管道缺陷漏磁檢測單信道探頭提離效應信號修復研究*

宋志強 張 瑩 吳 江

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

管道缺陷漏磁檢測單信道探頭提離效應信號修復研究*

宋志強**1張 瑩2吳 江1

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

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，對由于提離效應造成的信號畸變進行修復，提高缺陷漏磁檢測結(jié)果準確度是工程應用研究的重要一環(huán)。最小二乘法能較好地實現(xiàn)對提離效應造成的信號畸變的修復，為消除提離效應造成的影響、提高檢測的準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 信號修復 最小二乘法

漏磁檢測方法廣泛應用在輸油管道檢測、道路安全檢測等工程檢測領域。研究發(fā)現(xiàn)，在工程實際應用中，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，在工程應用過程中導致發(fā)生檢測探頭提離效應，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，必須對檢測信號進行修正。

1 漏磁檢測探頭提離效應分析

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]。

利用漏磁檢測實訓平臺[4]，利用MFL-4032A漏磁/磁記憶檢測儀，通過建立提離效應實驗平臺[5]進行實驗測定，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，實驗過程檢測數(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度在空間中某一點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信號修復

針對傳感器探頭提離效應的影響問題，一些學者對此進行了大量的研究[8～10]，對因提離效應產(chǎn)生的信號波動常用加權(quán)平均值的方法來進行消除[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帶來的誤差減小到最小，通過對各測量值的全局性差值運算以消除提離效應。加權(quán)平均值前提是提離因素的效應控制在線性變化區(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行線性關(guān)系消除提離效應產(chǎn)生的影響，就會造成漏磁檢測信號多余噪聲的產(chǎn)生，影響到檢測的準確性。要確保檢測的準確性與精確度，就必須建立相應的補償機制進行信號補償與修正[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，可以尋找相應算法對信號的提離效應影響進行補償[5，10]。

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

對S(·)可以在任意t點取值，但是由于提離效應的存在，有部分信號誤差。設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)之間的運算來求得，故求S(·)就可以轉(zhuǎn)化為求解隨機逼近(Robbins-Monro，RM)問題[11]。依據(jù)隨機逼近算法[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)的相互的差商運算來估計出S(t)的數(shù)值，從而求得消除提離效應后信號數(shù)據(jù)集S(t)，得到消除提離效應后的信號。

使用斜率法對漏磁檢測信號值進行歸一化處理，即：

設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。

假設在測量中不存在系統(tǒng)誤差，同時，在平均斜率法進行校對過程中，已經(jīng)對相應的部分系統(tǒng)誤差進行了修正，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準值[12]，利用最小二乘法進行二次計算[12]。

將信號s(t)作為觀測量，而把所有的誤差只認為是y(t)的誤差。設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是分布的標準誤差，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)，應使：

根據(jù)上式要求，應有：

從而得到方程組：

3 單信道提離效應信號數(shù)據(jù)修復實驗驗證

利用上述信號修復算法，選取缺陷試樣Y2，在提離值實驗平臺[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)法與最小二乘法進行修復處理，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后得到的修復波形。

圖3 平均值加權(quán)修復提離效應后信號圖譜

圖4 最小二乘法修復提離效應后信號圖譜

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得到的修復信號方面要優(yōu)于平均值加權(quán)法。

b. 平均值加權(quán)修復法在敏感區(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，平均加權(quán)修復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

最小二乘法修復提離效應信號效果要優(yōu)于平均值加權(quán)法，雖然利用最小二乘法修復時，出現(xiàn)了部分提離效應下信號的湮失，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確性。信號的湮失是由于在最小二乘法修復過程中，邊緣提離值信號的丟失，造成在修復過程中部分信號數(shù)據(jù)丟失。因而可以通過加入相應的邊緣提離值信號數(shù)據(jù)的方式進行修復，如在2mm提離值時，添加1mm提離值時的信號數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)信號的有效修復。

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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

*重慶博士后基金項目(XM2014099)。

**宋志強，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)