CN110907532A

CN110907532A - 一种基于压缩感知的漏磁检测方法

Info

Publication number: CN110907532A
Application number: CN201911137869.XA
Authority: CN
Inventors: 周鹰; 蹇雨芮; 高椿明
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-03-24

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知的漏磁检测方法，该漏磁检测方法提供的漏磁检测系统包括导磁体、可通电线圈、钢刷、霍尔传感器和运算控制器，长条形的导磁体上缠绕可通电线圈，线圈匝数由不同的检测灵敏度需求所决定，霍尔传感器放置在离待测物体表面一毫米的位置，缠绕着可通电线圈的导磁体竖立着均匀的围绕着霍尔传感器排列在待测物体表面，导磁体的数量和排列的范围大小由不同的检测灵敏度需求所决定，排列均匀的导磁体底部通过钢刷连接待测物体，将一块大小合适且没有缠绕可通电线圈的导磁体覆盖在所有排列均匀的导磁体的顶部，由此形成漏磁检测系统。本发明基于压缩感知的漏磁检测方法结构较为简单，适用于无损检测领域。

Description

一种基于压缩感知的漏磁检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知的单传感器漏磁检测方法，涉及无损检测领域。

背景技术

无损检测以不破坏被测物体内部结构为前提，应用物理原理和化学方法，检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构，进而检查出物体内部和表面是否存在缺陷。无损检测技术作为应用型学科在经过一个多世纪的发展后在石油化工、航空航天等各个领域有着广泛的应用，而后随着科学技术的发展，针对不同的检测场合出现了越来越多的无损检测方法，如射线检测、涡流检测、漏磁检测、超声检测和渗透检测等，其中漏测缺陷检测技术应用最为广泛，其利用铁磁性材料高磁导率的特性实现缺陷检测，它的主要工作原理是当铁磁性材料经过磁化后若被测物体的表明或近表面存在不连续性即裂纹、腐蚀、气孔等缺陷时，缺陷处磁阻增大，一部分磁通从缺陷处泄露出来在缺陷附近的空间形成漏磁场，由漏磁传感器拾取漏磁场可获得缺陷信息。

漏磁检测技术拥有直流磁化、交流磁化和永磁磁化等多元化磁化方式，现有技术对漏磁检测的运用多采用直流磁化或永磁磁化的多探头阵列检测，对漏磁缺陷的评估技术多为在后期对MFL(磁通量泄漏)信号进行小波图像压缩等方法重建缺陷图像，由于缺陷几何参数与漏磁信号之间的非线性特性，管道材质漏磁系数的差异，流体压力引起的管道磁质结构改变及周围环境变化都会直接或间接影响磁通量泄漏信号，进一步增加缺陷分析的难度，因此想要研究一种新型的方法提取漏磁信号以进行更好的缺陷评估。

压缩感知(CS)是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，用于获取和重构稀疏或可压缩的信号，其在信息论、信号处理、图像处理等领域受到高度关注，它打破了奈奎斯特采样定律，在信号采样的过程中用很少的采样点实现了和全采样一样的效果。

考虑到压缩感知理论的特性，使其应用于无损漏磁缺陷检测的信号提取上，将采样和压缩结合到单个非自适应线性测量过程中，可以在仅使用单漏磁传感器的情况下达到可检测整个面的测量效果，实现全覆盖检测。但压缩感知采样方式较为复杂，需要寻找合适方法、器件完成压缩感知的采样、重构过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于压缩采样的漏磁检测方法，代替阵列式传感器完成由单传感器对面缺陷信号的拾取，并实现对缺陷信号的重构过程。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于压缩采样的漏磁检测方法，包括导磁体、可通电线圈、钢刷、霍尔传感器和运算控制器，长条形的导磁体上缠绕可通电线圈(线圈匝数由不同的检测灵敏度需求所决定)，霍尔传感器放置在离待测物体表面一毫米的位置，缠绕着可通电线圈的导磁体竖立着均匀的围绕着霍尔传感器排列在待测物体表面 (导磁体的数量和排列的范围大小由不同的检测灵敏度需求所决定)，排列均匀的导磁体底部通过钢刷连接待测物体，将一块大小合适且没有缠绕可通电线圈的导磁体覆盖在所有排列均匀的导磁体的顶部，由此形成漏磁检测系统。

其中，缠绕着可通电线圈的导磁体随机选择两个，将上面的可通电线圈通以相反方向电流(电流强度由不同的检测灵敏度需求所决定)，由电流磁效应产生的磁场通过相应导磁体、钢刷和待测物体形成闭合回路，构成一组励磁结构，实现励磁。

其中，霍尔传感器在不同励磁组合下对漏磁信号进行拾取，将磁信号转换为电信号传到运算控制器，实现基于压缩感知的漏磁信号采样重构过程。

其中，运算控制器包含与霍尔传感器的控制电路，以及使系统工作的电源系统，其核心运算单元为ARM、FPJA、DSP处理平台中一种或几种组合。

其中，该方法适用于无损检测的信号处理领域。

本发明运用的基本原理涉及如下两个方面：

①压缩感知原理。

压缩感知理论指出：只要信号是可压缩或在某个变换域是稀疏的，那么就可以用一个变换基不相关的观测矩阵将变换所得高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号。其压缩感知方程为：

y＝Φx (1)

x＝ψs (2)

其中x为长度为N的一维原信号，本发明中原信号为待测物体表面的缺陷信号，可在某种稀疏基上进行稀疏表示，ψ为稀疏基矩阵，s为稀疏系数，x在稀疏基ψ上是K稀疏的，经典的稀疏化方法有离散余弦变换、傅里叶变换、离散小波变换等。

其中Φ为M*N(M<<N)的观测矩阵，用来得到长度M的一维测量值y。上式中方程的个数远小于未知数的个数，导致方程没有确定解，无法重构信号，但由于信号是K稀疏，若Φ满足有限等距性质(RIP)，那么K个系数就能够从M个测量值准确重构。RIP性质的等价条件是观测矩阵Φ和稀疏基ψ不相关，CandeS和Tao等证明独立同分布的高斯随机观测矩阵可以成为普适的压缩感知观测矩阵，常用的观测矩阵还有随机贝努利矩阵、部分正交矩阵等。在本发明中，可使用伪随机生成器随机选择一组励磁结构，传感器在该励磁结构下对漏磁信号进行拾取，随机选择不同励磁结构完成多次测量，其中可以随机设置通电线圈的电流强度以产生不同强度的磁场，把多种不同组合的励磁结构作为我们随机亚采样的观测矩阵，以测量y[m]，然后重复该过程M次获得测量矢量y。

因此，压缩感知问题就转化为在已知测量值y、观测矩阵Φ和稀疏基ψ的基础上，求解欠定方程组y＝Φx＝Φψs，得到解s，再对稀疏系数做反稀疏变换就可得到原信号x的近似解，在满足N>M>>K时可以得到较为准确的解，从而恢复出原始号x。因此压缩感知的重构过程实质上是寻找(1)(2)式的l₀范数最小解，即可以认为是l₀范数最小的优化问题，这是一个NP完全问题，而当测量矩阵Φ满足RIP性质时l₁范数最小化和l₀范数最小化具有等价性可得到相同解，即转化为l₁最小范数下最优化问题，这是个凸优化问题，通过将求解过程转化为线性规划求解，可选择基追踪算法。

②漏磁检测原理。

通过通电线圈产生磁场，经过导磁体及待测管道形成磁回路，将待测管道局部磁化到接近磁饱和状态，在缺陷附近就会形成漏磁场，放置于缺陷附近的漏磁检测传感器拾取该漏磁场，将磁信号转化为电信号，即可获得缺陷信息。

本发明的有益效果：

(1)、本发明系统中传感器使用单霍尔元件，即可代替传统的阵列检测和扫描检测，不管是阵列式还是扫描式在实际的检测过程中都是存在检测间隙的，不能实现真正的全覆盖检测，但本发明系统使用单传感器实现了面的全覆盖检测，在移动检测时信号也更容易拼接，实现由一个探头即可无缝隙检测整个面的测量效果，实现对面缺陷信号的采集和重构。

(2)、本发明可以根据对检测灵敏度的不同需求，对通电线圈缠绕在导磁体上的匝数、排列的导磁体及通电线圈的个数、排列的范围大小(即待检测面大小)和通电线圈上电流强度，进行自行设置，即通电线圈的匝数越多检测灵敏度越高，放置的导磁体及通电线圈越多检测灵敏度越高，可随机选择的励磁组合越多检测灵敏度越高。

(3)、本发明通过应用压缩感知原理，对待测物体进行较少次数的检测后就可以恢复原信号，相比传统漏磁检测方式，极大减少了传感器与运算控制器的通信次数，降低了对通信带宽的需求。

(4)、本发明根据压缩感知理论，大大的提高了系统数据采集、处理和融合的性能，同时降低部署成本和复杂性。

附图说明

图1为本发明一种基于压缩感知的漏磁检测方法的示意图。

图2为压缩感知重构信号的流程框图。

其中，1、导磁体，2、缠绕可通电线圈的导磁体，3、可通电线圈，4、待测物体，5、钢刷，6、霍尔传感器。

Claims

1.一种基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：包括导磁体、可通电线圈、钢刷、霍尔传感器和运算控制器，长条形的导磁体上缠绕可通电线圈，霍尔传感器放置在离待测物体表面一毫米的位置，缠绕着可通电线圈的导磁体竖立着均匀的围绕着霍尔传感器排列在待测物体表面(导磁体的数量和排列的范围大小由不同的检测灵敏度需求所决定)，排列均匀的导磁体底部通过钢刷连接待测物体，将一块大小合适且没有缠绕可通电线圈的导磁体覆盖在所有排列均匀的导磁体的顶部，由此形成漏磁检测系统。

该基于压缩感知的漏磁检测方法中传感器使用单霍尔元件，即可代替传统的阵列检测和扫描检测，实现对面的真正全覆盖检测和信号重构。

该基于压缩感知的漏磁检测方法应用压缩感知原理，对待测物体进行较少次数的检测后就可恢复原信号，相比传统的漏磁检测方法，减少了传感器与运算控制器的通信次数，降低了对通信带宽的需求。

该基于压缩感知的漏磁检测方法可以根据需求调整漏磁检测系统的检测灵敏度，即导磁体上通电线圈的匝数越多检测灵敏度越高，放置的导磁体及通电线圈越多检测灵敏度越高，可随机选择的励磁组合越多检测灵敏度越高。

该基于压缩感知的漏磁检测方法根据压缩感知理论，极大提高了检测系统数据采集、处理和融合的性能，并降低了部署成本和复杂性。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：实现由一个探头即可无缝隙检测整个面的测量效果，在移动检测时信号也更容易拼接，实现对面缺陷信号的采集和重构，传统检测方式中不管是阵列式还是扫描式，在实际的检测过程中都是存在检测间隙的，不能实现真正的全覆盖检测。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：对待测物体进行检测时，在一组励磁结构下，单霍尔传感器拾取该励磁结构下的漏磁信号，应用压缩感知理论，随机选择不同组合的励磁结构作为随机亚采样的观测矩阵，进行多次测量，实现对整个面的检测和重构，其中在不同励磁结构下的检测次数越多检测灵敏度越高。

4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：在搭建系统时，可根据对检测灵敏度的不同需求，对通电线圈缠绕在导磁体上的匝数、排列的导磁体及通电线圈的个数、排列的范围大小(即待检测面大小)和通电线圈上电流强度，进行自行设置。

5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：运算控制器包含与霍尔传感器的控制电路，以及使系统工作的电源系统，其核心运算单元为ARM、FPJA、DSP处理平台中一种或几种组合。

6.根据权利要求1所述的基于压缩感知的漏磁检测方法，其特征在于：该方法适用于无损检测领域。