渦流檢測時改善信噪比的方法

梁鵬飛，恒英姿，姜大超

(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

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渦流檢測時改善信噪比的方法

梁鵬飛，恒英姿，姜大超

(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

渦流檢測過程中不可避免存在著各種各樣的噪聲，如果噪聲水平過高，則會造成現(xiàn)場采集的渦流信號無法滿足數(shù)據(jù)分析要求，因此在數(shù)據(jù)采集和分析過程中，準確判斷噪聲來源并及時采取措施來消除噪聲是非常重要的。介紹了渦流檢測時噪聲產(chǎn)生的幾個主要原因，并配合示例給出了數(shù)據(jù)采集和分析過程中提高信噪比的方法，以為同行提供參考。

渦流檢測；信噪比；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析

在電信號中，噪聲無處不在。渦流檢測尤其是遠場渦流檢測的過程中，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、工件及檢測設(shè)備的制造質(zhì)量以及被檢位置附著的雜質(zhì)等因素，所有這些來源的噪聲合稱為背景噪聲[1-4]。如果檢測過程中噪聲水平較高，而缺陷信號又較為微弱時，缺陷信號就有可能被噪聲信號所掩蓋，從而引起缺陷漏檢，影響檢測結(jié)果，給設(shè)備安全帶來隱患[5]。筆者對內(nèi)穿式渦流檢測信噪比的定義及影響因素進行了探討，并相應(yīng)提出了現(xiàn)場檢測過程中提升信噪比的方法。

1 信噪比定義

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

(1)

式中：P為信號能量；A為信號幅值;下標signal表示缺陷信號，noise表示噪聲信號。

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。在實際檢測過程中，信噪比的影響因素主要包括以下幾個方面：檢測設(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

在渦流檢測過程中，噪聲可能來源于探頭、儀器或者是被檢工件。比如檢測現(xiàn)場附近有焊接作業(yè)時，電流狀態(tài)會被改變，從而產(chǎn)生電噪聲，如果能夠及時確定噪聲來源，則可以在檢測階段就及時消除噪聲影響，保障信號質(zhì)量。

作為檢測信號的來源，探頭當(dāng)屬檢測設(shè)備中對信噪比影響最大的部件。探頭對于信號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)場使用過程中。而探頭產(chǎn)生的噪聲信號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[7]，當(dāng)內(nèi)穿式探頭填充系數(shù)較低時，探頭在被檢管內(nèi)易發(fā)生晃動而產(chǎn)生較多的提離信號。提離信號在多數(shù)渦流檢測中較易與缺陷信號相區(qū)分，但如果提離信號過多過強，則也會對信號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，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。但過高的填充系數(shù)會造成探頭推拔困難、降低探頭通過能力并加劇探頭磨損。而探頭在過度磨損后，則會產(chǎn)生電壓峰值信號等噪聲，嚴重影響檢測信號質(zhì)量。一般來說，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，檢測長度在3 000～7 000 m后就應(yīng)該對探頭進行更換。

如果被檢管的清潔不仔細徹底，其內(nèi)外壁上的附著物也會對信號造成影響，圖1為疑似附著物導(dǎo)致的噪聲示例。準確地說，只要是導(dǎo)電的附著物均會產(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)生的噪聲信號更強，對信號質(zhì)量造成的影響也更強烈。對此問題的解決辦法是清潔被檢管，并清潔探頭后進行復(fù)檢。

圖1 渦流檢測數(shù)據(jù)中疑似附著物導(dǎo)致的噪聲示例

在檢測過程中，另一個有效提高信噪比的辦法是提高激勵電壓增益。渦流檢測中，電壓增益分為激勵增益和接收增益。接收增益實際上是對接收到的缺陷信號和噪聲信號進行同步放大，所以提高接收增益對改善信號的信噪比沒有意義;不過提高接收增益會使得缺陷信號更加明顯，但同時較高的噪聲水平也會使分析人員在噪聲信號的甄別上花費較多時間，浪費大量精力并明顯降低分析效率，并且過高的接收增益有時也會導(dǎo)致信號飽和。

提高激勵電壓被證明是提高信噪比非常有效的方法，但激勵電壓有上限值，除了對應(yīng)渦流儀本身的限制以外，過高的激勵電壓會導(dǎo)致信號飽和以及探頭線圈過熱，如果探頭線圈長時間處于過熱狀態(tài)易失效損壞；尤其是遠場渦流檢測中，線圈匝數(shù)較多且功率較大，更易發(fā)生因激勵電壓過高而導(dǎo)致的探頭損壞。很多設(shè)備為了保護探頭線圈，激勵電壓上限一般設(shè)為10 V，很多探頭的設(shè)計電壓也由此而來，其實，對于常規(guī)渦流檢測中的Bobbin探頭來說，15 V以內(nèi)的激勵電壓都是可以的。

在現(xiàn)場采集實施過程中，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)備與渦流檢測儀器共用電源，也會對渦流儀器造成非常大的電噪聲干擾，特別是檢測人員在信號采集過程中發(fā)現(xiàn)信號中有大量幅值高且相同，角度具有較強規(guī)律性的噪聲時，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、電焊機等大功率電源設(shè)備。因此，在檢測現(xiàn)場要重點關(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)場作業(yè)情況，了解噪聲的可能來源，并采取對應(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：合適的角度標定、通道復(fù)制、濾波[9-12]。

對數(shù)據(jù)進行合適的標定是取得良好信噪比的第一步。數(shù)據(jù)的標定一方面是為了對數(shù)據(jù)的狀態(tài)進行統(tǒng)一，便于對比;另一方面就是要將缺陷信號調(diào)整到便于觀察的方向上。分析人員分析時所觀察的長條圖，通常會調(diào)整至垂直分量方向上，這是因為標定時已將提離信號的角度置于水平方向，而缺陷信號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確。

圖2 信號旋轉(zhuǎn)前后對比

在標定后，如果發(fā)現(xiàn)在一些特定角度上的噪聲較為強烈，為了便于觀察，通常將對應(yīng)的通道進行復(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行觀察，這樣在復(fù)制通道上排除了相應(yīng)的噪聲干擾，對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，對缺陷信號的測量應(yīng)當(dāng)在原通道中進行。圖2是信號旋轉(zhuǎn)前后的對比圖，圖2(a)是旋轉(zhuǎn)前的信號，因為噪聲較大，已無法直觀地觀察到缺陷信號的存在；圖2(b)是對信號進行了52°旋轉(zhuǎn)后的信號，可見信噪比得到了明顯的提升，能夠輕松識別出缺陷的存在。

圖3 濾波前后的信號對比

渦流檢測的濾波功能主要是基于頻率進行濾波，對于一些在頻率上與缺陷信號區(qū)別較大的噪聲是一種較為有效的抑制手段，它的實現(xiàn)需要使用分析軟件來支持?，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)進行低通、高通和帶通濾波。圖3是一組信號在濾波前后的對比。圖3(a)為濾波前信號，從李薩茹圖中可觀察到有明顯雜波，嚴重影響了信號的判別；圖3(b)是通過截止頻率為167 Hz的Butterworth低通濾波后得到的信號，其李薩茹圖中的信號已經(jīng)得到了較好的還原，能夠較準確地讀取其幅值和相位數(shù)據(jù)。

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

4 結(jié)論

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

(2) 被檢管內(nèi)外壁上的附著物也會對信號造成影響，要加強對被檢管和探頭的清潔。

(3) 提高激勵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)分析過程中，標定、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