（控制理论与控制工程专业论文）缺陷漏磁场的研究及其无损检测探伤的应用.pdfVIP

摘蔓 摘要 针对油管容易遭到腐蚀性损伤而目河缺乏有效检测手段的现状，本文系统的 研究了平面网形缺陷模型，提山了阈形缺陷的法线分量漏磁场的实验分布模m 。 根捌唼验要求，通过剥俐板达到饱和磁化的必要性进行的分析，设计了符合试验 条件的励磁磁路r 并设讨了一套实验验证系统；根据圆形缺陷法线分量漏磁场jl 何图形正负双峰值的特点，采用线性回归拟合的原理和m a t l a b 软件及其统计l 具箱中的相关函数，给出了圆形缺陷漏磁场几何图形的峰峰值1 j 圆形缺陷的随径 和深度以及峰峰值问距1 j 圆形缺陷直径的两个回归拟合方程，并通过实验验证系 统验址了拟合方程的正确性，利用这两个简甲实用的拟合方程，提出了种工程 定量检测圆形缺陷的应用方案。 关键宁：无损检测，磁路，圆形缺陷，漏磁场，线性瞳f 归 摘蛆 a b s t r a c t i nt h el i g h to ft h es t a t u st h a tt h e r ea r ec a u s t i cf a u l t si nt h eo i lw e l lt u b i n ga n d t h e r ea r en o te f f e c t i v ei n s p e c t i o n s ，i nt h i sp a p e rt h ep l a n er o u n d n e s sf a u l tm o d e lo t 、 t h ei ss t u d i e d ，a n dt h em a g n e t i cl e a k a g ef l u xd i s t r i b u t i n gm o d e la tt h ed i r e c t i o no f t h en o r m a lo ft h er o u n d n e s sf a u l ti sp r o p o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o u tt h et e s t r e q u i r e m e n t sa n dt h e s a t u r a t e d m a g n e t i z a t i o n e l 、t h ea r m o rp l a t e ，t h ee x c i t a t i o n m a g n e t i cc i r c u i ts a t i s f y i n gt i r et e s t i n gc o n d i t i o na n d av a l i d a t i o ns y s t e ma r e d e s i g n e d b e c a u s et h eg e o m e t r i co ft h em a g n e t i cl e a k a g ea tt h ed i r e c t i o no ft h en o r m a lo ft h e r o u n d n e s sf a u l th a st h ef e a t u r eo ft w op e a k s ：ap o s i t i v ea n dan e g a t i v e ，u s i n gt h e l i n e a rr e g r e s s i o na n dt h es o f t w a r em a t l a b ，t w or e g r e s s i o ne q u a t i o na r e p r o p o s e d ：o n e i sa b o u tt h ep e a kv a l u eo ft h em a g n e t i cl e a k a g ea n dt h ed i a m e t e ra n dd e p t ho ft h e r o u n d n e s sf a u l t ；t h eo t h e ri st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w op e a k sa n dt h ed i a m e t e ro f t h er o u n d n e s sf a u l t t h er e s u l to ft h ev a l i d a t i o ns y s t e m p r o v e st h a tt h et w oe q u a t i o n s a r ev a l i d a n da n a p p l i e d m e t h o d u s i n g f o r q u a n t i f i c a t i o n a l l yi n s p e c t i n g t h e r o u n d n e s sf a u l t si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h et w o e q u a t i o n s k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，m a g n e t i cc i r c u i t ，r o u n d n e s s f a u l t ，m a g n e t i c l e a k a g ef l u x ，l i n e a rr e g r e s s i o n 1 1 课题概述 第一章绪论 油臂是将原油从地p 输送到地i | _ | 】的唯通道。这些油管通常i 作条件很恶 劣，常常是高温高压和憾腐蚀性的。油管： 作j j 具有一定腐蚀性的井液介质中， ，l 乎所有的油井都有腐蚀性，只不过有些井轻些，有些井重螳。油井中起腐蚀 作1 j 的介质主要是盐水、溶解氧、h ：s 、c 0 2 利有机酸等。当h 2 s 和c 0 2 腐蚀 共存时，油管所临的腐蚀环境将更加恶劣。这导致了油管很容易遭到腐蚀、 穿孔。 面对油管在实际使用中经常损坏的严酷客观事实，各国的油管制造厂商、 油n 检测部门、维修部门与管理部j 1 j ，如美国和中国等，先后针对不同的油管 损伤的检测与使用制定了相应的行j 业安令规程和因家规范或者标准h 3 j 。有：我 围，尽管管道的使用与检测有章可循，但事故仍时有发，b 分析其原j 鲴，主要 有： 第一，管理混乱。油田生产现场复杂，每口油井的情况不同每根油管的 实际情况不同，导致无法及时“6 1 ：1 一l h “、j ，更换相心的汕管。 第二，缺乏叮靠的检测手段。定期的检测及适当的维修、保养是及时发现 和消除事故隐患的关键。针对油管的各种损伤，虽然国内外部丌发生产了 此 油管损伤检测装置，但由于日前的技术水乎和装置性能以及价格因素，使得这 些检测装置的使用在我幽受到了极火的制约。这主要表现存以下几个方i _ f 【i ： ( 1 ) 灵敏度低，检测效果较筹。不论是进门的还是国产的此类装一甜，存 在的 个严重问题就是灵敏度太低，检测效果很差，1 ；能有效的防止事故。例 如，有的检测油管的装置，连手指头大的腐蚀性穿孔都无法检h 。 ( 2 ) 进r 1 设备价格昂贵难以普及，i 5 乏备的维修与零配件的供j 、女成拽术传授 也存在睦j 蝌b ( 3 ) 对损伤的检测尚处于简单的阀值报警阶段，误判率和漏判率高，检测 装胃难以实现损伤的定量检测识别，对损伤的自动口 别和定鞋评价技术等的研 可r 可：彳i 彩。 综i ：所述，州i 管作为把石油生产巾必卅i 可少的环，油符的质量x , l 行汕i ： 业关系重大，f 由管的寿命直接关系到打油丌聚的力方衄面。冈此，进t t t t f 究和丌发实用的油管损伤检测技术和装置，商接关系到节约资源和降低原“i t ，： 采成本。 本课题的同的在于t i 刈油管内外罐存在损伤向缺乏有效的定嚣检测利计判 于段的现实以及管道损伤检测技术在理沦利技术上存在的困难，从检测原理平1 方法f j 进行理论分析和艾验研究，并以此为基础，为后续的研制和j ：发实剧的 油道检测系统做指导。本学位论文以“缺陷漏磁场的研究及其无损探伤的威h 可， 作为研究的t 攻方向，重点研究j i 二面冈形缺陷的漏磁场分布规律，找到种油 管局部缺陷的定量检测方法，为： 程应用在理论技术上提供一套检测方案。 1 2 油管损伤无损检测技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 油管损伤无损检测方法 为了节约资源、降低原油，i ：采成本，有必要定期检查各种油管，以期尽赞 延长汕舒的使用寿命，达到尽量延长管道的使用年限，达到少钻井、多产汕if 内 目的。近年来，无论是油管制造商还是洲i 1 检测与维修部门都愈来愈清楚的认 识剑，无损检测工作在保证获得良好的经济效益和竞争力方面，是不可缺少 重要手段。因此，各国的制造j 一商、油f 兀检测与维修部门普遍加强了刑油管的 榆测。 对油管损伤的检测，最原始的方法是人：l f i 视检查和水压试验。最i f 的 方法是机械检测法。日d u ，已经在f 程实践中使用和正在研究丌发的油管损伤 无损检测方法主要有图1 1 所示的几种。这儿种方法各有其特点，也都存在 定的局限一h - ：。 j i 汕镑绝大多数采门j 导磁性能良好的旧j 碳铡或者合 0 ，反之，1 l ( 铁磁性物质) ，则o 。望o ， m 9 0 。，这时在介质l ( 铁芯) 内磁感应线l 乎与界面平仃，从而也非常密集， 铁芯的磁导率u 越人0 角越接近r9 0 。，磁感j 、t 线就越接近于与表i 面j l i 行， 从而漏磁通越少，这样，高磁泞率的铁芯就把磁通量集， ，到自已的内部。j t 连 上一“ l 一 批巡佩 j q l f ：ft i p 、7 产州卜论二l群辑融场雏奉鲤论，互m 磁谳蹿的设川 续、均匀的木才质巾有切割磁力线的缺陷存存时就形成漏磁场，立圈2 5 所示。 ，漏磁场 ：昔乡二。、i ：墓苎葺= 一o 一一2 _ 铁磁材质缺陷 | 一一。一一- 幽2 - 5 缺陷黼磁场形成示意幽 2 2 2 圆形缺陷漏磁场的理论模型推导2 5 1 发圆柱形缺陷的半径为a ，深度为h ，取图2 - 6 所示坐标系。 幽2 - 6 碾m ，口缺陷 i 为r 件中的磁化场，假设它稿尉柱形内壁产，l 珀面磁荷密度为 p = 只”= 只，c o s o 式中只磁极化强度矢量 p ，= 一，“归 n - - 。隧形内壁的外法线f 口位矢量 ( 2 2 ： ) 若源点坐标为p ( a s i nc p ，y ，a c o s ( p ) ，场点的坐标为p g ，y ，z ) ，则源点至场 点的距离为 r = r2 十“! + p y ) 2 2 a r c o s ( p d ) ： i，= x 2 + ：! 护= 吖，【。，譬! ( 2 2 _ ) 讹啦撇场牡奉邶沦搜泐f 】i ；：嵫踏的噬 p 。一? 、i 的标童磁位中。，为 巾，衅4 n u o r2 鲁丽等而 上式对变量巾的积分是个椭圆积分。令 ， 2 a r 扣f 丽 山项式定理展丌，取前二兰项得 l j 。l 。- 。k 1 。c 0 1 1 。s 。1 ( 。# , - o ) 。l + ! ! ! ! 娩二盟+ 2 将此式代入j ：面积分中可求得 m 。= 掣寿 根扼 式( 2 2 4 ) 可得c o s o 所以 所以 = 鲁吾寿f c o s 口耐p l 一2 a r c o s ( 妒一目l “2 + r 2 + ( y y ) 2 3 k 2 c o s 2 ( c , o 一0 ) 8 矿靠一南卜z h 产2 2 5 2 2 = = = 一一f 2 = = = 一l tzz) “2 + ，2 + d + ) 2 托2 + r ! + 矿r 。 q f + z 2 y + h y d ! - ，2 + ( y + 厶) 2“! + ，2 + y 2 r 一= i = ：= = = = = = = = = = = 鲁。再b f4 o 口! + x2 + z 2 l 瓮确h a 2 - t o _ y + h 归i i i i 丽亍一 h | j 去2 畿篙1 爿薷一篇卜 口c ，l ，2 十x2 + ：2 ) 2 【：了j _ ；两i 丽一：i 2 i i j i ；萧f + c ，。十x 一+ ： 一堕! 牲! ：l i - ! + xz + ：+ d + ) 。) ； 3 霈去万 引，+上， 一，p 铺：常蹴场堪水理论及嘲磁脱路的啦h 划z b = & 4 漏磁场的垂直分量町山下式求得 口。铂以= - l o 孕 砂 b 口o - ：+ y zq - x 2 + = 2 ) ；b ! + ( 十 ) ! + x 1 + ：! f ( 2 2 7 ) 将式( 2 2 6 ) 和( 2 27 ) 取x = o 州( 即剧孔中心线处) 绘成曲线，如图2 7f j f , , - 。 图。i lp v b e t 表示y 方向的漏磁场的诉负峰值的间距，p v b e t y 和p v b e th 两图 中从上往f _ 缺陷孔半径依次为2 0 m m ，1 5 r a m ，l o m m 和5 m m 。 由图2 7 町见，口e 。z j 纵坐标z 轴埘称，在中心处漏磁场水、1 2 分量 有极大值，两边随离开缺陷斗】心迅速减小。b 。口。z 曲线与巾心点划称，h 紧靠中心两侧漏磁场垂直分量各有个大小相等l f 负相反的极值。 口。b 。h 曲线，在缺陷深度h 较小时，随h 增加，磁场分量t ：f f a n 较快：当h 增大 到定值后，磁场分量几乎不变。b 、r 。，一n 曲线，在缺陷半径a 较小叫，随t 。 增加，磁场分量儿乎呈线性增大，当a 增大到。一定值后，磁场分量反而下降。观 察冈2 - 7 叶 的曰。8 。一z 曲线，可初步得出，i l - 负峰值的间距( 峰峰值削距p v b e i 。) 与缺| 5 f 同孔的卣径可能有定的关系，hm al a b 数字求解式( 2 2 7 ) 取l j 负 峰值的问距，可初步得出峰峰值问距与孔径的关系，如图2 7 巾的p v b e t i ) 曲 线，峰峰值f j 2 e 与圆形缺陷的半径近似相等。观察图2 7 中的p v b e t v 和 p v b e t hf | _ f 线，：看my 方向的漏磁场的峰峰值川距随提离值和缺陷深度的增 大而缓慢增犬，f e i j - f f l i g 4 e d , 。山于y 万向( 水、l i 方向) 的缺| 5 i ；1 漏磁场的j l f i 形只有个特千l j 值峰值，且与缺陷的几何参数关系不是很明锓，而y 方向 ( 垂赢方向) 的缺陷漏磁场得几们图形有正负两个峰值，能比较叫混的提取两 个特征量：峰峰值和峰峰值叫距，“i j j 罔27 中的p v b e t 【) f 线可以很明砸的 番 t ：i 峰峰值n | j 距j 缺陷孔径的关系，所以实验中测试y 乃向( 即法线力+ i f l j ) f 向 漏磁场。 讹i 臌场 小删沧硬腑磁f l i 蹄e v , , j 改“ b z b o z 关系曲线 b y b o z 关系曲线 e e 苫 e = d h ( m m ) p v b e t d 的关系曲线 缺陷深度h ( m m ) b y t b o a 关系曲线 e e = 丑 p v b e t y 的关系曲线 蚓2 - 7 理论模型推导- 与缺1 1 f i 4 l 符项参数的荚系 i f 、f k 人中坝i j 除史第：带磁场举术删沧及肭磁f l f i 路的世；l _ 2 , 3 磁化场强度的选择 由 i 在连续、匀质的铁磁材利t h 磁通是平行与材料表面的，、_ 邋到缺陷 e i , j ，则平行：表面流动的缺陷区域的这部分磁通就产生了畸变，, f l l f l 、 分- 路通 过缺陷部位 8 , 2 6 、2 8 ：一路绕道缺陷底邴仍从材料中通过：路仍然从缺陷处穿 过； 路从缺陷的。侧穿m 材料，从缺陷的f ：方跃过，然后从另1 侧进入材料。 这第三路即是缺陷的漏磁，在漏磁检测中它越大越好。这i 路磁通的定量关系， 与它们各自路径的磁阻有关。发它们的磁阻分别为，1 7 。和尺。j ，这样，就形 成了! 个磁阻并联的等效磁路，如幽2 - 8 所示。显而易见，要使漏磁大，r d 应该小，r i l 2 应该大，但实际上? 、以椰随着磁化强度的变化，山于要穿 过磁导率很低的路径，。亡r f l j l 乎不能变化，只能期望月州能变大。磁阻尺。， 是绕道缺陷底部( 或旁边) 工件材料路径l 1 的磁阻，可表示为 月。j = 二 “， 式l 礼f 、s 分别是磁路的长度和截面积，l - i 是i ：件材料的表观磁导率( 也即是 考虑了退磁效应后的磁导率) 。 江菘。 1 7 两肛 + j i 一二矿污 j 、_ j 一0 。矗。函j 一氧 j 赢 劁2 - 8 。野效僦路 【刳2 - 9 磁特。h - 曲线1 j 枷7 0 ；选择 i j i j ：i2 件的磁导牢是随磁化场强度而变化的，住磁化场小变人的过程i l h 它先增大，达到最大值。，后，随着材料逐步趋向磁饱和而逐步r 降趋向r 真，芒 磁甘率。当增大刊，很显然r 刚是f 降的，在，f 。处，r 有最小值，这时， 刑漏磁的增加明湿不利。当越过 始下 降，随着掣的下降，r 增人，这 剐缺陷漏磁的增加很有利。 b 此“j 见，为了增大缺陷的漏磁场，有利j i 发现缺 第二章戡场璀奉婵= _ 龟搜慨磁砒龄的啦汁 陷，磁化场的场强必须选择大于j l ：件材利所对应的磁场值h 。 j , jj _ 【l ，有关文献1 建议按图2 9 所示的口州f i | l 线和“- h 眭线确定磁化舰范。 将磁化曲线分为血个区域：i 为仞始磁化医，l j 为激烈磁化区，j i l 为近饱雨j 区， 为毓本磁化l 翼：，v 为饱和区，然后按表22 选取对应的磁化舰范。这样，可 以保证检测灵敏度的通用性，同n 口， 。，所以取i 2 4 7 h 1 0 。q 是偏小的。 ( 2 ) i i i 漏磁场的影响。：考虑磁路漏磁场的影响实际的磁路如蚓2i ：j 所 ，1 ；o | i z mz rz ( bz 劁2 。】3 买陌、儆路在考虑涮磁场的犹l 、的等效儆路 中i 、中z 、o 一和巾二表示磁路漏磁场。由磁路定理可得在实际的考虑漏磁场 影响的情况f 的方程为： 中，r ，2c m l r i 一巾! r 2 一中j b 一0 ：r 二 而我们上面的计算都没有考虑漏磁场，即采用了方程中，r 。= 吒，：曰，s ，r 。，忽略 了后面的四项。从而也导致了b 的增大。 综合上面两仑原凶，i 叮知上面h 算的b 。都是偏大的。但在磁化电流为【( ) ( ) n l a 时，能保证测试钢板： 作状态时在璀本饱和磁化：状态，满足磁化舰范。 2 5 缺陷漏磁场信号的提取方式 2 5 1 磁传感器介绍 i 漏磁场形成漏磁信号是山传感元件完成的。作为磁场的传感元件有多 i t 允的膳f 0 感# * ，怂什晒潮j 暇仪器的进步m 琏；0 技能曲。 i 众影的；则慨， 人琊：瞄f 磁 枕址位蕞他 i i ! 巩化、 。nf 01 “； 磁敞i u | f 介2 川l ( 1 ) 川 倒m r 墩f r 裟l v i ”1 投术、一小公 9 及，1 i 川j 人 敏饭竹、 、僦迎i - j 等。i 她? i t 0 感儿r 0 小ir d ，1 9 i 形成的“磁缩i j 山1 ：4 i ”d ， 种j ：刖的磁敏f 铀甚删8 汕“。 感应线吲 j - 榆件1 rj ：什农| i | 融j j 1 变化的感j 遥线j s f # x i l l 冬l2 1 4 所示，该线 农】f f 沿述艘v 山l 柚f hia 移动，| ! | j 线r 0 感j 、i fl i 坍f ? ： f ：一n 掣：一拙0 u ，b a 。- ( ! - 5 1 ) d f“、d f 式中，和f 分刖址线f r ? ir l i 数j = | | 攒截面私 ： 【 址磁通，j _ 披吲轴线的火j ； 线罔 rv 卜- 和线幽x 乃 b f i 97 楚化 过m 形栅 怯1 迷 川轴线jj j 炎 场的7 蹙化。 i 漏f r i # , j 1 = 4 一- 一l i , - j 逆功迷j 巫d 取 火j i f f i ；( 通 ；眦l 岿n ：“l 比j 融迎衔嫂沿x 力j _ 的梯嫂d 廿t l l j 、。述j if 叫 * 魄场叫t ：陌j 嘭j 戊鲥| | 科2 - 1 4 f | i 引j p i ，j i f | 0 “# f 融j 场n ；j 怜洲的址渊磁场圳 ”做怜太m 线吲 戌 卜掣 ，r 哪 卜 卜 卜 4 出 1 一 h 虬 【一02( 工 l ，r陋匕俄划 u 的 h ” 救朵州 ( 泛兰薹 j * ) 世。似厅* “i l 0 蜚二；旧分e； ，乃洲r 伶水r分也 ￥上 三帷缺们 堕：生! 型! 苎主! ! l ：堡! 型：要堂望兰坐型笙丝婴堕! ! i 堑! ! ! 鲨 ( 2 ) 雀尔元什 霍尔儿件测磁原理如图2 - 15 所示，使。片通有电流的半导体放肖! 存磁场r t l ， ：当电流沿垂自2 磁场方向通过刚，在垂直d 二磁场和电流方向的半导体两侧将产：e 电位差风( 称为霍尔电势) ，这也就是霍尔效、。 霍尔电势的犬小：比于电流，和曰的乘 = l ，并与! 卜导体片的厚度，成h l ， 即为 h j ：r f 堕：k f f b f 式l _ j ，r ，称为霍尔系数，是与半导体材料性质有关的常数； 瞄，为霍尔系数尺与半导体厚度之比，称为霍尔元件的灵敏度。 山匕式可见，当霍尔元件 0 和控制，一定，霍尔电势风取决于磁感应强 度b 。与感应线睡id l 编语言不是结构化语羔呵读性利移植性郝很差，儿要划币片, l ) t f t g 硬 f i - 4 统很熟悉，彳i 能做到硬件1 j 软件分离，这给稠试增加了难度。 c 5 1 中有一点比较特殊的就是8 0 5 1 的一t 断服务程序。存c 中，中断服务 函数的完祭语法如下： 返吲值 函数名( 参数】) 模，】 瞩入】i n t e l r u p t n u s i n g n 1 “i n t e r r u p t ”后接一个0 3 1 的长整数，不允许使用表达式，t ，i - ，n 4 q g 许用 于外部函数，具体的数值对应中断号。 “u s i n g ”后的变量为个0 3 的常整数，彳i 允许用于外部函数，具体的数 值刑、铲，：8 0 5 1 单片机存贮器巾的通用铹1 存器的5 ) f h y - 。 血f + i + 1 1 f l + ；：g 口。”断函数实例，表示申i1 中斯，片j 第四组通用奇存器。 v o i ds e r i a l ( ) i n t e r r u p t4 u s i n g3 c h a ri d a t ac h ； r i = 0 ： 曲北i 、i k 人产f 峡i 。沱上 辩二争芸验验证系统的鞋r f 整套单片机系统的程序框陶如图3 - 9 所示。 i 主秤捧l 厂_ 一一一翟、一 一j i 柯肿il p 断 一j l i l 一礤1( j ，f 罨l jl 函篓j 幽甄一r 。 ，一。 i 绌柬 在采样函数中，每2 0 m s 发送一次控制命令到m a x l 9 7 模数转换器并改墩 1 2 位数据，每个位胃采1 0 个数据点，然后做简币的数字滤波：剔除最大最小 值，取剩余8 个数的算术、r 均作为浚位置的采样值。m a x l 9 7 的数据越补码输 出的，p c 机1 日。以不做转换直接使用。在发送函数中，当接剑外始发送命令后， 恕个4 0us 发送个8 位数据，阻h a d 采样的数据是1 2 位的，瓤个数据存储 鹚- t史螗验廿系统c 。一i 盐? f 占两个宁m 所以先把它拆成两个r ”j m j 发送，在p c 机，| i 阿把它组合起来。 由二j j 传送的距离很近( 2 m ) ，所以不做l f 确揄验。在p c 机h 用t c 控制串 【：l 发送命令和接收数据，在接收数据时，把接受的数据直接存成m a t l a b 软件的 数据文件格式同时把接受的数据实叫艟示存屏幕上，对弘j 月显的数据传送错 误可以及i , j 的发现和重发。 3 5 整套实验系统的运作方式 结合第二- 章设汁的励磁磁路，总括起来就构成了整套实验系统，也f ；| j 自动 测试实验系统。它主要包括四个部分：励磁磁路、p c 机、绘图仪和8 0 5 l 单片 机系统。励磁电路是为被测钢板提供磁化场，这足一个前提条件，后而三部分 组成实验验证系统，它们之例的互动芙系 它们：部分之间：( 1 ) p c 机l 和通过( 、语。；编程控制串iil 按照绘图仪的 命令格式向其发送命令，具体命令见奉章第二节。它是种单向的数捌传动， 即由p c 机到绘图仪，绘图仪是不用返回状态信息的。( 2 ) p c 机通过c 语言编 狸控制串v i2 向8 0 5 l 单， 机系统发送多种控制命令，比如数据采集和数折 传送 等，p c 机i ：通过键盘控制命令形式。绘蚓仪和8 0 5 l 单片机系统两部分足交臀 作的。当p c 机通过键盘输入对应的命令时，c 程序首先检查串口1 是否空 闲，如果空闲则向其发送绘图仪移动 步命令，等待绘图仪移动，然后通过串 门2 向8 0 5 l 单片机系统采样命令，等待消除探头的剂动，然后采样存贮，结束 个循环。呵以根据不同的情况存p c 机【i 编程决定循环的次数和循环的方，。 采集数执；首先存贮在8 0 5 1 单片机系统里( 实验时，根据具体的实验要求编程决 定传感器移动方式和采样点数) ，当p c 机通过串v 12 发送到单片机系统的命令 是数据发送时，单片机系统就把采样存贮的数据发送到p c 机，并把它存雌成 m a t l a b 软件的数掘文件格式，【。_ 以矗接用m a t l a b 软件打丌。墼套系统山p c 机 控制步骤，它的控制流程图如圈3 一l1 所豕。 f 式测量时，按如卜几个步骤执 ：( 】) 认线铁芯按要求加电，使被洲 钢板按要求磁化：( 2 ) 启动p c 机k 的j 二程序并进入运行状念。( 3 ) 启z 力绘陶 仪，碉好他箭，把传感器电蹄板装到绘倒仪笔头位胃，并凋整好高度，t h i ： 尔 传感器停在合适的高度位置并让霍尔磁传感器接通电源j f 常丁作：( 4 ) 启动8 0 5 l 两 er 、啦人子坝1 1 论文 第二章戈验验系统的改汁 巾片机系统，确保该系统运行正常。( 5 ) 根捌洲试h 的，按相应的键盘控制j ， 达剑洲试h 的。实验时，根扭：具体的1 虹捡要求编程决定传感器移动方式手采样 点数，然后再按键盘控制宁：控制采样数据发送剑p c 机并存成m a t l a b 软件的数 据格式。至此，自动实验测试系统i f , j ：r 作一个流程完成。 一 l 吣、|， 商八天糯 | 一啊北r 业人学坝j 仑史第川常数挪；处圳技术，土驯试o i 论 第四章数据处理技术及测试结论 第：章耵i 第三张卡要是实验的d “田准籍工作，是个必需的阶段，是实验 甲台的搭建。本章主要利用6 u 期搭建的实验“i 台，实际测量缺陷漏磁场，并用 m a t l a h 软件提取漏磁场的特征量，进而根据捉取的特征最利用线性刚归技术拟 i f , 1 f i j , r j c 、肼f j 特征量的数学模儿为以后定量检测缺陷的i v l ! f - b 提o 实际 实验模型，最后根据拟合方程提出。种工程应用方案。 4 1 线性回归技术 4 1 1 线性回归理沧 从理论i - 讲，从已知漏磁场信号反推局部损伤的状态参数属于 1 磁场理论 中的逆问题。氏期以来，逆问题的求解一甑是困扰无损检测界的 i 要问题，从 j i 程应用的角度来看逆问题的求解艾际卜就是别损伤状态参数的量化( 定量) 问题。传统的基于简单阀值报警的确定性分类方法难以胜任局部损伤状态参数 量化的需要，这也是圈内外研制的漏碱检测装置漏判率和误判率高的 二要原吲。 i j , l i l ，有必要研究新的对局部损伤严重程度进行分类的方法，最火限度的提高 检测系统的量化能力，降低系统i i ：i j j i i # n 误判率，提高准判率。 线。f b ：t 7 i 计模型 4 0 , 4 1 1 是现代统汁学r t 岫i 用最为厂泛的模型之，j 而且也是其 它统 i 模型研究或应用的基础。这要是因为： ( 】) 神：现实【| _ ! | ：界中，许多曼之问具有线性或近似的线性依赖关系。 ( 2 ) 在现实世界l 巾，虽然i _ ，f = 多量之问的关系是非线l kr 1 3 ，但足经过适当的 变换，变换后的新变量之问具有近似的线性火系。 ( 3 ) 线4 h ：关系是数学巾最基本的关系，凶m 比较容易处甥! ，在数学中l 二经 积累了处珊线性天系的十南f j s ! l i q 与方法，为戈际的应用提供了降实的瑚! 论依 据雨l 有效算法。 本课题没汁： 一作的4 - l ：i i g f 足通z 。其验找出一个经验r 式：缺陷漏碱场1 j 缺陷l f r , r 参数的关系。基丁l 而的几, , d ix ：f l t 此处利_ = 】线性旧归技术束提耿经 验公式n 实际中心! i j l 分析就是用统计数据寻求变量问关系的近似表达式：经 讹川学数粥处圳技术投删试站论 验公式，并利用经验公式进行统计摧l 述、分析和推断，斛决预测、控制利优化 问题。 多重线性叫+ 9 “ 1 ；j “, 9 【“, r e 有多个臼变量的一利t 川归，办称“多儿线性眦h 其叫 归函数关j 未知参数和皿渺l 变量郡是线性的多元剐归，其变量关系为： y = 卢o + 卢】x 1 + 。+ 。+ 掣 一，( 4 1 1 ) 其中，黟( i - 0 ，1 0 ，m ) 是川归系数，e 是网蚰漠差，e e = 0 ，d e = 口! 。则矩 阵表不为： = a 声+ 6 - ， ( 4 12 ) f o ，a2 ，) 其。hv n + i 观测值矢量， x n + p 回9 j 矩阵， 口p + i 参数实奄， e n + l 随机干扰矢量。 多重线性刚! j _ 1 技术的0 j 爨内容有： ( 1 ) z x x , jx 一，工。，的观测数捌出发，求回归系数风，届，成，的估计 值反。矗，声。， ( 2 ) 检验回归方程及各回归系数的显著性。 ( 3 ) 利用经验酬归方程 y = 8 n + 口t x l 士- + 8 。x 。t 1 却9 = x 8 + ) 进行预测和控制。 此处用最小_ 乘算浚j 估州i 旧参数。无论从理沧 = 还是从应j - i r 已讲，最小 ：乘估计都是最重要的估计，它有许多优良盼陛质。 。实用时，用r s s = i i = i ，! 来衢娥盯! 的大小( 二是残差向量j = ，一脚) ， = l 这堆r s s 使戏差、f 方和( r e s i d u a ls u mo fs q u a r e s ，简记为r s s ) ，它的大小反 应了实际数捌与理论模型( 41 1 ) 的偏离程度或者酏拟合程度。r s s 愈小，数 拆h 模掣拟合得愈好。码：戏莞、f 疗和r s s 史1 5 ：j j j 训锋过程巾，常删f 面的公式： i s t i j t f 、p 人学顺j 论疋铘p u 带数斜处删技水肚测试绁沧 r s s = y ? y 一s x 歹, = s s 二s s t l ， 其中s b 。= 少称为总二| 王方和，向第：二项船j = 卢x 称为i l j l 归平方利。于是娥 筹平方和等于，8 2 , s f 方利减去回归平方和。 存此引入一个新量：削定系数r ! r - ：坠 船0 判定系数r 2 度餐+ 了回归自变龟v ，x ，。对然i 变最y 的拟合程度的好埘：。髭然 0 sr 2 s 1 ，r 是因变量y 与诸回归自变量的复相关系数值、卜方。阂此，它l ! f c j 值愈大，表明y 与诸x 有较人的相依关系。 l ：面的回归是在g a u s s - - m a r k o v 的假设自u 捉条件i - ，为了满足假没条件，定 义一个新量：学牛化磷筹 e 子l _ h ， 这罩厅! = 尺孵0 一p ) 。f ! | j 使在e n ( o ，o - ! ，) 的条什f ，r 的分柿仍然比较复杂， 但可以近似的认为r i 相互独立且服从n ( o ，1 ) 。这也就保证了用学j 二化残差j r i 归 时，基本上能保征回二 方程( 4 1i ) 的盼提条件。 4 1 2 多项式回归和逐步吲归技术 由于我们对缺陷漏磁场1 7 0 ；) b o , j 尺、j 。的关系的先验知识不多，没有可以借 鉴的数学模型，但由于任+ 幽数均可以用多项式逼近，所以此处我们利用多项 式回归米对实际缺陷漏磁场做近似。其变量尺系为： y = + l + 卢2 。v ：十+ 。+ 。 f 4l3 1 其中，( i ：- - 0 ，1 2 ，m ) 是凹归系数，e 足删归误筹。如果定义d 个新变摄， z l ，z 2 ， ，z 它们是z f = j z 2 = j ，z ；，= 一“，则式( 41 ，3 ) i q 。写成 y ：成+ 属z i 十屈f z 。，+ p 4 1 这样，多项式回p i 就变成了线一胜f i 。 在实际的归分析中，还必须考虑蚓归方j l ! 的选择，所诮i t q 归方程的选替 包含两方向的内容：一是选择旧归方程的类 即判断是用线性叫归模型还 是肚怍线性回归模型米处理欲解决的实际 u 题。统汁，卜称之为陋j 归模掣的线性 性枪验。 ? 是往模，啦选定后，自变量的选择问题。在应用回归分析解决实际问 题州，如何选择一个“最优”的自变量子集足。i 常重要的。 我们此处用多项式回归，解决了回! h 力程的类型问题，但没有解决自变箭 的选择问题，此处利用逐步川州的力法解决这个问题。 逐步卜1 归方法的基本思想是，将变量 个。个引入，引入变量的条件足其 偏回归平方和经检验是显著的。m 时，每引入 个新变量，对已入选方程的老 白变量逐个进行检验，将经检验认为小鼹著的史量剔除，以保讧e 所得自变量f 集。p 的每个变量都是显著的。此过程经若干步直到不能再引入新变楚为止。这 时，回归方程。p 所有自变量刘吲变量y 都是显著的，而不在回归方程中的变量 对y 都是经检验不显著的。由此i t j 见，逐步回归法选择变量的过程包括两个基 本步骤t一是从回归方程中剔除经检验不显著的变鼙， 是引入新变嗣到川州 力f ￥中一。 4 1 3 m a t l a b 统计工具箱及其具体应刚 m a tj a b 软件”。”是1 9 8 4 年美幽的m a t h w o r k s 公r d 推出的，到e 日口为j j ! = ，它 已发展成为国际上最优秀的科技应_ e _ | 软件之_ _ 。其强大的科学计算能力j l u 视 化功能、简单易用的丌放式可扩展环境以及多达3 0 多个面向不同领域而扩展的 r 具箱( t o o l b o x ) 支持，使得m a t j a h 存许多学科领域中成为计算机辅助设汁 勺分析、算法研究和应用丌发的壮本r 具和阿选、f 台。扯我删，m hl l l b 已经j _ f f j 何很 ；二j 嗣，1 1t 许多高校陆续丌展了订笑的课张! ，已经拥有了丛多的使用行。 m a l l a h 语言是种脚小式语音，简单易学，难点在j i 如何理解和掌握 m t t l i h 及i ：具箱中人嚣函数的功能椰用法，避免重复肚的劳动，尽快的“站在 m 人的腑i - ”丌展i 。作。此处划1 i l a b 语。二j 的麒体格- 不做叶解，f i 是刈川剑 的统汁i 其箱r i 的j l 个函数结合实际应f j 力式简q 1 介绍f 。 此处1 h im n “a b 软件芷要足完成两个功能： ( 1 ) 提取漏磁场j l 伺图形的峰峰值利峰峰值问蹲 饿| _ l l _ 章数据处删披术驶驯l 代t 论 ( 2 j 利用其统计t 其箱刘峰峰值耵f 峰峰值n = | j 距进行线性回归拟俞。 首先讨论篼个功能，幽1 二有杂散磁场的影u l q ，所以显得较复杂。缺陷的 实际漏磁场j 实测漏磁场和杂散磁场的方程为： 丈际漏磁场= 实测漏磁场杂散磁场 l i 于两个磁场要相减，m 这两个磁场又不能同时测量，所以必须保汪村1 瓦 剥应点棚减。由6 面缺陷漏磁场的知u 可知，圆孔缺陷的漏磁场肯定关于陟c 、 刈称，而杂散磁场也是关于某点剥称的，所以r q 以把实际漏磁场和杂散磁场都 移到其对称点燃后相减，这样就可以保证对应点桐减。程序流程框图如l 划4 一l 所示。 函数p l o t 0 是m a t l a b 语言的个一维画图函数，傲网灵活方便，可以根 据要求改变坐标的各种参量，此处的e 的是山图观测测试漏磁场数据的情况， 看n n 线是齿平滑，如果不平滑，则必颈重新测量。函数p v 0 是把实际测试的漏 磁场数捌傲搬移，使其关 j 零点剥称，为后面的相减做准备。函数p v n i ( 0 是线 性拟合杂散磁场( t 。l 门：此处的杂散磁场1 j 位置呈直线关系，砰见d 3 1 小廿) 。 函数p v m i n u s 0 把实际洲试漏磁场减去杂散磁场，得到缺陷真实漏磁场分付睛 况。函数p v t 0 的作用就是找出真实缺陷漏磁场的特征值：峰峰值和峰峰值川 距。再次调用画图卤数p l o t 0 是为r 把实测漏磁场与真实漏磁场相比较。存储 漏磁场特征值是把结果存成两种格式的文件：一种是文本格式， 种是m “lh b 的数据格式，方便后面册拟合和查找。 _ 一誓! ，丫 一， | 史环测l = c c 猫 j _ 。数1 i 】i 【) ti 一一丫 一 一 l佩川幽投 pvf | | pvnrj 埘川l 西城i 黪l4 - ) m a d a b 软仆摊敬特 f 仳流f ￥椎蚓 旧北卜j k 人掌帧ji ；仑卫挪| j 【 啦 敬钟j 处删投术，| 乏删矾绀硷 帮：个功能足把第步摊以旧特征值进行线性啪拟合。阿先介绍 附“ 合缺陷渊抛场特征值! 了缺陷儿何尺寸的关系川到的三个= e 要m a l l a b 统计函数。 ( 1 ) s t e p w i s e ( x y ) ： 此语句将激活逐步蚓归的交i 山弋环境，逐步叫归的交互，c 界面m 一个相 联系的罔形窗口组成：逐步刚归圈、逐步川门珍断表和逐步回归历史蚓。此语 句将给定的数折 x 和y 进行逐步吲归拟合。显示三个交互式图性窗i - 1 ，以控制 归条件和移动模型项。在三个交互式图形上可以很方便直观f ，j 对数据x 和v 迸行逐步回归拟合。 ( 2 ) _ b ，h jn t ，r ，r i n t ，s t ；1l s = f ( 2 9 r o s s ( v ，x ) ： 此语句则给出口的仆i rh 、b 的9 j 置信叉问、残差r 以