基于超外差接收正交相敏檢波技術(shù)的電磁超聲檢測系統(tǒng)

基于超外差接收正交相敏檢波技術(shù)的電磁超聲檢測系統(tǒng)

磁體超聲波換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率低。換能器的傳輸端應(yīng)采用放大激勵源，導(dǎo)致強電干燥，引入噪聲信號，使檢測信號的信噪比低，并限制了磁體超聲波的廣泛應(yīng)用。為了提高磁體超聲波的信噪比，提高檢測信號的質(zhì)量，國內(nèi)外研究人員進行了大量工作。例如，為了提高激勵功能，使用了功率信號激勵交換裝置。在文獻中，我們研究了低噪聲接收放大電路，設(shè)計了低噪聲預(yù)源器，并使用了動態(tài)電子裝置（erat，elarkonicacievector）來檢測皮米級位移。在文獻中，我們討論了抗抗匹羅式結(jié)構(gòu)的電路，并希望獲得更大的激發(fā)功率。在文獻中，脈沖壓縮處理技術(shù)被應(yīng)用于enat的測量厚度和金屬板的成像，脈沖泵的線性頻率可以提高信噪比。在文獻中，我們比較了有限影響響應(yīng)、有限影響響應(yīng)濾波器和分散小波轉(zhuǎn)換噪聲的各種磁體噪聲去除方法。人們認為，小波包濾波是應(yīng)用于實時電磁干燥檢測的有效濾波方法。相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路,對于在強噪聲背景下提取有用信號具有顯著的作用.文獻將相敏檢波技術(shù)應(yīng)用于電磁超聲諧振法中,對波速和剛度系數(shù)進行檢測,取得了較好的效果.在分析超外差接收正交相敏檢波技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,進行了正交相敏檢波技術(shù)在電磁超聲檢測信號處理中的應(yīng)用研究,組建了基于該技術(shù)的電磁超聲檢測試驗系統(tǒng),通過試驗確定了合適的檢測參數(shù),并用于檢測鋁合金、碳鋼和不銹鋼試樣.對比相敏檢波處理后的電磁超聲接收信號和原始接收射頻信號,可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用相敏檢波技術(shù)在電磁超聲檢測中可以有效提高信噪比,在強噪聲背景下提取有用信號效果更為明顯.1超外差接收相敏檢波技術(shù)原理1.1頻器、執(zhí)法、頻率技術(shù)超外差接收原理見圖1,其電路包括以下幾個部分:混頻器、中頻放大器和檢測器等.其中,混頻器的主要功能是將本地振蕩器產(chǎn)生頻率為fL的振蕩波與頻率為fs的輸入信號混頻,把輸入信號頻率變換為某個預(yù)定的頻率fi;中頻放大器是超外差接收機中一個重要組成部分,它具有放大中頻信號、抑制噪聲和相鄰?fù)ǖ栏蓴_以及自動增益控制的功能;檢測器采用正交相敏檢波器.1.2低通濾波的噪聲信號轉(zhuǎn)換正交相敏檢波器的工作原理如圖2所示,其需要兩個相敏檢波器系統(tǒng),輸入信號相同,但兩個參考輸入在相位上相差π/2.若同相通道中的參考信號相位為θ,則與其正交通道中的參考信號相位為θ+π/2.通過乘法器對被測信號和參考信號進行乘法運算,得到被測信號與參考信號的和頻與差頻信號.利用低通濾波器濾除和頻信號成分,得到差頻信號.當(dāng)被測信號為正弦信號時,相敏檢波器的同相輸入可表示為正交輸入可表示為此時,相敏檢波器的同相輸出信號為正交輸出為式中,Ui為輸入信號;Ur為參考信號.式(3)與式(4)說明經(jīng)過相敏檢波器后,原來頻率為ω0的信號頻譜被移到了ω=0和ω=2ω0處,頻譜遷移后保持原譜形狀,幅度正比于參考信號的幅度Um和被測信號的幅度Uz.經(jīng)過低通濾波器后,信號中的高頻項被濾除,正交相敏檢波器的同相輸出為而其正交輸出為由這兩路輸出可以計算出被測信號的幅度Vs和相位θ.為了進一步說明相敏檢波信號處理對輸入噪聲的抑制能力,取其中一通道進行分析.假設(shè)相敏檢波器的輸入可表示為式中,Ui為被測信號;Ur為參考信號;Un為噪聲信號的幅度;ω0為有用信號的角頻率;ω為噪聲信號的角頻率;θ為有用信號與參考信號的相位差;α為噪聲信號與參考信號的相位差.其中,ω≠ω0,θ≠α.此時,相敏檢波器的同相輸出信號為式中,第1項為信號項,獲得直流檢出;第2,4項為和頻項,均被低通濾波器濾除;第3項是參考信號與噪聲信號的差頻項,只有當(dāng)|Δω|=|ω-ω0|小于低通濾波器的帶寬時才有輸出,而其他大部分噪聲均被濾除.2試驗系統(tǒng)和換能器的設(shè)計2.1低頻參考信號的模擬檢測基于超外差接收正交相敏檢波技術(shù)的電磁超聲檢測系統(tǒng)組成如圖3所示.系統(tǒng)由頻率合成器模塊、門控放大器模塊、EMAT、寬帶射頻接收模塊、混頻器與中頻放大器模塊、相敏檢波器模塊和A/D采集卡等組成.由頻率合成器產(chǎn)生的信號經(jīng)過門控放大器得到高壓脈沖串激勵EMAT.EMAT接收到的信號通過前置放大器放大,再經(jīng)可變增益寬帶放大器放大;頻率合成器的輸出信號之一,稱之為中頻參考信號,由頻率合成器時鐘經(jīng)分頻后獲得,其相位角固定且在0時刻相位接近0°;上述兩信號通過混頻器相乘,形成一個包含超聲信號相位信息的新信號,經(jīng)中頻放大器后,與本地振蕩器的輸出信號進行混頻,混頻由正交相敏檢波器中的模擬乘法器完成;混頻過程中,高頻項被低通濾波器有效抑制,只保留包含接收信號相位的低頻(基帶)項.將兩路相敏檢波信號(即同相輸出和正交輸出信號)通過A/D采集卡采集后送入計算機進行處理和顯示.由軟件系統(tǒng)設(shè)置電子門,根據(jù)式(7)和式(8)計算門內(nèi)接收信號的幅值和相位角,通過C掃描軟件系統(tǒng)進行處理和顯示.從寬帶射頻接收模塊出來的原始接收射頻信號及經(jīng)過正交相敏檢波后的兩路相位信號可直接通過示波器觀察.2.2碳纖維試樣的結(jié)構(gòu)根據(jù)電磁超聲的檢測原理,設(shè)計橫波EMAT,用于檢測鋁合金、不銹鋼和碳鋼試樣.橫波EMAT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.其中,永久磁鐵選用釹鐵硼,用于提供換能器工作所需的靜態(tài)偏置磁場;換能器線圈采用直徑為0.24mm的銅漆包線,繞成螺旋型.EMAT的實物圖如圖5所示.3不銹鋼基材料厚度應(yīng)用上述橫波EMAT和檢測系統(tǒng),檢測鋁合金、碳鋼(厚35mm)和不銹鋼(厚15mm)人工試樣,其中鋁合金試樣如圖6所示,厚度為10mm,其底部刻有半圓弧狀,寬度分別為5,3,1mm,深度均為0.5mm的凹槽,用于模擬底部腐蝕缺陷.3.1底回波信號分析在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置均一致的情況下,分別獲取鋁合金、不銹鋼和碳鋼3種試樣的原始接收射頻信號以及經(jīng)相敏檢波處理后的同相輸出和正交輸出信號,檢測結(jié)果如圖7~圖11所示,其中圖7為探頭置于鋁合金試塊帶有1mm寬的凹槽上方的檢測結(jié)果,圖8為探頭置于鋁合金試塊帶有3mm寬凹槽位置上方的檢測結(jié)果,圖9為探頭置于鋁合金試塊帶有5mm寬凹槽位置上方的檢測結(jié)果,圖10和圖11分別為35mm厚碳鋼和15mm厚不銹鋼試樣的底面回波信號.從圖7~圖9可以看出,經(jīng)相敏檢波后的信號比原始接收射頻信號的信噪比有明顯提高;鋁合金試樣中凹槽面積越大,回波信號幅值越小,這是因為腐蝕凹槽為圓弧狀,探頭聲束直徑大于缺陷寬度,聲波經(jīng)過該凹槽,向四周散射和衰減,返回接收探頭的信號變?nèi)?且凹槽面積越大散射越嚴(yán)重,接收到的信號幅值越小.從圖10和圖11可以看出,經(jīng)相敏檢波后的碳鋼和不銹鋼的底面回波信號比原始接收射頻信號的信噪比有明顯提高.取鋁合金凹槽試樣的原始接收射頻信號和相敏檢波處理后的信號進行C掃描成像,結(jié)果如圖12所示.圖12a為利用原始接收射頻信號進行C掃描成像的結(jié)果,圖12b為相敏檢波處理后提取電子門內(nèi)信號幅值進行C掃描成像的結(jié)果.為了比較上述兩種方法的成像結(jié)果,對兩種圖像的信噪比進行求解.通過計算得到原始接收射頻信號信噪比為13.8dB,相敏檢波后的圖像信噪比為19.5dB.可見,經(jīng)過相敏檢波處理后的圖像信噪比有明顯提高.3.2參數(shù)配置對測試結(jié)果的影響3.2.1實際檢測結(jié)果中頻放大器是基于超外差技術(shù)電磁超聲檢測系統(tǒng)中的重要組成部分,其帶寬設(shè)置對檢測結(jié)果有重要影響,需合理設(shè)置.應(yīng)用上述橫波EMAT及檢測系統(tǒng)檢測上述3種試樣,固定其他系統(tǒng)參數(shù),改變中頻放大器的帶寬設(shè)置進行試驗和分析,得到的檢測結(jié)果見表1.由實際檢測結(jié)果可知,中頻放大器的帶寬越寬,信號的幅值越高,但易引入噪聲信號;減小帶寬可以使噪聲幅度減小,但是有用信號也同時被削弱,且當(dāng)接收信號含高頻成分時會導(dǎo)致信號失真.3.2.2帶寬設(shè)置對噪聲的影響在相敏檢波技術(shù)中,低通濾波器是重要的一環(huán),其作用是濾除高次諧波.試驗過程中,采用上述的檢測系統(tǒng)和試樣進行檢測試驗,只改變低通濾波器的帶寬設(shè)置,其他參數(shù)保持不變,測試結(jié)果見表2.由實際檢測結(jié)果可知,當(dāng)?shù)屯V波器的帶寬設(shè)置越窄,進入系統(tǒng)的噪聲幅度越小,抑制噪聲的能力越強;但是,在濾波器帶寬選擇比較窄的情況下,有用信號也被嚴(yán)重削弱.因此,濾波器的頻帶寬度不是越窄越好,與被測信號的頻譜結(jié)構(gòu)相關(guān),應(yīng)使濾波器的帶寬邊界離開周圍較強干擾.4超外差正交相敏檢波技術(shù)通過對超外差接收正交相敏檢波技術(shù)在鋁合金、碳鋼和不銹鋼試樣的電磁超聲檢