宋志強(qiáng) 張 瑩 吳 江

(1.后勤工程學(xué)院；2.重慶海聯(lián)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

管道缺陷漏磁檢測單信道探頭提離效應(yīng)信號修復(fù)研究*

宋志強(qiáng)**1張 瑩2吳 江1

(1.后勤工程學(xué)院；2.重慶海聯(lián)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

漏磁檢測方法是輸油管道無損檢測的重要方法，但檢測探頭提離效應(yīng)是制約檢測效果的重要原因，尋求一種合適有效的方法，對由于提離效應(yīng)造成的信號畸變進(jìn)行修復(fù)，提高缺陷漏磁檢測結(jié)果準(zhǔn)確度是工程應(yīng)用研究的重要一環(huán)。最小二乘法能較好地實(shí)現(xiàn)對提離效應(yīng)造成的信號畸變的修復(fù)，為消除提離效應(yīng)造成的影響、提高檢測的準(zhǔn)確度提供了一種有效的方法。

輸油管道 無損檢測 漏磁檢測 提離效應(yīng) 信號修復(fù) 最小二乘法

漏磁檢測方法廣泛應(yīng)用在輸油管道檢測、道路安全檢測等工程檢測領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的影響和制約，檢測探頭提離值并不是分布在一個固定的區(qū)域，而是呈現(xiàn)不規(guī)律分布趨勢，在工程應(yīng)用過程中導(dǎo)致發(fā)生檢測探頭提離效應(yīng)，從而造成檢測信號的失真或畸變[1～4]。為保證提離值漏磁檢測信號的完整性，以確保描述裂紋缺陷漏磁檢測信號的正確性，必須對檢測信號進(jìn)行修正。

1 漏磁檢測探頭提離效應(yīng)分析

在研究中發(fā)現(xiàn)，對于不同的檢測探頭提離值，隨著提離值的變化，檢測信號圖譜分布在敏感區(qū)、線性區(qū)和盲區(qū)，不同區(qū)域有著不同的特性，在檢測過程中，應(yīng)確保檢測探頭提離值處于線性區(qū)域，以保證檢測效果[4～6]。

利用漏磁檢測實(shí)訓(xùn)平臺[4]，利用MFL-4032A漏磁/磁記憶檢測儀，通過建立提離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺[5]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，檢測缺陷試樣Y1在不同提離值(0.5～10.0mm)時的漏磁檢測信號,將不同提離值信號放置于同一圖中，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)圖譜構(gòu)建，如圖1所示。對圖1中檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域劃分：敏感區(qū)1～4mm、線性區(qū)為4～7mm、盲區(qū)和恒定區(qū)為8～10mm，其中提離值為0.5mm時，實(shí)驗(yàn)過程檢測數(shù)據(jù)變化劇烈，故不做分析。每個傳感器通道的基線都不在同一位置上。而對于檢測缺陷的漏磁檢測磁場梯度是磁場強(qiáng)度在空間中某一點(diǎn)變化量最大的方向與數(shù)值。對于常用的信號平均值法來消除提離效應(yīng)的方法，由于信號處于非線性工作區(qū)域，而平均值消除提離效果是建立在線性擬合的基礎(chǔ)上，在消除過程中，會間接產(chǎn)生新的更不易識別的噪聲信號[7]，必須尋求更為有效的方法對信號進(jìn)行修正。

圖1 不同提離值漏磁檢測信號

2 基于最小二乘法的單信道探頭提離效應(yīng)信號修復(fù)

針對傳感器探頭提離效應(yīng)的影響問題，一些學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究[8～10]，對因提離效應(yīng)產(chǎn)生的信號波動常用加權(quán)平均值的方法來進(jìn)行消除[9]。加權(quán)平均值消除方法的根本思想是通過平均值將由提離效應(yīng)帶來的誤差減小到最小，通過對各測量值的全局性差值運(yùn)算以消除提離效應(yīng)。加權(quán)平均值前提是提離因素的效應(yīng)控制在線性變化區(qū)域，即控制在極小的固定區(qū)域內(nèi)。

然而在研究中發(fā)現(xiàn)，如果僅以消除平均值的方法進(jìn)行線性關(guān)系消除提離效應(yīng)產(chǎn)生的影響，就會造成漏磁檢測信號多余噪聲的產(chǎn)生，影響到檢測的準(zhǔn)確性。要確保檢測的準(zhǔn)確性與精確度，就必須建立相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行信號補(bǔ)償與修正[9，10]。

由研究可知：提離值的大小與檢測信號的峰峰值之間呈線性與非線性混合的模式，可以尋找相應(yīng)算法對信號的提離效應(yīng)影響進(jìn)行補(bǔ)償[5，10]。

設(shè)漏磁檢測信號全集為X(t):Rd→Rd，消除提離效應(yīng)后信號為S(t):Rd→Rd(未知)。當(dāng)提離值為設(shè)定提離值時，局部信號為x0(t)，s0(t)為基函數(shù)。

對S(·)可以在任意t點(diǎn)取值，但是由于提離效應(yīng)的存在，有部分信號誤差。設(shè)xn(t)為第n個局部區(qū)域時檢測的數(shù)據(jù)值集合，那么觀察值為Yn+1=Sn(t)+εn+1。

εn為測量誤差列，可以通過X(t)與H(t)之間的運(yùn)算來求得，故求S(·)就可以轉(zhuǎn)化為求解隨機(jī)逼近(Robbins-Monro，RM)問題[11]。依據(jù)隨機(jī)逼近算法[12]，取任意數(shù)列{φk}為增益系數(shù)，記為：

對s0(t)的第n+1次逼近為：sn+1(t)=sn+φnYn+1。

由RM算法將它轉(zhuǎn)化求解增益系數(shù)[13]，即以隨機(jī)逼近的方式求解，根據(jù)KW(Kiefer-Wolfowitz)算法[11]，可以利用它對X(t)數(shù)據(jù)的相互的差商運(yùn)算來估計出S(t)的數(shù)值，從而求得消除提離效應(yīng)后信號數(shù)據(jù)集S(t)，得到消除提離效應(yīng)后的信號。

使用斜率法對漏磁檢測信號值進(jìn)行歸一化處理，即：

設(shè)采樣后信號總長度為N，記m為小于或等于N/3的最大整數(shù)，對上式進(jìn)行可離散化處理：

式中，Ts為采樣周期；xi為x(t)經(jīng)采樣離散化后的數(shù)字信號。

假設(shè)在測量中不存在系統(tǒng)誤差，同時，在平均斜率法進(jìn)行校對過程中，已經(jīng)對相應(yīng)的部分系統(tǒng)誤差進(jìn)行了修正，則x(t)的觀測值x(t)i圍繞著期望值 擺動，其分布為正態(tài)分布。將利用平均斜率法得到離散信號值定為標(biāo)準(zhǔn)值[12]，利用最小二乘法進(jìn)行二次計算[12]。

將信號s(t)作為觀測量，而把所有的誤差只認(rèn)為是y(t)的誤差。設(shè)s(t)和y(t)的函數(shù)關(guān)系為：

y(t)=f(s(t)；C)

C={c1,c2,…,cm}是m個待確定的參數(shù)。

則y(t)的觀測值yi圍繞著期望值擺動，其分布可視為正態(tài)分布，則yi的概率密度為：

其中σi是分布的標(biāo)準(zhǔn)誤差，i=1，2，3，…，N。

觀測值(y1,y2,y3,…,ym,cm)的似然函數(shù)：

取似然函數(shù)L最大來估計參數(shù)，應(yīng)使：

根據(jù)上式要求，應(yīng)有：

從而得到方程組：

3 單信道提離效應(yīng)信號數(shù)據(jù)修復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述信號修復(fù)算法，選取缺陷試樣Y2，在提離值實(shí)驗(yàn)平臺[3，4]用漏磁檢測儀器檢測，在提離值為1～10mm時取得檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)降噪校正處理后，得到信號圖譜(圖2)。

圖2 提離值為1～10 mm時的檢測信號

分別用平均值加權(quán)法與最小二乘法進(jìn)行修復(fù)處理，為了更直觀地分析結(jié)果，將各種情況的信號集中繪制在同一張圖上，在1、10mm處信號的變化幅度劇烈，出現(xiàn)的信號誤差太大，不做分析。圖3顯示了經(jīng)過常用的平均值加權(quán)法消除提離效應(yīng)后得到的試樣Y2在不同的提離值下得到的信號圖譜，圖4是經(jīng)過修正的最小二乘法消除提離效應(yīng)后得到的修復(fù)波形。

圖3 平均值加權(quán)修復(fù)提離效應(yīng)后信號圖譜

圖4 最小二乘法修復(fù)提離效應(yīng)后信號圖譜

對圖3、4的比較分析中可以看出：

a. 經(jīng)過修正的最小二乘法在消除提離效應(yīng)得到的修復(fù)信號方面要優(yōu)于平均值加權(quán)法。

b. 平均值加權(quán)修復(fù)法在敏感區(qū)的消除效果不是很理想，存在較大的偏差，而最小二乘修復(fù)法效果要理想得多。

c. 在線性區(qū)消除效果上看，兩種方法都取得了較理想的效果，這由線性區(qū)的特性決定。

d. 對盲區(qū)的檢測信號修復(fù)，平均加權(quán)修復(fù)法效果保持了缺陷信號的特征，但是信號的幅度變化較大，在提離值為2、9mm處出現(xiàn)了較大的誤差；而最小二乘修復(fù)法修正了信號的幅度，保證了缺陷信號特征的反映，但是在提離值為2、9mm處，出現(xiàn)了失效信號。

4 結(jié)束語

最小二乘法修復(fù)提離效應(yīng)信號效果要優(yōu)于平均值加權(quán)法，雖然利用最小二乘法修復(fù)時，出現(xiàn)了部分提離效應(yīng)下信號的湮失，但卻保證了總體效果的完整性，有利于對信號的分析，提高檢測的精度和準(zhǔn)確性。信號的湮失是由于在最小二乘法修復(fù)過程中，邊緣提離值信號的丟失，造成在修復(fù)過程中部分信號數(shù)據(jù)丟失。因而可以通過加入相應(yīng)的邊緣提離值信號數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行修復(fù)，如在2mm提離值時，添加1mm提離值時的信號數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)信號的有效修復(fù)。

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ResearchonSignalsRepairofSingleChannelProbeLift-offEffectinPipelineMFLDetection

SONG Zhi-qiang1, ZHANG Ying2, WU Jiang1

(1.PLALogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401131,China; 2.ChongqingHailianVocationalandTechnicalCollege,Chongqing401120,China)

MFL detection is an important method for nondestructive testing of pipelines, and detection probe’s lift-off restricts the detection effect. Finding a suitable and effective method to repair signal distortion which incurred by the detection probe’s lift-off and to improve leakage magnetic detection accuracy mean great to both engineering application and research. Making use of the least squares method can repair lift-off signals effectively and can eliminate the lift-off effect and improve the detection accuracy.

oil pipeline, NDT, MFL testing, lift-off effect, signal repair, least squares method

*重慶博士后基金項(xiàng)目(XM2014099)。

**宋志強(qiáng)，男，1978年7月生，副教授。重慶市，401311。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)04-0457-05

2015-07-28，

2016-07-08)