李景林, 楊 錄, 劉康馳, 肖旭東, 薛程顥

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 電子測試國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引 言

近年來,隨著真空容器在航空航天、海洋、日常生活等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1～4],人們對其安全性能的檢測越發(fā)重視。真空容器在生產(chǎn)和使用過程中受焊接、安裝、外力擠壓等因素的影響,經(jīng)常會導(dǎo)致泄漏的發(fā)生,適時對真空容器進(jìn)行泄漏檢測,可有效避免泄漏事故的發(fā)生。

現(xiàn)今,對于真空容器泄漏檢測方法主要包括氣泡檢漏法、真空計檢漏法、氦質(zhì)譜檢漏法、超聲波檢漏法等[5,6],前兩種檢測方法成本低,檢測方法簡單,檢測靈敏度低,已不適用于工業(yè)檢漏要求。氦質(zhì)譜檢漏法的突出特點(diǎn)是檢測靈敏度高,適用范圍廣,缺點(diǎn)是檢測成本高,檢測方法較為復(fù)雜。相比于氦質(zhì)譜檢漏法,超聲波檢漏法檢測成本較低、方法簡單、靈敏度較高、應(yīng)用范圍廣,是一種常用的檢漏方法。目前這些泄漏檢測方法主要的研究方向在于檢測泄漏的有無,而對于泄漏孔徑的識別研究較少。

本文在超聲波檢漏法的基礎(chǔ)上提出了微泄漏孔徑識別算法。從泄漏孔產(chǎn)生超聲信號原理出發(fā),利用雙通道超聲檢測系統(tǒng)對不同泄漏孔徑下超聲信號進(jìn)行采集、分析。根據(jù)不同泄漏孔下泄漏超聲信號強(qiáng)弱關(guān)系,提取泄漏超聲信號特征值對微泄漏孔徑進(jìn)行表征,為消除特征值受泄漏信號隨機(jī)性所引起的誤判,通過建立數(shù)據(jù)模型并結(jié)合歐氏距離算法,對泄漏孔徑進(jìn)行識別,有效提高了微泄漏孔徑識別的準(zhǔn)確率和可靠性。

1 泄漏原理與波形特征

與壓力容器泄漏原理相似,當(dāng)真空容器內(nèi)外存在較大壓力差時,在其泄漏孔處就會產(chǎn)生泄漏氣體,進(jìn)而形成湍流,產(chǎn)生超聲信號。依據(jù)文獻(xiàn)研究可知,在頻率為40 kHz時泄漏信號具有較強(qiáng)信噪比[7,8],因此選取采集頻率為40 kHz泄漏超聲信號,來分析泄漏超聲信號強(qiáng)度與微泄漏孔徑之間的關(guān)系是可行的。

在相同真空實(shí)驗(yàn)條件下,利用雙通道超聲檢測系統(tǒng)分別對無泄漏時以及泄漏孔徑為0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9 mm時的泄漏超聲信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,得到泄漏超聲信號波形與微泄漏孔徑的分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 泄漏超聲信號波形與泄漏孔徑關(guān)系

從圖1可以看出,隨著泄漏孔徑從0.4～0.9 mm逐漸增大,其泄漏信號幅值也在增大,這表明可以利用泄漏信號特征值作為參量對微泄漏孔徑進(jìn)行識別。從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn),在無泄漏時,也會存在一些微弱信號波形,這主要是由環(huán)境噪聲和電路噪聲引起的,可視為檢測系統(tǒng)的本底噪聲。因此，本底噪聲信號可作為泄漏檢測系統(tǒng)判定真空容器有無泄漏狀況的參考量。

2 特征值算法與波形分析

2.1 特征值算法公式

為研究泄漏超聲信號特征值與微泄漏孔徑之間的關(guān)系,選取其有效值、互相關(guān)有效值、譜峰值、能量值四個特征值進(jìn)行分析研究[9,10]。將雙通道超聲檢測系統(tǒng)采集到的兩路泄漏超聲信號設(shè)為xi(n),其中i=1,2,采樣點(diǎn)數(shù)為N,其特征值具體算法公式如式(1)～式(7)。

1)泄漏超聲信號的有效值是對信號的平均功率的計算,它能夠切實(shí)反映出泄漏超聲信號在時域信號強(qiáng)度,其有效值rms的計算公式如式(1)所示

(1)

2)互相關(guān)函數(shù)是指在時域研究兩個信號之間的相互關(guān)系,廣泛地應(yīng)用于各種信號的處理和檢測,如通信、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域。在泄漏超聲信號中有效信號和噪聲信號相關(guān)性很小,進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算有利于噪聲信號的進(jìn)一步濾除[11],因此，選取互相關(guān)有效值作為泄漏超聲信號的特征值。在進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算時為減少線性乘累加的過程,提高運(yùn)算速度,采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算[12]?；ハ嚓P(guān)有效值計算過程如下:

首先，對信號進(jìn)行FFT運(yùn)算,將任意一路采集的超聲信號x(n)分解為偶數(shù)與奇數(shù)的兩個序列之和,即

x(n)=xe(n)+xo(n)

(2)

k=0,1,…,N-1

(3)

然后,對兩路信號數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉逆變換(inverse FFT,IFFT),得到互相關(guān)函數(shù),并計算其有效值

(4)

(5)

3)泄漏超聲信號的譜峰值反映了信號在頻域某頻率點(diǎn)上的最大信號能量,譜峰值越大,信號在該頻率點(diǎn)的能量越強(qiáng),而其能量值反映了泄漏信號在整個頻域內(nèi)信號能量強(qiáng)弱。計算泄漏超聲信號譜峰值時先對信號x(n)進(jìn)行FFT運(yùn)算,得到X(k),取其絕對值的最大值即為譜峰值。

4)其能量值計算公式為

(6)

由于以上四個特征值的數(shù)值結(jié)果存在跨值域較大問題,不利于算法結(jié)果統(tǒng)一觀察分析,故對信號特征值進(jìn)行取對數(shù)操作,如式(7)所示

TZp=20×log 10(tzp)

(7)

式中p=1,2,3,4;tzp為以上泄漏信號的四個特征值。

2.2 特征值與漏孔關(guān)系分析

為有效分析泄漏超聲信號特征值與微泄漏孔徑的關(guān)系,利用雙通道超聲檢測系統(tǒng)分別在無泄漏時和泄漏孔徑為0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9 mm時,隨機(jī)采集25組泄漏數(shù)據(jù)。

泄漏超聲信號有效值與微泄漏孔徑的分析結(jié)果如圖2,泄漏超聲信號互相關(guān)有效值與微泄漏孔徑的分析結(jié)果如圖3。

圖2 泄漏超聲信號有效值與微泄漏孔徑的關(guān)系

圖3 信號x1,x2互相關(guān)的有效值與泄漏孔徑的關(guān)系

從圖2,圖3可以看出,泄漏超聲信號有效值和互相關(guān)的有效值呈現(xiàn)相同的規(guī)律性:隨著泄漏孔徑的逐漸增大,它們的幅值也在逐漸遞增。存在相鄰泄漏孔徑之間,其泄漏超聲信號特征值的值域出現(xiàn)交叉混疊現(xiàn)象,因而不能直接將有效值和互相關(guān)有效值作為識別微泄漏孔徑的標(biāo)量。

泄漏超聲信號譜峰值與微泄漏孔徑的分析結(jié)果如圖4。

圖4 泄漏超聲信號譜峰值與泄漏孔徑的關(guān)系

從圖4可以看出,由于泄漏超聲信號譜峰值更易受信號隨機(jī)性的影響,導(dǎo)致不同泄漏孔徑下的譜峰值在值域上波動明顯,混疊現(xiàn)象嚴(yán)重,不易區(qū)分泄漏孔徑與譜峰值之間的關(guān)系,因此，泄漏超聲信號的譜峰值不能作為判斷泄漏孔徑的特征參量。

泄漏超聲信號能量值與微泄漏孔徑的分析結(jié)果如圖5。

圖5 泄漏超聲信號能量值與微泄漏孔徑的關(guān)系

從圖5可以看出,與泄漏超聲信號有效值在不同泄漏孔徑下對應(yīng)關(guān)系相似,在頻域的能量值隨著泄漏孔徑的增大,呈現(xiàn)遞增規(guī)律,也存在相鄰泄漏孔徑對應(yīng)的信號能量值出現(xiàn)交叉混疊現(xiàn)象,導(dǎo)致泄漏超聲信號的能量值也無法直接作為識別泄漏孔徑的特征參量。

3 模型建立與算法處理

從泄漏超聲信號特征值與微泄漏孔徑的分析結(jié)果來看,受泄漏超聲信號隨機(jī)性的影響,其特征值在一定值域范圍內(nèi)具有隨機(jī)性,導(dǎo)致相鄰泄漏孔存在交叉混疊現(xiàn)象,因此，不能直接將泄漏超聲信號特征值作為判斷泄漏孔徑的參數(shù)。為利用泄漏超聲信號特征值對泄漏孔徑進(jìn)行表征,采用泄漏超聲信號特征值建立數(shù)據(jù)模型,并結(jié)合歐氏距離算法的方法對微泄漏孔徑進(jìn)行識別。

根據(jù)泄漏超聲信號特征值與微泄漏孔徑的分析,選取泄漏超聲信號的有效值、互相關(guān)有效值、能量值作為數(shù)據(jù)模型矩陣中的元素。如式(8),建立信號特征值的數(shù)據(jù)模型矩陣,用YN×M表示泄漏信號特征值模型矩陣

(8)

式中n為不同的泄漏孔徑,m為同一孔徑下取樣次數(shù)。

引用歐氏距離算法,設(shè)xi為待檢測孔徑的泄漏信號特征值,yi為YN×M中泄漏超聲信號特征值元素,其公式為

(9)

式中i=5,為同一泄漏孔下取樣次數(shù);已知當(dāng)d(xi,yi)越小時,表示兩者的相似度越大[13]。通過將待檢測孔徑的信號特征值代入數(shù)據(jù)模型中進(jìn)行歐氏距離運(yùn)算,比較各個孔徑下歐氏距離值的大小,歐氏距離值最小值對應(yīng)的孔徑即為待檢測孔徑的大小。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于泄漏超聲信號能量值遠(yuǎn)大于其有效值和互相關(guān)有效值,這將影響歐氏距離算法判斷,因此，將信號有效值和互相關(guān)有效值作為數(shù)據(jù)模型矩陣中判斷微泄漏孔徑的一組特征值元素,將信號能量值作為另一個數(shù)據(jù)模型矩陣中判斷微泄漏孔徑的特征值元素。

將兩個數(shù)據(jù)模型應(yīng)用到雙通道超聲檢測系統(tǒng)中,并通過歐氏距離算法對微泄漏孔徑進(jìn)行識別。在測漏實(shí)驗(yàn)平臺上,對真空容器無泄漏時以及泄漏孔徑為0.4～0.9 mm時的6種泄漏狀態(tài)分別進(jìn)行50次泄漏識別實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)此方法對微測漏孔徑的辨識正確率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 泄漏超聲信號有效值和互相關(guān)有效值模型對泄漏孔徑識別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 泄漏超聲信號能量值模型對泄漏孔徑識別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1和表2可以看出:這兩組泄漏超聲信號特征值數(shù)據(jù)模型對真空容器微泄漏孔徑的辨識正確率都比較高，達(dá)90 %以上,誤差識別僅為0.1 mm,達(dá)到了真空容器微泄漏孔徑識別要求。通過兩組試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果在整體方面要比實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果要好,其對微泄漏孔徑的辨識正確率高達(dá)92 %以上,因此，以信號有效值和互相關(guān)有效值建立的數(shù)據(jù)模型,可有效提高微泄漏孔徑檢測識別的準(zhǔn)確率。

5 結(jié) 論

通過對真空容器泄漏超聲信號的研究,本文提出了一種微泄漏孔徑識別方法。采用特征值數(shù)據(jù)模型結(jié)合歐氏距離算法的方式,有效避免了泄漏信號隨機(jī)性帶來的誤判,實(shí)現(xiàn)了微泄漏孔徑準(zhǔn)確識別。通過將此方法應(yīng)用到雙通道超聲檢測系統(tǒng)中,并經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以信號有效值和互相關(guān)有效值建立的數(shù)據(jù)模型對微泄漏孔徑的辨識正確率大于92 %,具有較高的準(zhǔn)確性,能夠完成微泄漏孔徑識別任務(wù)。此微泄漏孔徑識別方法為泄漏超聲檢測技術(shù)只能檢測泄漏有無,而不能識別泄漏孔徑做出完善。下一步需要提高泄漏檢測系統(tǒng)的靈敏度和抗噪性能,以便能夠?qū)?.3 mm以下的微泄漏孔進(jìn)行識別。