CN108152362B - 一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法，其内容是利用伪随机序列控制正弦波的相位正负作为激励信号通过磁致伸缩效应检测钢结构中的缺陷。将两个线圈作为激励与接收信号的传感器，以合适的频率与电流激励通过线圈在钢结构中激发出导波，接收器接收到由钢结构缺陷反射的信号，通过计算处理接收信号可确定钢结构缺陷位置及大小。本发明通过将伪随机序列作为激励信号可得到比传统平均技术更高的输出信号功率信噪比，从而提高检测速度和精度。

Description

一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术，具体涉及磁致伸缩导波检测技术，尤其涉及一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法。

背景技术

在测控领域，经常需要由传感器采集各种信号，由于现场情况复杂，采集到的信号中常叠加了大量的噪声。尤其采集的信号经常是很微弱的，噪声会带来很大的影响，导致系统性能下降甚至不能工作。单纯使用放大、滤波等常用手段并不能达到令人满意的效果，因为放大信号的同时噪声也得到了放大，而滤波在滤除噪声的同时也会对信号有所损伤。

用磁致伸缩导波检测法(如图1)来检测钢结构缺陷，在钢结构上用两个线圈分别作为激励和接收信号的传感器。当在激励线圈中通以合适频率、合适大小的电流时，在线圈交变电流产生的交变磁场的作用下将激发出该频率的导波，导波沿钢结构传播，在钢结构的端部以及缺陷处导波会发生反射。直接传播和反射过来的导波会反过来改变周围的磁场，接收线圈中则会感应出相应的电信号，对该信号加以处理即可获得缺陷所在位置、大小等信息。磁致伸缩导波检测法具有无须破坏钢结构外部包覆层、检测速度快等优点，在无损检测领域具有广泛的应用。

在实际检测中，激励线圈中的激励信号转换成的导波和在接收线圈中的反向转换过程效率均非常低下，即使是激励线圈中通以10A以上的交流电流，在接收线圈中能拾取的信号也只有数十微伏的水平。要在接收端能够采集到信号必须将信号先放大数万倍，而信号放大的同时噪声也会得到放大，从而影响到数据的分析和处理。为了抑制噪声可以在数据采集之前加上一个带通滤波器，一般为了获得比较好的抗噪声效果而选择使用带宽比较窄的滤波器，但是窄带的带通滤波器却将过多的高频信号滤除，使有用信号中失去了与辨别缺陷大小和位置有直接关系的边界信息，也会使一些小的缺陷信息完全被滤除。

为了使检测的信噪比尽量大，在实际导波检测系统中一般重复发出激励，并在接收端将许多次激励所获得的接收信号进行叠加，利用噪声的零均值特性进行噪声抑制。为了保证每次接收的信号互相独立，两次激励之间的时间一般不能小于20毫秒，而叠加次数一般多达数百乃至数千次，因此完成一次缺陷检测需要数秒乃至数十秒的时间，除了速度较慢外，由于持续时间较长，系统特性可能发生变化导致前后激励获得的有用信号并不一致，从而导致检测结果发生一定的偏差。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法。将传统方法中的单次激励变成序列激励，在一个序列激励中完成传统方法的多次激励，从而减少检测所需的时间，并保证足够的检测精度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法，其特征在于，利用伪随机序列控制正弦波的相位正负作为激励信号通过磁致伸缩效应检测钢结构中的缺陷，将两个线圈作为激励与接收信号的传感器，以合适的频率与电流激励通过线圈在钢结构中激发出导波，接收线圈接收到由钢结构缺陷反射的信号，通过计算处理接收信号从而确定钢结构缺陷位置及大小。

进一步地，使用伪随机序列控制激励信号，使激励正弦波相位的正负随伪随机序列的0和1的变化而变化。

进一步地，激励正弦波的频率、幅度和每个激励脉冲中正弦波的周期数均可以根据需要改变，激励信号通入激励线圈中以激发出导波，导波沿钢管传播后由接收线圈接受并感应成接收信号。

进一步地，接收线圈获得的接收信号经过放大、滤波后采集进电脑，由电脑进行针对伪随机序列的反卷积计算，提高信噪比后分析信号以获得缺陷位置及大小。

进一步地，所述方法具体实现过程包括：

从检测线圈感应的接收信号是由某一时刻的激励脉冲通过系统后产生的，如果把激励脉冲施加后的一段时间内的响应信号看作h(t)，而这一时间内的噪声为n(t)，则测量出的是原始信号：

r(t)＝h(t)+n(t) (1)

h(t)为每次激励后都重复出现的确定性信号；噪声n(t)为平稳随机过程，由于响应信号是由脉冲激励而产生，认为h(t)是一个线性时不变系统的冲击响应，于是，检测响应信号变为求解系统冲击响应；利用伪随机序列作为激励输入，通过对输出作反卷积，间接求出传递函数。

进一步地，所述方法具体实现过程包括：

以M序列为例，使用伪随机序列作为激励信号的检测方法计算如下：

1)用{s_m(i)}作为激励输入，{s_m(i)}是一个取值±1的序列，i＝0，1，…，L-1，周期长度L＝2^n-1，n＝2，3…；并且

2)则输出为

Y_L＝M_LLH_L (4)

令M_LL’＝(U_LL-M_LL)/2，

其中为U_LL全1矩阵：

则有

I_LL是L×L的单位矩阵，由(4)、(5)式，可得：

假设T是激励周期，常规平均技术每隔T时间就输出一个激励脉冲，而采用序列技术时，T时间间隔内输出的是一个序列而不是一个脉冲；

则录得的原始信号r(t)，实际上是输入s_m(t)与系统的冲击响应h(t)的卷积，然后加上噪声n(t)而成，而最终需要的h(t)是通过对r(t)进行解卷积而获得的。

进一步地，所述方法具体实现过程包括：假设：

1).噪声的方差为σ_n ²；

2).噪声与激励输出h(t)相互独立。

根据式(6)，可得经过解卷积运算后的输出噪声方差：

因此，可以得到输出信号的功率信噪比为：

其中

是传统平均技术一次激励所得的信噪比，因此，长为L的伪随机序列能够获得传统平均方法的(L+1)/2倍的信噪比，序列长度越长，信噪比改善越多。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：传统磁致伸缩检测方法具有检测方便的优点，但存在检测速度和精度受20毫秒激励间隔的限制的缺点，本发明将伪随机序列引入检测中，利用伪随机序列的尖锐自相关特性克服信号微弱、时间间隔大的问题，可以大幅度提高检测速度和精度，为各种钢结构的安全运行保驾护航。

附图说明

图1为磁致伸缩导波检测钢结构缺陷示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种伪随机序列磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法，将传统方法中的单次激励变成序列激励，在一个序列激励中完成传统方法的多次激励，从而减少检测所需的时间，并保证足够的检测精度。

所述方法利用伪随机序列控制正弦波的相位正负作为激励信号通过磁致伸缩效应检测钢结构中的缺陷，将两个线圈作为激励与接收信号的传感器，以合适的频率与电流激励通过线圈在钢结构中激发出导波，接收线圈接收到由钢结构缺陷反射的信号，通过计算处理接收信号从而确定钢结构缺陷位置及大小。

所述方法使用伪随机序列控制激励信号，使激励正弦波相位的正负随伪随机序列的0和1的变化而变化。

激励正弦波的频率、幅度和每个激励脉冲中正弦波的周期数均可以根据需要改变，激励信号通入激励线圈中以激发出导波，导波沿钢管传播后由接收线圈接受并感应成接收信号。

接收线圈获得的接收信号经过放大、滤波后采集进电脑，由电脑进行针对伪随机序列的反卷积计算，提高信噪比后分析信号以获得缺陷位置及大小。

所述方法具体计算过程描述如下：

从检测线圈感应的接收信号是由某一时刻的激励脉冲通过系统后产生的，如果把激励脉冲施加后的一段时间内的响应信号看作h(t)，而这一时间内的噪声为n(t)，则测量出的是原始信号：

r(t)＝h(t)+n(t) (1)

h(t)一般被视作每次激励后都重复出现的确定性信号；噪声n(t)为平稳随机过程。由于响应信号是由脉冲激励而产生，认为h(t)是一个线性时不变系统的冲击响应，于是，检测响应信号变为求解系统冲击响应。传统的平均法直接利用脉冲输入来获得传递函数，在本发明中，利用伪随机序列作为激励输入，通过对输出作反卷积，间接求出传递函数。

以M序列为例，使用伪随机序列作为激励信号的检测方法计算如下：

1)用{s_m(i)}作为激励输入，{s_m(i)}是一个取值±1的序列，i＝0，1，…，L-1，周期长度L＝2^n-1，n＝2，3…；并且

2)则输出为

Y_L＝M_LLH_L (4)

令M_LL’＝(U_LL-M_LL)/2，

其中为U_LL全1矩阵：

则有

I_LL是L×L的单位矩阵，由(4)、(5)式，可得：

假设T是激励周期，常规平均技术每隔T时间就输出一个激励脉冲，而采用序列技术时，T时间间隔内输出的是一个序列而不是一个脉冲。

录得的原始信号r(t)，实际上是输入s_m(t)与系统的冲击响应h(t)的卷积，然后加上噪声n(t)而成，而最终需要的h(t)是通过对r(t)进行解卷积而获得的。假设：

1.噪声的方差为σ_n ²；

2.噪声与激励输出h(t)相互独立。

根据式(6)，可得经过解卷积运算后的输出噪声方差：

因此，可以得到输出信号的功率信噪比为：

其中

是传统平均技术一次激励所得的信噪比。因此，长为L的伪随机序列能够获得传统平均方法的(L+1)/2倍的信噪比，序列长度越长，信噪比改善越多。

实施例中，首先按传统磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法构建检测系统，包括激励和接收信号的线圈、激励电源、信号检测和滤波电路、信号采集电路、数据处理的电脑等，其中激励电源可以根据被测钢结构特性设置输出合适频率、幅度和周期数的正弦波激励，并每隔20毫秒重复发出激励一次，激励线圈可直接或通过安装在钢结构上的镍片在被测钢结构中激发出导波，接收线圈获得检测到的信号，检测和滤波电路将接收到的信号进行放大并适当滤波，信号采集电路将放大滤波后的信号转换成数字信号送到电脑，在电脑中运行数据处理程序，将许多次接收信号进行叠加，再显示叠加后的信号波形，通过波形特点分析缺陷的位置和大小。

在本实施例中，对前述检测系统做出两点改动：

1)激励电源输出的正弦波激励除了可以改变频率、幅度和周期数外，正弦波的相位可以受伪随机序列的控制，当序列数据位为1时，激励正弦波取正相位，当序列数据位为0时，激励正弦波取负相位。本实施例使用长度L＝15的伪随机序列000100110101111，通过该序列控制激励信号，故每次突发激励时正弦波相位变化规律为负负负正负负正正负正负正正正正。每隔20毫秒在该伪随机序列的控制下发出一次激励脉冲串，相当于传统检测方法中发出了15次激励。

2)电脑中的数据处理程序增加按前述(6)式进行反卷积计算的语句，通过该计算获得一次激励的接收信号，其结果相当于传统检测方法中15次激励接收信号的叠加。

本发明通过将伪随机序列作为激励信号可得到比传统平均技术更高的输出信号功率信噪比，从而提高检测速度和精度。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于伪随机序列的磁致伸缩检测钢结构缺陷的方法，其特征在于，利用伪随机序列控制正弦波的相位正负作为激励信号通过磁致伸缩效应检测钢结构中的缺陷，将两个线圈作为激励与接收信号的传感器，以合适的频率与电流激励通过线圈在钢结构中激发出导波，接收线圈接收到由钢结构缺陷反射的信号，通过计算处理接收信号从而确定钢结构缺陷位置及大小；

使用伪随机序列控制激励信号，使激励正弦波相位的正负随伪随机序列的0和1的变化而变化；激励正弦波的频率、幅度和每个激励脉冲中正弦波的周期数均可以根据需要改变，激励信号通入激励线圈中以激发出导波，导波沿钢管传播后由接收线圈接受并感应成接收信号；

接收线圈获得的接收信号经过放大、滤波后采集进电脑，由电脑进行针对伪随机序列的反卷积计算，提高信噪比后分析信号以获得缺陷位置及大小；

所述方法具体实现过程包括：

从接收线圈感应的接收信号是由某一时刻的激励脉冲通过系统后产生的，如果把激励脉冲施加后的一段时间内的响应信号看作h(t)，而这一时间内的噪声为n(t)，则测量出的是原始信号：

r(t)＝h(t)+n(t) (1)

h(t)为每次激励后都重复出现的确定性信号；噪声n(t)为平稳随机过程，由于响应信号是由脉冲激励而产生，认为h(t)是一个线性时不变系统的冲击响应，于是，检测响应信号变为求解系统冲击响应；利用伪随机序列作为激励输入，通过对输出作反卷积，间接求出传递函数；

所述方法具体实现过程包括：

以M序列为例，使用伪随机序列作为激励信号的检测方法计算如下：

1)用{s_m(i)}作为激励输入，{s_m(i)}是一个取值±1的序列，i＝0，1，…，L-1，周期长度L＝2^n-1，n＝2，3…；并且

2)则输出为

Y_L＝M_LLH_L (4)

令M_LL’＝(U_LL-M_LL)/2，

其中为U_LL全1矩阵：

则有

I_LL是L×L的单位矩阵，由(4)、(5)式，可得：

假设T是激励周期，常规平均技术每隔T时间就输出一个激励脉冲，而采用序列技术时，T时间间隔内输出的是一个序列而不是一个脉冲；

则录得的原始信号r(t)，实际上是输入s_m(t)与系统的冲击响应h(t)的卷积，然后加上噪声n(t)而成，而最终需要的h(t)是通过对r(t)进行解卷积而获得的；

所述方法具体实现过程包括：假设：

1).噪声的方差为σ_n ²；

2).噪声与激励输出h(t)相互独立；

根据式(6)，可得经过解卷积运算后的输出噪声方差：

因此，可以得到输出信号的功率信噪比为：

其中

是传统平均技术一次激励所得的信噪比，因此，长为L的伪随机序列能够获得传统平均方法的(L+1)/2倍的信噪比，序列长度越长，信噪比改善越多。

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