基于变尺度随机共振的油管漏磁信号检测

　　1　引　言

　　油田抽油管(以下简称油管)工作环境恶劣,长期使用或存贮都会造成磨损或腐蚀,从而产生安全隐患。考虑到其应用量大且造价昂贵,通过对油管的无损检测和量化分析,可以为采油作业和油管的再利用提供可靠的依据,因此油管缺陷的无损检测对于保障采油作业的正常进行及降低生产成本都具有十分重要的意义。

　　为了判断是否有缺陷以及给出缺陷的位置、形状和大小等特征,本文利用漏磁技术[1,2]对油管进行无损检测。以高强度永磁体作为磁化体,与霍耳传感器一同构成两片瓦形探测体。合拢两片探测体并套于油管外径,依靠油管与探测体的相对移动完成对油管轴向全长度的缺陷漏磁检测。在实验室中,利用电机拖动探测体沿油管轴向滑动来实现;而在采油现场,探测体固定于井口,由起管设备提升油管实现两者之间的相对运动。

　　在进行缺陷判别时,缺陷漏磁信号的高灵敏度检测技术是对缺陷进行检测、识别、量化的关键技术。因为从检测探头输出的信号难免带有噪声,尤其是在探头的结构相对于缺陷的形状不太合理或在出现某种异常情况时,缺陷所产生的漏磁信号往往会被噪声或其它信号干扰。当微弱漏磁信号湮没于强噪声中时,如果测量数据很短,或噪声频率与信号频率接近或重合,那么常规的信号分析手段如频谱分析、小波分析或者其它抑噪方法将会失效。因此必须利用有效的信号处理方法,从漏磁信号中提取缺陷的有效信息,为准确判定油管缺陷状态提供可靠依据。本文提出变尺度随机共振原理以对这一问题进行探讨解决。

　　2　随机共振原理

　　对某些非线性系统,适量的噪声可以帮助系统提高信号输出能力,这类现象称为随机共振[3,4]。利用随机共振原理,可以在一定程度上有效地解决弱故障、弱缺陷或其它弱特征信号的检测问题,大大提高故障缺陷的预报率和诊断率。由双稳系统组成的朗之万(Langevin)方程(1)是产生并分析随机共振现象的一个重要的数学模型:

　　其中,E[n(t)]=0;E[n(t)n(t-τ)]=2Dδ(τ)

　　该模型在进行随机共振的信号分析时,并不关心双稳系统的输入信号来自何种对象结构的测量以及产生这种输入信号的结构的动力学特性,而只关心输入信号中噪声和驱动信号具有怎样的成分比,它们各有什么样的特征,二者能否通过双稳系统的作用产生随机共振。图1显示了信号Sn(t)经双稳系统U(x)后,其输出产生随机共振(SR)现象:

　　图1中,U(x)=-12μx2+14x4表示非线性双稳系统的势函数;输入Sn(t)=S(t)+n(t)为被测弱信号S(t)和噪声n(t)的混合信号。为便于叙述,这里,S(t)=asin(2πf0t),n(t)= 2Dg(t),D为噪声强度,g(t)是均值为0、方差为1的白噪声;X(t)为双稳系统的输出信号。这样,式(1)就转化为: