梁鵬飛，恒英姿，姜大超

(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

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渦流檢測(cè)時(shí)改善信噪比的方法

梁鵬飛，恒英姿，姜大超

(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

渦流檢測(cè)過(guò)程中不可避免存在著各種各樣的噪聲，如果噪聲水平過(guò)高，則會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)采集的渦流信號(hào)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)分析要求，因此在數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程中，準(zhǔn)確判斷噪聲來(lái)源并及時(shí)采取措施來(lái)消除噪聲是非常重要的。介紹了渦流檢測(cè)時(shí)噪聲產(chǎn)生的幾個(gè)主要原因，并配合示例給出了數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程中提高信噪比的方法，以為同行提供參考。

渦流檢測(cè)；信噪比；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析

在電信號(hào)中，噪聲無(wú)處不在。渦流檢測(cè)尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的過(guò)程中，噪聲的影響更不容忽視。引起噪聲的原因有多種，比如環(huán)境溫度的波動(dòng)、工件及檢測(cè)設(shè)備的制造質(zhì)量以及被檢位置附著的雜質(zhì)等因素，所有這些來(lái)源的噪聲合稱為背景噪聲[1-4]。如果檢測(cè)過(guò)程中噪聲水平較高，而缺陷信號(hào)又較為微弱時(shí)，缺陷信號(hào)就有可能被噪聲信號(hào)所掩蓋，從而引起缺陷漏檢，影響檢測(cè)結(jié)果，給設(shè)備安全帶來(lái)隱患[5]。筆者對(duì)內(nèi)穿式渦流檢測(cè)信噪比的定義及影響因素進(jìn)行了探討，并相應(yīng)提出了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中提升信噪比的方法。

1 信噪比定義

信噪比[6](SNR或S/N)是指檢測(cè)人員想要獲得的缺陷信號(hào)能量與背景噪聲能量之間的比值，當(dāng)缺陷信號(hào)與噪聲信號(hào)均是通過(guò)同一個(gè)橋電路測(cè)量得到時(shí)，其信噪比就可以通過(guò)測(cè)量得到的幅值計(jì)算得出:

(1)

式中：P為信號(hào)能量；A為信號(hào)幅值;下標(biāo)signal表示缺陷信號(hào)，noise表示噪聲信號(hào)。

因此信噪比越高，越有利于缺陷的檢出。通常定義缺陷的最小可檢出能量為2倍的噪聲能量，即S/N=2。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，信噪比的影響因素主要包括以下幾個(gè)方面：檢測(cè)設(shè)備、被檢部件的清潔情況、所使用的電源、增益設(shè)置、濾波設(shè)置等。

2 數(shù)據(jù)采集期間信噪比的提升方法

在渦流檢測(cè)過(guò)程中，噪聲可能來(lái)源于探頭、儀器或者是被檢工件。比如檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)附近有焊接作業(yè)時(shí)，電流狀態(tài)會(huì)被改變，從而產(chǎn)生電噪聲，如果能夠及時(shí)確定噪聲來(lái)源，則可以在檢測(cè)階段就及時(shí)消除噪聲影響，保障信號(hào)質(zhì)量。

作為檢測(cè)信號(hào)的來(lái)源，探頭當(dāng)屬檢測(cè)設(shè)備中對(duì)信噪比影響最大的部件。探頭對(duì)于信號(hào)的影響一方面取決于其制造工藝的好壞，另一方面則存在于現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中。而探頭產(chǎn)生的噪聲信號(hào)一般是探頭與被檢工件之間距離發(fā)生變化而產(chǎn)生的提離信號(hào)[7]，當(dāng)內(nèi)穿式探頭填充系數(shù)較低時(shí)，探頭在被檢管內(nèi)易發(fā)生晃動(dòng)而產(chǎn)生較多的提離信號(hào)。提離信號(hào)在多數(shù)渦流檢測(cè)中較易與缺陷信號(hào)相區(qū)分，但如果提離信號(hào)過(guò)多過(guò)強(qiáng)，則也會(huì)對(duì)信號(hào)分析造成不小的困擾。比較好的解決方法是提高探頭的填充系數(shù)并使用花瓣對(duì)中型探頭。提高探頭填充系數(shù)不但能減少探頭在管材中的晃動(dòng)，其本身也能夠提升探頭的響應(yīng)靈敏度，提升信噪比作用明顯。但過(guò)高的填充系數(shù)會(huì)造成探頭推拔困難、降低探頭通過(guò)能力并加劇探頭磨損。而探頭在過(guò)度磨損后，則會(huì)產(chǎn)生電壓峰值信號(hào)等噪聲，嚴(yán)重影響檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，填充系數(shù)保持在85%～90%，根據(jù)換熱管內(nèi)部潔凈程度不同，檢測(cè)長(zhǎng)度在3 000～7 000 m后就應(yīng)該對(duì)探頭進(jìn)行更換。

如果被檢管的清潔不仔細(xì)徹底，其內(nèi)外壁上的附著物也會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響，圖1為疑似附著物導(dǎo)致的噪聲示例。準(zhǔn)確地說(shuō)，只要是導(dǎo)電的附著物均會(huì)產(chǎn)生噪聲，但磁導(dǎo)率較大的附著物，尤其是鐵磁性附著物產(chǎn)生的噪聲信號(hào)更強(qiáng)，對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成的影響也更強(qiáng)烈。對(duì)此問(wèn)題的解決辦法是清潔被檢管，并清潔探頭后進(jìn)行復(fù)檢。

圖1 渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)中疑似附著物導(dǎo)致的噪聲示例

在檢測(cè)過(guò)程中，另一個(gè)有效提高信噪比的辦法是提高激勵(lì)電壓增益。渦流檢測(cè)中，電壓增益分為激勵(lì)增益和接收增益。接收增益實(shí)際上是對(duì)接收到的缺陷信號(hào)和噪聲信號(hào)進(jìn)行同步放大，所以提高接收增益對(duì)改善信號(hào)的信噪比沒(méi)有意義;不過(guò)提高接收增益會(huì)使得缺陷信號(hào)更加明顯，但同時(shí)較高的噪聲水平也會(huì)使分析人員在噪聲信號(hào)的甄別上花費(fèi)較多時(shí)間，浪費(fèi)大量精力并明顯降低分析效率，并且過(guò)高的接收增益有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)飽和。

提高激勵(lì)電壓被證明是提高信噪比非常有效的方法，但激勵(lì)電壓有上限值，除了對(duì)應(yīng)渦流儀本身的限制以外，過(guò)高的激勵(lì)電壓會(huì)導(dǎo)致信號(hào)飽和以及探頭線圈過(guò)熱，如果探頭線圈長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)熱狀態(tài)易失效損壞；尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)中，線圈匝數(shù)較多且功率較大，更易發(fā)生因激勵(lì)電壓過(guò)高而導(dǎo)致的探頭損壞。很多設(shè)備為了保護(hù)探頭線圈，激勵(lì)電壓上限一般設(shè)為10 V，很多探頭的設(shè)計(jì)電壓也由此而來(lái)，其實(shí)，對(duì)于常規(guī)渦流檢測(cè)中的Bobbin探頭來(lái)說(shuō)，15 V以內(nèi)的激勵(lì)電壓都是可以的。

在現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)施過(guò)程中，還應(yīng)注意儀器接地良好，并做好線纜的屏蔽工作，防止儀器及線路受到電磁干擾。此外，如果有大功率設(shè)備與渦流檢測(cè)儀器共用電源，也會(huì)對(duì)渦流儀器造成非常大的電噪聲干擾，特別是檢測(cè)人員在信號(hào)采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)信號(hào)中有大量幅值高且相同，角度具有較強(qiáng)規(guī)律性的噪聲時(shí)，就應(yīng)當(dāng)懷疑電源可能受到影響，并排查所用的電源箱或上游電源箱是否接有行吊、電焊機(jī)等大功率電源設(shè)備。因此，在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)要重點(diǎn)關(guān)注交叉作業(yè)情況。

3 數(shù)據(jù)分析期間信噪比的提升方法

數(shù)據(jù)分析人員首先應(yīng)該熟悉現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，了解噪聲的可能來(lái)源，并采取對(duì)應(yīng)的措施[8]。數(shù)據(jù)分析階段常用的提升信噪比的方法主要有：合適的角度標(biāo)定、通道復(fù)制、濾波[9-12]。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的標(biāo)定是取得良好信噪比的第一步。數(shù)據(jù)的標(biāo)定一方面是為了對(duì)數(shù)據(jù)的狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一，便于對(duì)比;另一方面就是要將缺陷信號(hào)調(diào)整到便于觀察的方向上。分析人員分析時(shí)所觀察的長(zhǎng)條圖，通常會(huì)調(diào)整至垂直分量方向上，這是因?yàn)闃?biāo)定時(shí)已將提離信號(hào)的角度置于水平方向，而缺陷信號(hào)卻有較大的分量投影在垂直方向，這樣垂直方向上就獲得了較高的信噪比，使分析變得更加輕松和準(zhǔn)確。

圖2 信號(hào)旋轉(zhuǎn)前后對(duì)比

在標(biāo)定后，如果發(fā)現(xiàn)在一些特定角度上的噪聲較為強(qiáng)烈，為了便于觀察，通常將對(duì)應(yīng)的通道進(jìn)行復(fù)制，并將復(fù)制后的通道旋轉(zhuǎn)至信噪比較高的角度上配合原通道進(jìn)行觀察，這樣在復(fù)制通道上排除了相應(yīng)的噪聲干擾，對(duì)缺陷的定位也更為輕松；但需要注意的是，在發(fā)現(xiàn)缺陷以后，對(duì)缺陷信號(hào)的測(cè)量應(yīng)當(dāng)在原通道中進(jìn)行。圖2是信號(hào)旋轉(zhuǎn)前后的對(duì)比圖，圖2(a)是旋轉(zhuǎn)前的信號(hào)，因?yàn)樵肼曒^大，已無(wú)法直觀地觀察到缺陷信號(hào)的存在；圖2(b)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了52°旋轉(zhuǎn)后的信號(hào)，可見(jiàn)信噪比得到了明顯的提升，能夠輕松識(shí)別出缺陷的存在。

圖3 濾波前后的信號(hào)對(duì)比

渦流檢測(cè)的濾波功能主要是基于頻率進(jìn)行濾波，對(duì)于一些在頻率上與缺陷信號(hào)區(qū)別較大的噪聲是一種較為有效的抑制手段，它的實(shí)現(xiàn)需要使用分析軟件來(lái)支持?，F(xiàn)在普遍使用的渦流分析軟件均帶有濾波功能，使用幾種主要的窗函數(shù)進(jìn)行低通、高通和帶通濾波。圖3是一組信號(hào)在濾波前后的對(duì)比。圖3(a)為濾波前信號(hào)，從李薩茹圖中可觀察到有明顯雜波，嚴(yán)重影響了信號(hào)的判別；圖3(b)是通過(guò)截止頻率為167 Hz的Butterworth低通濾波后得到的信號(hào)，其李薩茹圖中的信號(hào)已經(jīng)得到了較好的還原，能夠較準(zhǔn)確地讀取其幅值和相位數(shù)據(jù)。

在實(shí)際數(shù)據(jù)分析過(guò)程中,使用濾波功能要格外注意參數(shù)設(shè)置，不適當(dāng)?shù)臑V波會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中部分特征信息的丟失，而得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) 提高探頭的填充系數(shù)并使用花瓣對(duì)中型探頭可提高信噪比，但要注意及時(shí)更換探頭。

(2) 被檢管內(nèi)外壁上的附著物也會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響，要加強(qiáng)對(duì)被檢管和探頭的清潔。

(3) 提高激勵(lì)電壓是提高信噪比的有效方法，但要注意其上限值。

(4) 在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，標(biāo)定、通道復(fù)制和濾波是提高信噪比的有效手段，但濾波功能要謹(jǐn)慎使用。

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Methods to Promote Signal-to-noise Ratio in Eddy Current Testing

LIANG Peng-fei, HENG Ying-zi, JIANG Da-chao

(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

We can find noises in every ET signal. If the noise level is too high, the data we acquired in workplace will not meet the analysis standard. So, it is really important to find where the noises come from precisely and eliminate the noises timely during data acquiring and analysis. We discussed a few reasons which cause noises and listed some solution methods. Finally, examples were taken for several methods of improving the signal-to-noise ratio in data acquisition and analysis process, which might provide reference for the peer.

Eddy curret testing; Signal-to-noise ratio; Data acquire; Data analysis

2016-05-20

梁鵬飛(1987-),男,碩士，工程師，主要從事核電廠在役檢查相關(guān)工作。

梁鵬飛,E-mail:liangpengfei@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201612012

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0052-03