(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010984437.9
(22)申请日 2020.09.16
(71)申请人 华中科技大学
地址 430074 湖北省武汉市珞喻路1037号
(72)发明人 武新军 段淑玉
(74)专利代理机构 武汉华之喻知识产权代理有
限公司 42267
代理人 张彩锦 梁鹏
(51)Int.Cl.
G01N 29/24(2006.01)
G01N 29/44(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明属于无损检测领域，并具体公开了一
种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法及无损检测
方法，包括以下步骤：S1从被测对象磁致伸缩导
波信号中截取所需的信号；S2利用窗宽M的滑动
矩形窗从信号中截取M个信号数据；S3利用截取
的信号数据构建矩阵A；S4将矩阵A转换为平面直
角坐标系中的M ‑1个点的集合B，并计算集合B中
各点间的欧式距离；S5取最大欧式距离作为最大
连通半径对集合B持续同调，得到集合B中各点从
诞生到消亡时对应的连通半径，计算各连通半径
的方差；S8重复步骤S2～S7，获得所截取信号处
理后的方差集合，完成被测对象磁致伸缩导波拓
扑信号的处理。本发明无需标准试样，有利于现
场检测，且无需多次测量，
操作简单。权利要求书1页 说明书8页 附图6页CN 112240910 A 2021.01.19
C N 112240910
A
1.一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1从被测对象的磁致伸缩导波信号中截取所需的信号X，该信号X包含的信号数据量记为N，初始化i＝1；
S2利用窗宽为M的滑动矩形窗从信号X中截取M个信号数据，分别为x(i)、x(i+1)、…、x (i+M -1)；
S3基于截取的M个信号数据构建(M -1)×
2的矩阵A：
S4将矩阵A转换为平面直角坐标系中的M -1个点的集合B，并计算集合B中各点间的欧式距离；
S5取最大的欧式距离作为最大连通半径εmax 对集合B持续同调，
得到集合B中各点从诞生到消亡时对应的连通半径，计算所有连通半径的方差z(i)；
S6令i＝i+1，重复步骤S2～S5，直至i＝N -M+1，以获得方差集合z(n)，n＝1,2,…,N -M+1，以此完成被测对象的磁致伸缩导波拓扑信号的处理。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其特征在于，步骤S1中，优选截取被测对象磁致伸缩导波信号中第一次通过信号和第一次端部回波信号之间的区域作为信号X。
3.如权利要求1所述的磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其特征在于，窗宽M满足如下条件：M＝max([L/10],5)，其中L为对被测对象进行激励的激励信号的长度。
4.如权利要求1-3任一项所述的磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其特征在于，步骤S5中的持续同调具体包括如下步骤：
S51选择均匀变化的多尺度阈值ε为连通半径对集合B进行过滤，以在欧式空间构建VR 复形过滤，0≤ε≤εmax ；
S52从构建的VR复形过滤中提取出0维同调数据变化时对应的各ε值，各ε值即为集合B 中各点从诞生到消亡时对应的连通半径。
5.一种基于磁致伸缩导波拓扑信号的无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1采用如权利要求1-4任一项所述的方法处理获得方差集合z(n)；
S2根据方差集合z(n)绘制方差分布图；
S3根据方差分布图的畸变性判断被测对象是否存在缺陷，以此完成被测对象的无损检测。 6.如权利要求5所述的无损检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S4在判断被测对象存在缺陷时，根据畸变发生的位置实现缺陷的定位。
7.如权利要求5或6所述的无损检测方法，其特征在于，步骤S2具体为：首先将n转换为时间参数，再根据方差集合z(n)中各方差值及其对应的时间绘制方差分布图。
8.如权利要求7所述的无损检测方法，其特征在于，
采用如下公式将n转换为时间t：
权 利 要 求 书1/1页CN 112240910 A
一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法及无损检测方法
技术领域
[0001]本发明属于无损检测领域，更具体地，涉及一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法及无损检测方法。
背景技术
[0002]磁致伸缩导波无损检测技术因其非接触，检测长度大，覆盖结构区域广，可接近位置远离检测仪器难以到达的区域，表面无需打磨等优点，近年来在工业领域中得到较广泛的应用。然而，由于磁致伸缩导波技术的非接触性带来的换能效率低，信号信噪比低的缺陷，给检测信号的分析带来较大的难度。
[0003]例如，中国专利CN101126743A公开了一种磁致伸缩导波无损检测方法，其将检测信号和基准信
号进行差分并根据差分结果是否畸变来确定缺陷，该方法需要无缺陷试样采集基准信号，这对于现场检测而言非常不方便；中国专利CN107356681B公开了一种磁致伸缩导波单向检测方法，其通过移动激励传感器进行多次测量，然后将所测量导波信号叠加来实现单向激励和接收，该方法需要多次移动激励传感器，在现场应用时操作复杂，耗时长。
[0004]基于此，本领域有必要进一步进行研究，以获得一种全新的磁致伸缩导波处理方法，以实现磁致伸缩导波的快速有效检测，进而实现缺陷的无损检测。
发明内容
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法及无损检测方法，其利用信号的拓扑信息实现导波信号的处理，该方法无需标准试样，有利于现场检测，且无需多次测量，操作简单，可有效提高磁致伸缩导波检测精度，并可应用在无损检测中，提高无损检测精度。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其包括如下步骤：
[0007]S1从被测对象的磁致伸缩导波信号中截取所需的信号X，该信号X包含的信号数据量记为N，初始化i＝1；
[0008]S2利用窗宽为M的滑动矩形窗从信号X中截取M个信号数据，分别为x(i)、x(i+ 1)、…、x(i+M-1)；
[0009]S3基于截取的M个信号数据构建(M-1)×2的矩阵A：
[0010]
[0011]S4将矩阵A转换为平面直角坐标系中的M-1个点的集合B，并计算集合B中各点间的
欧式距离；
[0012]S5取最大的欧式距离作为最大连通半径εmax对集合B持续同调，得到集合B中各点从诞生到消亡时对应的连通半径，计算所有连通半径的方差z(i)；
[0013]S6令i＝i+1，重复步骤S2～S5，直至i＝N-M+1，以获得方差集合z(n)，n＝1,2,…, N-M+1，以此
完成被测对象的磁致伸缩导波拓扑信号的处理。
[0014]作为进一步优选的，步骤S1中，优选截取被测对象磁致伸缩导波信号中第一次通过信号和第一次端部回波信号之间的区域作为信号X。
[0015]作为进一步优选的，窗宽M满足如下条件：M＝max([L/10],5)，其中L为对被测对象进行激励的激励信号的长度。
[0016]作为进一步优选的，步骤S5中的持续同调具体包括如下步骤：
[0017]S51选择均匀变化的多尺度阈值ε为连通半径对集合B进行过滤，以在欧式空间构建VR复形过滤，0≤ε≤εmax；
[0018]S52从构建的VR复形过滤中提取出0维同调数据变化时对应的各ε值，各ε值即为集合B中各点从诞生到消亡时对应的连通半径。
[0019]按照本发明的另一方面，提供了一种基于磁致伸缩导波拓扑信号的无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0020]S1采用如权利要求1-4任一项所述的方法处理获得方差集合z(n)；
[0021]S2根据方差集合z(n)绘制方差分布图；
[0022]S3根据方差分布图的畸变性判断被测对象是否存在缺陷，以此完成被测对象的无损检测。
[0023]作为进一步优选的，还包括如下步骤：
[0024]S4在判断被测对象存在缺陷时，根据畸变发生的位置实现缺陷的定位。[0025]作为进一步优选的，步骤S2具体为：首先将n转换为时间参数，再根据方差集合z (n)中各方差值及其对应的时间绘制方差分布图。
[0026]作为进一步优选的，采用如下公式将n转换为时间t：
[0027]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0028]本发明首先利用滑动矩形窗截取多段信号，并基于多段信号进行构建及转换获得点集合，然后以点集合中各点间的最大距离值作为最大连通半径对集合持续同调，由此可得到集合中各点从诞生到消亡时对应的连通半径(其为磁致伸缩导波信号中的拓扑结构信息)，由于信号中缺陷信号与本底噪声信号具有不同的拓扑结构信息，因此利用本发明得到的拓扑结构信息，可有效实现缺陷信号的识别。
[0029]通过本发明的处理方法能获得包含拓扑结构信息的数据即方差集合，基于该方差集合通过后续的处理即可获得被测对象的缺陷信息，实现被测对象缺陷的无损检测，即本发明的处理方法可为后续的缺陷无损检测提供数据基础。
[0030]本发明不仅可以实现磁致伸缩导波信号的处理，以获得包含拓扑结构信息的数据，同时还可以基于获得的数据实现缺陷的无损检测与定位。
[0031]本发明有效提高了磁致伸缩导波信号检测的灵敏度，本发明不需要无缺陷试样采集基准信号，有利于现场检测，同时不需要移动激励传感器进行多次测量，操作简单、耗时短，极大的方便了现场应用。
附图说明
[0032]图1是本发明实施例提供的磁致伸缩导波拓扑信号处理方法的流程图；
[0033]图2是滑动矩形窗滑动截取示意图；
[0034]图3是实施例1中检测的无缺陷标样光面钢丝实验布置图；
[0035]图4是在无缺陷光面钢丝上检测所得的原始信号图；
[0036]图5是截取无缺陷光面钢丝检测信号所得的分析信号图；
[0037]图6是无缺陷光面钢丝分析信号经本发明所述方法处理后的结果图；
[0038]图7是实施例2中检测的有缺陷标样光面钢丝实验布置图；
[0039]图8是在有缺陷光面钢丝上检测所得的原始信号图；
[0040]图9是截取有缺陷光面钢丝检测信号所得的分析信号图；
[0041]图10是导波检测信号持续同调过程示意图，其中，(a)为待持续同调计算的点集，(b)～(g)为随着连通半径变化复形过滤的过程，即持续同调过程，(h)为持续同调计算得到的0维PB(persistence barcode)图；
[0042]图11是有缺陷光面钢丝分析信号经本发明所述方法处理后的结果图。
具体实施方式
[0043]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]本发明的原理是当磁致伸缩导波在构件中以速度进行传播，由于缺陷及其它非规则结构的存在，弹性波存在反射、折射和透射的变化，从而引起相应的位置信号波形的变化，通过对信号进行分析即可实现缺陷的识别。在现有技术中，有的需要无缺陷的试样采集基准信号，此方式不利于现场检测；有的需要移动激励传感器进行多次测量，操作复杂、耗时。在本发明中，通过对信号数据进行相关处理，然后进行持续同调，可有效提取数据的拓扑结构信息，由于检测信号中缺陷信号与本底噪声信号具有不同的拓扑结构信息，从而利用持续同调可实现对缺陷信号的识别，提高了磁致伸缩导波信号检测的灵敏度，本发明无需标准试样，无需多次测量，极大的方便了现场应用。
[0045]如图1所示，本发明实施例提供了一种磁致伸缩导波拓扑信号处理方法，其包括如下步骤：
[0046]S1对被测对象的原始磁致伸缩导波信号进行截取，以截取获得所需的信号X，该信号X包含的信号数据量记为N，初始化i＝1，i为信号数据标号，1≤i≤N-M+1，具体的根据采样频率确定分析信号X包含的信号数据量N＝信号X的长度s×采样频率Hz；
[0047]S2利用窗宽为M的滑动矩形窗从信号X中截取M个信号数据，分别为x(i)、x(i+ 1)、…、x(i+M-1)，如图2所示，从信号X的第一个信号数据x1开始依次截取；
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