1. 引言
缆索无损探伤的方法和仪器种类繁多,其中在实际的探伤过程中,脉冲反射式超声波探伤仪应用最为广泛 [1]。
在超声波信号的传输路径上,材料的曲线或不连续会造成声阻抗的不一致,超声波在两种不同声阻抗的交界面上将会发生反射 [2] ,根据反射信号可判断缆索是否有损伤。
鉴于实际检测过程中,回波信号的强弱和缆索内部的缺陷大小成正比,对于较大的缺陷,回波信号非常明显,可以很方便地辨识,而对于比较小的缺陷,回波信号非常微弱,甚至淹没在噪声中,无法清晰辨识。
传统的处理方法是使用放大器对采集的信号进行放大处理,但是该方法在放大信号的同时也放大了噪声,信噪比依然不大 [3]。较为先进的是基于混沌理论的微弱信号处理方法,能够较好地提取出回波信号,但是该方法处理繁琐,检测成本较高 [4]。为了在降低检测成本的同时能够有效地采集出微弱的回波信号,本文基于信号噪声在时域的分布属于正态分布的特性,通过放大、滤波和时间线叠加抵消等方式,设计了一种对缆索无损探伤微弱信号的处理方法。在放大回波信号的同时将噪音消减,有效地提高了缆索探伤信号中微弱信号的信噪比,大大提高了无损探伤的准确性。
2. 缆索无损探伤系统
缆索无损探伤系统通过在准确的时序控制下,对微弱信号进行多次采集,并将采集到的信号序列严格按照时间线累加。由于信号噪声在时域的分布属于正态分布,即均匀且对称的分布在真实值两侧,经过累加后会互相抵消;而真实信号不属于正态分布,经过多次累加,信号值会被放大;所以通过此种方法在放大噪声的情况下,有效地放大了信号,使得微弱的内部缺陷产生的微弱信号能够被清晰的分辨出来 [5] [6]。
缆索无损探伤系统主要由主MCU、时间线发生端口、信号输入/输出端口和数据输出端口组成。如图1所示。
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Figure 1. Hardware diagram of cable NDT system
图1. 缆索无损探伤系统硬件框图
3. 信号处理
本文缆索无损探伤微弱信号的处理方法主要是通过产生精确时间线;多次在严格的时序控制下产生信号;多次严格时序控制下的信号序列采集;时序对应信号累加;归一化等步骤,实现了不放大噪声的情况下对微弱信号进行有效的放大 [6] [7]。
根据正态分布的概率密度函数
(1)
其分布函数为:
(2)
式(1)和式(2)中,参数μ为均值;σ为均方根差。由于噪音处于正态分布,则经过M次叠加后(M值尽可能大)其值趋于ME(x)。其中
(3)
根据正态分布的原理可知
,即
(4)
将M组数据在N个时间线采集的数值用
矩阵S表示:
(5)
将矩阵在相同的时间线采集的数数值进行叠加 [8] ,得到
(6)
然后对矩阵值进行归一化处理。取其中最小值作为权重值
,将N个时间线的值分别与权重值相减。当检测次数M趋向无穷大时,根据噪音在时域的分布属于正态分布的特性,若Th处检测的信号是噪音时,其
会趋近于0。若其中Th不为噪音,其值不遵循正态分布,随着M的增大,
的值也会增大 [9] [10]。
实验其具体实现步骤如图2所示。
1) 由图1中的4产生时间线,作为整个流程的时序基准。
2) 在T1时刻,由图1中的2产生发射脉冲信号,并等待50 ms。
3) 等时间间隔,从图1中的3采集回波信号序列,保存为
。
4) 重复2~3步骤M次,得到
~
,M组信号序列。
5) 将M组信号序列按照进行矩阵相加运算,得到结果序列。对结果序列进行归一化,得到最终结果序列数据。
6) 将结果序列通过图1中的5进行数据输出,显示成回波曲线,方便测试人员判断结果。
4. 实验结果分析
本文使用超声导波缆索检测仪分别采集了M系数为10、50、100和1000的实验信号,通过接收回波信号并对实验信号进行归一化处理后,对信号的数据结果进行对比分析。实验数据如表1所示,仿真信号图如图3~7所示。由实验数据可知,通过此种方法在不放大噪声的情况下,能够有效地放大真实信号,清晰分辨出微弱的内部缺陷引起的微弱信号,有效的提高了无损探伤的准确性。
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Table 1. Signal processing results of coefficients
表1. 典型累加系数的信号处理结果
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Figure 4. Processed signal with coefficient 10
图4. 累加系数为10的处理后信号
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Figure 5. Processed signal with coefficient 50
图5. 累计系数为50的处理后信号
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Figure 6. Processed signal with coefficient 100
图6. 累计系数为100的处理后信号
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Figure 7. Processed signal with coefficient 1000
图7. 累计系数为1000的处理后信号
5. 结束语
本文提出的一种对缆索无损探伤微弱信号的处理方法,通过在准确的时序控制下,对微弱信号进行多次采集,并严格按照时间线累加,在不放大噪声的情况下,有效地放大了真实信号,提高了缆索无损探伤过程中由内部缺陷引起的微弱信号的分辨能力。该方法应用简单,容易实现;增加的额外硬件很少,对主MCU的性能要求不高;适用范围较广,针对不同检测方法的微弱信号处理亦可以被采用。
参考文献