下步骤：
S9、根据步骤S8中计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)；
S10、根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
相应地，本发明还提供一种磁致伸缩导波检测信号处理装置，用于提高磁致伸缩导波检测精度，所述装置包括：
信号截取单元，用于对原始磁致伸缩导波信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为所述分析信号u(n)的长度；
带通滤波器，与所述信号截取单元相连，用于对分析信号u(n)进行带通滤波得到信号x(n)；
信号处理单元，与所述带通滤波器相连，用于对信号x(n)进行去噪并计算其经过去噪后的能量分布；
所述信号处理单元利用窗宽为M的矩形窗截取信号x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度，初始化i=0；
构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure BDA0000445495780000031
对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
Figure BDA0000445495780000032
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
Figure BDA0000445495780000041
从矩阵D中还原得到处理后的信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)并计算处理后的信号的能量z；
令i=i+1,重复利用窗宽为M的矩形窗截取数据x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理，直至i=N+1-M，计算完信号所选分析区域经处理后的能量。
在本发明所述的磁致伸缩导波检测信号处理装置中，所述装置还包括与信号处理单元相连的缺陷检测单元，所述缺陷检测单元用于根据计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)，并根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
本发明的原理是当磁致伸缩导波在构件中以群速度进行传播，由于缺陷及其它非规则结构的存在，弹性波存在反射、折射和透射等变化，从而引起相应位置信号波形和传播能量的变化。在现有技术中，需要无缺陷的试样采集标准信号，再将待测信号与无缺陷标准信号进行差分等处理，此种方式不利于进行现场检测。而在本发明中，通过抑制某一阈值下的背景噪声得到磁致伸缩导波信号能量分布，降低了外界干扰对信号的影响，通过提高信噪比增强了磁致伸缩导波信号检测的灵敏度，该方法无须标准试样，极大地方便了现场应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明磁致伸缩导波检测信号处理方法的流程图；
图2是本发明磁致伸缩导波检测信号处理装置的结构示意图；
图3是本发明一个具体实施例中检测有缺陷标样管道实验布置图；
图4是本发明一个具体实施例中在外径25mm、内径20mm的有缺陷管道上检测所得的原始信号图；
图5是截取有缺陷管道检测信号所得的分析信号图；
图6是有缺陷管分析信号经本发明所述方法处理后的结果图；
图7是具体实施例中检测无缺陷标样管道实验布置图；
图8是在外径25mm、内径20mm的无缺陷管道上检测所得原始信号图；
图9是截取无缺陷管道检测信号所得的分析信号图；
图10是无缺陷管分析信号经本发明所述方法处理后的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明一个实施例的提高磁致伸缩导波检测精度的方法流程图。如图1所示，本发明增强磁致伸缩导波检测信号的方法包括以下步骤：
S1、对原始检测信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为分析信号u(n)的长度；
S2、对分析信号u(n)进行带通滤波得到信号x(n)，同时初始化i=0；
S3、利用窗宽为M的矩形窗截取数据x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度；
S4、构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure BDA0000445495780000051
S5、对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
S6、令λmed=median(λ1，λ2，...，λR),若λj<λmed(1≤j≤R)，令λj=0，得到矩阵C，即将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
Figure BDA0000445495780000062
S7、从矩阵D中还原得到处理后的信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)并计算出处理后的信号的能量z；
S8、令i=i+1，重复步骤S3-S7直至i=N+1-M，计算完所选分析区域的信号经处理后的能量；
S9、根据步骤S8中计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)；
S10、根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
图2本发明磁致伸缩导波检测信号处理装置的结构示意图。如图2所示，本发明磁致伸缩导波检测信号处理装置包括信号截取单元1，与信号截取单元1相连的带通滤波器2，与带通滤波器2相连的信号处理单元3，与信号处理单元3相连的缺陷检测单元。其中，信号截取单元1用于对原始磁致伸缩导波信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为所述分析信号u(n)的长度；带通滤波器2用于对分析信号u(n)进行带通滤波，得到信号x(n)；信号处理单元3用于对信号x(n)进行去噪并计算其经过去噪后的能量分布，其中：
信号处理单元3利用窗宽为M的矩形窗截取数据x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度，初始i=0；
构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure BDA0000445495780000071
对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
Figure BDA0000445495780000072
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
从矩阵D中还原出信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)；
令i=i+1,重复利用窗宽为M的矩形窗截取数据x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理，直至i=N+1-M，计算完所选分析区域的信号经处理后的能量；
缺陷检测单元4用于根据所述计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)，并根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
以下结合本发明的内容提供一个具体实施例。
如图3所示，待测构件为外径25mm，内径20mm管长为2800mm的有缺陷换热管，激励线圈距管左端100mm，接收线圈距管左端600mm，距管左端2000mm处存在一个直径为Φ5的通孔缺陷，激励频率为90kHz，采样频率为2000kHz，导波波速约为3200m/s。在有缺陷换热管上获得的原始信号如图4所示，其中包括电磁脉冲信号M、第一次通过接收传感器的信号S、第一次端部反射信号S1。为了便于分析，截取图4中S与S1之间的信号作为有缺陷管的分析信号，如图5所示。经计算得，图5中t=1.03ms处应存在缺陷信号，然而从图中无法识别出缺陷。选取窗宽为6的矩形窗，构造3*4的矩阵用本方法对有缺陷管的分析信号进行处理，图6为有缺陷管的分析信号经本方法处理后得到的能量分布图。图6中，能量在1.03ms处存在明显畸变P，P处峰值存在大幅度的突变，而此处出现的时间与理论上缺陷信号出现的时间相吻合，因此确认该畸变由缺陷所导致。
另取一根与有缺陷管同一规格的无缺陷换热管，其实验布置、激励频率、采样频率、导波波速与有缺陷管实验中的均相同，图7为无缺陷管的实验布置图。图8为无缺陷管实验所得原始信号，截取图8中S与S1之间的信号作为无缺陷管分析信号，图9为截取所得无缺陷管的分析信号。图10为无缺陷管分析信号经本方法处理后的能量分布图，图中并不存在类似有缺陷管能量分布图(图6)中出现的明显畸变，因此可以证明本方法是有效可靠的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁致伸缩导波检测信号处理方法，用于提高磁致伸缩导波检测精度，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、对原始磁致伸缩导波检测信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为所述分析信号u(n)的长度；
S2、对分析信号u(n)进行带通滤波得到信号x(n)，同时初始化i=0；
S3、利用窗宽为M的矩形窗截取信号x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度；
S4、构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure FDA0000445495770000011
S5、对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
Figure FDA0000445495770000012
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
S6、将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
Figure FDA0000445495770000013
S7、从矩阵D中还原得到处理后的信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)，并计算处理后的信号的能量z；
S8、令i=i+1，重复步骤S3-S7直至i=N+1-M，计算完所选分析区域的信号经处理后的能量。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩导波检测信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
S9、根据步骤S8中计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)；
S10、根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
3.一种磁致伸缩导波检测信号处理装置，用于提高磁致伸缩导波检测精度，其特征在于，所述装置包括：
信号截取单元，用于对原始磁致伸缩导波信号进行截取，获取分析信号u(n)，n≤N,N为所述分析信号u(n)的长度；
带通滤波器，与所述信号截取单元相连，用于对分析信号u(n)进行带通滤波得到信号x(n)；
信号处理单元，与所述带通滤波器相连，用于对信号x(n)进行去噪并计算其经过去噪后的能量分布；
所述信号处理单元利用窗宽为M的矩形窗截取信号x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理,其中M=[L/4],L为激励信号长度，初始化i=0；
构造R*(M-R+1)的矩阵A，R=[M/2],矩阵A为：
Figure FDA0000445495770000021
对矩阵A进行奇异值分解，得到奇异矩阵B，
Figure FDA0000445495770000022
其中λj为特征值，j=1,2,…R；
将矩阵B中小于中位数的特征值置零得到矩阵C，对矩阵C进行逆奇异值变换得到矩阵D，
Figure FDA0000445495770000031
从矩阵D中还原得到处理后的信号y(i),y(i+1),…,y(i+M-1)并计算处理后的信号的能量z；
令i=i+1,重复利用窗宽为M的矩形窗截取数据x(i),x(i+1),…,x(i+M-1)进行处理，直至i=N+1-M，计算完所选分析区域的信号经处理后的能量。
4.如权利要求3所述的磁致伸缩导波检测信号处理装置，其特征在于，所述装置还包括与信号处理单元相连的缺陷检测单元，所述缺陷检测单元用于根据所述计算得到的所选分析区域处理后的信号的能量绘制能量分布图z(n)，并根据能量分布图z(n)的畸变性，判断待测构件有无缺陷。
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