基于超聲特征值的微泄漏孔徑識別算法研究

李景林, 楊 錄, 劉康馳, 肖旭東, 薛程顥

(中北大學 信息與通信工程學院 電子測試國家重點實驗室,山西 太原 030051)

0 引 言

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

現今,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,已不適用于工業檢漏要求。氦質譜檢漏法的突出特點是檢測靈敏度高,適用范圍廣,缺點是檢測成本高,檢測方法較為復雜。相比于氦質譜檢漏法,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上提出了微泄漏孔徑識別算法。從泄漏孔產生超聲信號原理出發,利用雙通道超聲檢測系統對不同泄漏孔徑下超聲信號進行采集、分析。根據不同泄漏孔下泄漏超聲信號強弱關系,提取泄漏超聲信號特征值對微泄漏孔徑進行表征,為消除特征值受泄漏信號隨機性所引起的誤判,通過建立數據模型并結合歐氏距離算法,對泄漏孔徑進行識別,有效提高了微泄漏孔徑識別的準確率和可靠性。

1 泄漏原理與波形特征

與壓力容器泄漏原理相似,當真空容器內外存在較大壓力差時,在其泄漏孔處就會產生泄漏氣體,進而形成湍流,產生超聲信號。依據文獻研究可知,在頻率為40 kHz時泄漏信號具有較強信噪比[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度與微泄漏孔徑之間的關系是可行的。

在相同真空實驗條件下,利用雙通道超聲檢測系統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據進行采集,得到泄漏超聲信號波形與微泄漏孔徑的分析結果如圖1所示。

圖1 泄漏超聲信號波形與泄漏孔徑關系

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行識別。從圖1(a)中可以發現,在無泄漏時,也會存在一些微弱信號波形,這主要是由環境噪聲和電路噪聲引起的,可視為檢測系統的本底噪聲。因此，本底噪聲信號可作為泄漏檢測系統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系,選取其有效值、互相關有效值、譜峰值、能量值四個特征值進行分析研究[9,10]。將雙通道超聲檢測系統采集到的兩路泄漏超聲信號設為xi(n),其中i=1,2,采樣點數為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,它能夠切實反映出泄漏超聲信號在時域信號強度,其有效值rms的計算公式如式(1)所示

(1)

2)互相關函數是指在時域研究兩個信號之間的相互關系,廣泛地應用于各種信號的處理和檢測,如通信、雷達、聲納等領域。在泄漏超聲信號中有效信號和噪聲信號相關性很小,進行互相關運算有利于噪聲信號的進一步濾除[11],因此，選取互相關有效值作為泄漏超聲信號的特征值。在進行互相關運算時為減少線性乘累加的過程,提高運算速度,采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)進行互相關運算[12]?；ハ嚓P有效值計算過程如下:

首先，對信號進行FFT運算,將任意一路采集的超聲信號x(n)分解為偶數與奇數的兩個序列之和,即

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

(2)

k=0,1,…,N-1

(3)

然后,對兩路信號數據進行快速傅里葉逆變換(inverse FFT,IFFT),得到互相關函數,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上的最大信號能量,譜峰值越大,信號在該頻率點的能量越強,而其能量值反映了泄漏信號在整個頻域內信號能量強弱。計算泄漏超聲信號譜峰值時先對信號x(n)進行FFT運算,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值結果存在跨值域較大問題,不利于算法結果統一觀察分析,故對信號特征值進行取對數操作,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系,利用雙通道超聲檢測系統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,隨機采集25組泄漏數據。

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

圖2 泄漏超聲信號有效值與微泄漏孔徑的關系

圖3 信號x1,x2互相關的有效值與泄漏孔徑的關系

從圖2,圖3可以看出,泄漏超聲信號有效值和互相關的有效值呈現相同的規律性: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交叉混疊現象,因而不能直接將有效值和互相關有效值作為識別微泄漏孔徑的標量。

泄漏超聲信號譜峰值與微泄漏孔徑的分析結果如圖4。

圖4 泄漏超聲信號譜峰值與泄漏孔徑的關系

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性的影響,導致不同泄漏孔徑下的譜峰值在值域上波動明顯,混疊現象嚴重,不易區分泄漏孔徑與譜峰值之間的關系,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果如圖5。

圖5 泄漏超聲信號能量值與微泄漏孔徑的關系

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關系相似,在頻域的能量值隨著泄漏孔徑的增大,呈現遞增規律,也存在相鄰泄漏孔徑對應的信號能量值出現交叉混疊現象,導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果來看,受泄漏超聲信號隨機性的影響,其特征值在一定值域范圍內具有隨機性,導致相鄰泄漏孔存在交叉混疊現象,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。為利用泄漏超聲信號特征值對泄漏孔徑進行表征,采用泄漏超聲信號特征值建立數據模型,并結合歐氏距離算法的方法對微泄漏孔徑進行識別。

根據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、互相關有效值、能量值作為數據模型矩陣中的元素。如式(8),建立信號特征值的數據模型矩陣,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。

引用歐氏距離算法,設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;已知當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據模型中進行歐氏距離運算,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的孔徑即為待檢測孔徑的大小。

4 實驗結果與分析

由于泄漏超聲信號能量值遠大于其有效值和互相關有效值,這將影響歐氏距離算法判斷,因此，將信號有效值和互相關有效值作為數據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據模型矩陣中判斷微泄漏孔徑的特征值元素。

將兩個數據模型應用到雙通道超聲檢測系統中,并通過歐氏距離算法對微泄漏孔徑進行識別。在測漏實驗平臺上,對真空容器無泄漏時以及泄漏孔徑為0.4～0.9 mm時的6種泄漏狀態分別進行50次泄漏識別實驗,檢驗此方法對微測漏孔徑的辨識正確率,實驗結果如表1和表2所示。

表1 泄漏超聲信號有效值和互相關有效值模型對泄漏孔徑識別實驗結果

表2 泄漏超聲信號能量值模型對泄漏孔徑識別實驗結果

從表1和表2可以看出:這兩組泄漏超聲信號特征值數據模型對真空容器微泄漏孔徑的辨識正確率都比較高，達90 %以上,誤差識別僅為0.1 mm,達到了真空容器微泄漏孔徑識別要求。通過兩組試驗結果對比發現:實驗一的結果在整體方面要比實驗二的結果要好,其對微泄漏孔徑的辨識正確率高達92 %以上,因此，以信號有效值和互相關有效值建立的數據模型,可有效提高微泄漏孔徑檢測識別的準確率。

5 結 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。采用特征值數據模型結合歐氏距離算法的方式,有效避免了泄漏信號隨機性帶來的誤判,實現了微泄漏孔徑準確識別。通過將此方法應用到雙通道超聲檢測系統中,并經過多次實驗驗證,以信號有效值和互相關有效值建立的數據模型對微泄漏孔徑的辨識正確率大于92 %,具有較高的準確性,能夠完成微泄漏孔徑識別任務。此微泄漏孔徑識別方法為泄漏超聲檢測技術只能檢測泄漏有無,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的靈敏度和抗噪性能,以便能夠對0.3 mm以下的微泄漏孔進行識別。