启停送料引起的涡流检测噪声抑制方法研究

徐雷，赵鹏振，刘继

（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201800）

涡流检测是一种重要的无损检测技术，广泛应用于工业领域，具有灵敏度高、结构简单、检测效率高等优点。涡流检测过程中，噪声抑制是核心问题。

目前，棒材涡流检测在稳定连续送料时，应用已经十分广泛。但是在棒材间歇式启停送料工况时，干扰噪声过大，涡流检测技术应用受限。间歇启停送料时，棒材抖动和速度的变化不可避免。棒材的抖动会使提离效应增大，干扰噪声也随之增大；棒材的速度变化使得棒材表面的涡流畸变，产生低频干扰噪声，该类噪声与缺陷信号频率接近，幅值重叠，难以分离，给涡流检测信号处理带来了难度。本文利用了缺陷信号的正弦特性，采用总体最小二乘法[TLS]提取缺陷信号的正弦特性，分离噪声信号，达到了降噪的目的。

1 主要噪声来源

1.1 提离效应

棒材涡流检测时检测线圈与棒材试件间的相对位置十分敏感，这种由于检测线圈与棒材之间距离变化引起的检测线圈阻抗变化的现象称为提离效应。本文中，主要研究问题是棒材间歇式启停送料工况下的噪声抑制，这种工况下，棒材会产生抖动，提离效应加剧，因此提离噪声也会增大。

1.2 棒材速度变化引起的噪声

棒材间歇式启停送料工况下，棒材运动速度随着送料的启停而周期性的加速减速，速度变化使得棒材表面的涡流发生畸变，由于磁场之间的相互作用，检测线圈的阻抗值也会随之变化，干扰噪声随之产生。该噪声频率与需要采集的缺陷信号的频率接近，幅值区分度不大，给后续的信号处理带来了难度。

2 正弦提取

2.1 缺陷信号的正弦特性

本文实验涡流检测系统采用差分穿过式探头，理论上采集到的信号经过阻抗分解后分为电阻值和电抗值，都是正弦变化。图1是实验室采集到的经过阻抗分解后电阻值（幅值偏小）和电抗值变化，具有明显的正弦特性。

2.2 总体最小二乘法（TLS）提取正弦波

含有干扰噪声的正弦波叠加可表示为

图1 电阻值与电抗值变化图

上述叠加（不考虑随机噪声e(n)）可以描述为AR（2K）线性预测模型：

（6）式可以采用最小二乘法Aa=b求解，求得{a}后，则可求出正弦信号的频率，从而求出幅值和相位角。

上述情况没有考虑干扰噪声，在考虑干扰噪声时，采用总体最小二乘法（TLS）求解。

问题转化为寻找a的最优解使得:

的扰动矩阵E和r总体误差||E,r||F2最小。

（8）的增广矩阵为:

则问题转化为寻找最小的范数扰动矩阵[E,r]使得[A,b]+[E,r]为非满秩矩阵，中最后一个元素置为-1方便后续归一化求出a。

对[A,b]进行奇异值分解：

求得{a}后，则可求出正弦信号的频率，从而求出幅值和相位角。

2.3 利用总体最小二乘法处理数据

（1）低通滤波。本文中需要处理

的原始信号中包含了大量的高频噪声，如果不进行低通滤波，会对后续的正弦提取造成影响。将不同幅值R的2.5Hz的正弦信号叠加到原始信号上，用总体最小二乘法提取2.5Hz的叠加信号；同样的，原始信号经过低通滤波后，将不同幅值R的2.5Hz的正弦信号叠加到滤波后的信号上，用总体最小二乘法提取2.5Hz的叠加信号，两组结果进行对比。表1是低通滤波前后正弦提取的频率结果对比。

表1 低通滤波对频率提取的影响表

表1是对应不同信号幅值情况下，叠加2.5Hz标准正弦信号，使用总体最小二乘法提取2.5Hz的信号，提取的信号频率结果。

图2 X通道原始信号低通滤波结果图

图3 X通道滤波信号与1hz正弦信号叠加结果图

图4 X通道叠加信号正弦提取结果图

图5 Y通道原始信号低通滤波结果图

图6 Y通道滤波信号与1hz正弦信号叠加结果图

图7 Y通道叠加信号正弦提取结果图

对比滤波前后，信号处理的精度会因为低通滤波而提高

（2）正弦提取结果。

信号处理流程：X通道即电阻值信号通道（或者Y通道即电抗值信号通道）采集的原始信号，经过低通滤波滤除无用高频信号得到图2（图5），低通滤波后得到的信号与1hz的正弦信号叠加得到图3（图6），叠加信号经过总体最小二乘法提取正弦信号，得到图4（图7）。

在叠加信号中提取1hz的正弦信号，对比前后信号差异验证总体最小二乘法的可行性。本文将提取的正弦信号频率范围设定为0.5hz-5hz。本文研究课题中，需要的缺陷信号频率较低，一般处于1hz-3hz范围内，所以频域范围符合要求，棒材涡流检测中缺陷信号幅值是一个很重要的判别指标如上列6图所示，频率还原结果符合要求的区间内，幅值还原准确度也很高。表2为1hz正弦信号的叠加前后参数对比。

表2 1Hz正弦信号叠加前后参数对比表

图4、图7正弦信号提取结果显示，在部分未叠加正弦信号的区间内出现了小幅值的正弦波，原因是棒材表面有小尺度的缺陷存在，在涡流检测过程中，产生了正弦特性的缺陷信号，理论上是我们需要的信号，但是幅值太小，说明该缺陷的尺度在容许的范围内。

3 结语

总体最小二乘法（TLS）在涡流检测正弦信号提取中，对于正弦特性的缺陷信号还原准确度很高，在滤除主要干扰噪声的同时，保留了有用信号的正弦特性，相应的频率，幅值均满足要求。