超聲檢測(cè)中金屬裂紋多特征提取探討范文

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摘要:針對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)中大多采用單一特征致使裂紋檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，該文提出了基于多特征提取的金屬裂紋檢測(cè)方法。首先，在分析裂紋超聲回波特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用小波包變換獲取信號(hào)的局部時(shí)頻信息;隨后，通過(guò)定義相關(guān)系數(shù)、能量熵和模極大值等參數(shù)作為識(shí)別特征，結(jié)合k-近鄰準(zhǔn)則和決策級(jí)融合算法對(duì)金屬裂紋進(jìn)行識(shí)別分析。超聲回波實(shí)測(cè)結(jié)果表明，利用該文提出的改進(jìn)方法在顯著提高金屬裂紋識(shí)別率的同時(shí)，還能有效降低高斯白噪聲影響。

關(guān)鍵詞:超聲檢測(cè);金屬裂紋;多特征提取;小波包變換

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的金屬構(gòu)件被用于工業(yè)裝備制造。長(zhǎng)期服役的金屬構(gòu)件中會(huì)出現(xiàn)裂紋，這些裂紋在應(yīng)力作用下不斷加速擴(kuò)展，最終造成機(jī)械設(shè)備損毀和工程結(jié)構(gòu)斷裂。因此準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別金屬裂紋成為保證裝備運(yùn)行安全的首要前提。由于自身的非破壞性，超聲檢測(cè)現(xiàn)已成為一種最常用的無(wú)損檢測(cè)方法［1－2］。然而，超聲回波信號(hào)具有典型的時(shí)變、非平穩(wěn)特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的特征提取與精準(zhǔn)識(shí)別［3－4］。由于小波分析具有多分辨分析的特點(diǎn)，使其能同時(shí)在時(shí)域和頻域表征信號(hào)的局部特征，因而在非平穩(wěn)信號(hào)處理中得到了廣泛應(yīng)用［5－7］。Anaya等人將離散小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，完成了金屬鋁板內(nèi)部不同損傷的分類(lèi)識(shí)別［8］;Ali等人比較了連續(xù)小波變換和小波包變換中小波函數(shù)選取對(duì)裂紋分類(lèi)結(jié)果的影響［9］。然而已有研究大多僅選用小波變換系數(shù)作為裂紋特征［10－11］，對(duì)裂紋信息的表征能力有限，且容易受到噪聲干擾。針對(duì)這些問(wèn)題，本文首先對(duì)超聲回波進(jìn)行小波包變換，在分析信號(hào)時(shí)頻域信息的基礎(chǔ)上，定義能量熵、模極大值和相關(guān)系數(shù)等參數(shù)作為識(shí)別特征;接著，結(jié)合相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的識(shí)別。此外，通過(guò)對(duì)3種不同尺寸的金屬裂紋進(jìn)行超聲反射法回波實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該方法的有效性。

1小波包變換

已有研究顯示，超聲回波信號(hào)的高頻部分和低頻部分均包含裂紋的相關(guān)信息［8－9］。只有對(duì)信號(hào)低頻和高頻部分同時(shí)處理，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的全面表征。常用的離散小波變換僅對(duì)信號(hào)的低頻部分逐層分解，而對(duì)高頻部分不做處理。相比之下，小波包變換［12］對(duì)信號(hào)的低頻和高頻部分同時(shí)進(jìn)行多層次分解，顯著提高了信號(hào)的時(shí)頻分辨率。

2金屬裂紋多特征提取

作為超聲檢測(cè)的核心步驟，定義適當(dāng)?shù)奶卣鲄?shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋信息的全面表征至關(guān)重要。本文在上述回波信號(hào)小波包變換的基礎(chǔ)上，定義如下3個(gè)裂紋特征參數(shù)。

2.1相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)描述了兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)之間的相似程度［13］。金屬裂紋造成超聲回波信號(hào)和正常信號(hào)在某些頻段內(nèi)存在差異，相似度降低。

2.2能量熵能量熵是時(shí)頻域小波包能量規(guī)律性的量度［14］。能量熵值越大，信號(hào)中各成分的不確定性越大，所包含的信息量越大;能量熵值越小，信號(hào)所包含的信息量也越少。

2．3模極大值超聲回波信號(hào)中劇烈變化的部分往往與裂紋有關(guān)［15］，這些不規(guī)則的信號(hào)突變點(diǎn)稱(chēng)為奇異點(diǎn)，反映了超聲波在金屬內(nèi)部的傳播特性。已有研究顯示，小波變換后的模極大值正好與信號(hào)的奇異點(diǎn)相對(duì)應(yīng)［16］。

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述裂紋特征提取方法的有效性，本文對(duì)同一金屬板上不同尺寸的裂紋進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。金屬板有效長(zhǎng)度50mm(兩個(gè)頂肩之間距離)、寬度15mm、厚度2mm。測(cè)試中C0表示無(wú)裂紋時(shí)的正常狀態(tài)，其他裂紋狀態(tài)是在上表面的不同位置上采用線切割加工而成的通孔，這些不同橫截面大小的通孔從左到右分別為C1(0.8mm×0.8mm)，C2(1.2mm×1.2mm)，C3(1.6mm×1.6mm)。超聲檢測(cè)系統(tǒng)包括Olympus的5073PR脈沖收發(fā)器、Agilent的2022A示波器以及Panametric中心頻率為10MHz、直徑為6mm的V112-RM接觸式高頻直探頭，為了避免該高頻探頭的近場(chǎng)區(qū)影響和邊界效應(yīng)，檢測(cè)時(shí)在探頭前面附加了延時(shí)塊。在開(kāi)始測(cè)量前，把圖1中的金屬板翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)使得有通孔裂紋的一面朝下，然后超聲波從上表面進(jìn)入，圖2截取了從底面一次反射回來(lái)的不同裂紋超聲回波信號(hào)。從圖2中可以看出，在1.05×10－6s處均出現(xiàn)明顯的超聲回波。根據(jù)上述測(cè)試過(guò)程可知，該回波為金屬板材底面的一次反射波。隨著裂紋尺寸的增加，直接從底面反射回來(lái)的有效面積減少，導(dǎo)致其反射波幅度降低。同時(shí)，圖2(b)～(d)中分別在8×10－7s，7×10－7s，5.5×10－7s隱約出現(xiàn)了裂紋回波信號(hào)，主要是由于探頭到3個(gè)橫孔的聲程逐漸減小所致。然而，要直接對(duì)這3種裂紋類(lèi)型實(shí)現(xiàn)識(shí)別卻比較困難，必須進(jìn)行裂紋特征提取。

4結(jié)論

針對(duì)目前超聲檢測(cè)中常用的金屬裂紋識(shí)別方法特征單一、容易受到噪聲干擾等問(wèn)題，為了進(jìn)一步提高超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本文提出了一種基于多特征提取的金屬裂紋檢測(cè)方法。在對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行小波包變換的基礎(chǔ)上，分別定義相關(guān)系數(shù)、能量熵和模極大值作為特征用于金屬裂紋的識(shí)別。此外，利用本文方法對(duì)金屬板上3種不同尺寸的裂紋進(jìn)行超聲檢測(cè)。結(jié)果表明，基于上述多特征的金屬裂紋識(shí)別結(jié)果顯著提高，而且對(duì)高斯白噪聲不敏感，因而更適用于實(shí)際工業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行檢測(cè)。

作者：樊萍1，劉新寶2 單位：1．西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2．西北大學(xué)化工學(xué)院