基于超外差接收正交相敏檢波技術(shù)的電磁超聲檢測(cè)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(cè)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(lì)源，導(dǎo)致強(qiáng)電干燥，引入噪聲信號(hào)，使檢測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量工作。例如，為了提高激勵(lì)功能，使用了功率信號(hào)激勵(lì)交換裝置。在文獻(xiàn)中，我們研究了低噪聲接收放大電路，設(shè)計(jì)了低噪聲預(yù)源器，并使用了動(dòng)態(tài)電子裝置（erat，elarkonicacievector）來(lái)檢測(cè)皮米級(jí)位移。在文獻(xiàn)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(xiàn)中，脈沖壓縮處理技術(shù)被應(yīng)用于enat的測(cè)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(xiàn)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(rèn)為，小波包濾波是應(yīng)用于實(shí)時(shí)電磁干燥檢測(cè)的有效濾波方法。相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路,對(duì)于在強(qiáng)噪聲背景下提取有用信號(hào)具有顯著的作用.文獻(xiàn)將相敏檢波技術(shù)應(yīng)用于電磁超聲諧振法中,對(duì)波速和剛度系數(shù)進(jìn)行檢測(cè),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(jìn)行了正交相敏檢波技術(shù)在電磁超聲檢測(cè)信號(hào)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(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)試驗(yàn)確定了合適的檢測(cè)參數(shù),并用于檢測(cè)鋁合金、碳鋼和不銹鋼試樣.對(duì)比相敏檢波處理后的電磁超聲接收信號(hào)和原始接收射頻信號(hào),可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用相敏檢波技術(shù)在電磁超聲檢測(cè)中可以有效提高信噪比,在強(qiáng)噪聲背景下提取有用信號(hào)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(jiàn)圖1,其電路包括以下幾個(gè)部分:混頻器、中頻放大器和檢測(cè)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(hào)混頻,把輸入信號(hào)頻率變換為某個(gè)預(yù)定的頻率fi;中頻放大器是超外差接收機(jī)中一個(gè)重要組成部分,它具有放大中頻信號(hào)、抑制噪聲和相鄰?fù)ǖ栏蓴_以及自動(dòng)增益控制的功能;檢測(cè)器采用正交相敏檢波器.1.2低通濾波的噪聲信號(hào)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(gè)相敏檢波器系統(tǒng),輸入信號(hào)相同,但兩個(gè)參考輸入在相位上相差π/2.若同相通道中的參考信號(hào)相位為θ,則與其正交通道中的參考信號(hào)相位為θ+π/2.通過(guò)乘法器對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算,得到被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的和頻與差頻信號(hào).利用低通濾波器濾除和頻信號(hào)成分,得到差頻信號(hào).當(dāng)被測(cè)信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí),相敏檢波器的同相輸入可表示為正交輸入可表示為此時(shí),相敏檢波器的同相輸出信號(hào)為正交輸出為式中,Ui為輸入信號(hào);Ur為參考信號(hào).式(3)與式(4)說(shuō)明經(jīng)過(guò)相敏檢波器后,原來(lái)頻率為ω0的信號(hào)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(hào)的幅度Um和被測(cè)信號(hào)的幅度Uz.經(jīng)過(guò)低通濾波器后,信號(hào)中的高頻項(xiàng)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(jì)算出被測(cè)信號(hào)的幅度Vs和相位θ.為了進(jìn)一步說(shuō)明相敏檢波信號(hào)處理對(duì)輸入噪聲的抑制能力,取其中一通道進(jìn)行分析.假設(shè)相敏檢波器的輸入可表示為式中,Ui為被測(cè)信號(hào);Ur為參考信號(hào);Un為噪聲信號(hào)的幅度;ω0為有用信號(hào)的角頻率;ω為噪聲信號(hào)的角頻率;θ為有用信號(hào)與參考信號(hào)的相位差;α為噪聲信號(hào)與參考信號(hào)的相位差.其中,ω≠ω0,θ≠α.此時(shí),相敏檢波器的同相輸出信號(hào)為式中,第1項(xiàng)為信號(hào)項(xiàng),獲得直流檢出;第2,4項(xiàng)為和頻項(xiàng),均被低通濾波器濾除;第3項(xiàng)是參考信號(hào)與噪聲信號(hào)的差頻項(xiàng),只有當(dāng)|Δω|=|ω-ω0|小于低通濾波器的帶寬時(shí)才有輸出,而其他大部分噪聲均被濾除.2試驗(yàn)系統(tǒng)和換能器的設(shè)計(jì)2.1低頻參考信號(hào)的模擬檢測(cè)基于超外差接收正交相敏檢波技術(shù)的電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖3所示.系統(tǒng)由頻率合成器模塊、門(mén)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(hào)經(jīng)過(guò)門(mén)控放大器得到高壓脈沖串激勵(lì)EMAT.EMAT接收到的信號(hào)通過(guò)前置放大器放大,再經(jīng)可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鞣糯?頻率合成器的輸出信號(hào)之一,稱之為中頻參考信號(hào),由頻率合成器時(shí)鐘經(jīng)分頻后獲得,其相位角固定且在0時(shí)刻相位接近0°;上述兩信號(hào)通過(guò)混頻器相乘,形成一個(gè)包含超聲信號(hào)相位信息的新信號(hào),經(jīng)中頻放大器后,與本地振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)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(guò)程中,高頻項(xiàng)被低通濾波器有效抑制,只保留包含接收信號(hào)相位的低頻(基帶)項(xiàng).將兩路相敏檢波信號(hào)(即同相輸出和正交輸出信號(hào))通過(guò)A/D采集卡采集后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示.由軟件系統(tǒng)設(shè)置電子門(mén),根據(jù)式(7)和式(8)計(jì)算門(mén)內(nèi)接收信號(hào)的幅值和相位角,通過(guò)C掃描軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示.從寬帶射頻接收模塊出來(lái)的原始接收射頻信號(hào)及經(jīng)過(guò)正交相敏檢波后的兩路相位信號(hào)可直接通過(guò)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(cè)原理,設(shè)計(jì)橫波EMAT,用于檢測(cè)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(chǎng);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(shí)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(cè)系統(tǒng),檢測(cè)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(hào)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(hào)以及經(jīng)相敏檢波處理后的同相輸出和正交輸出信號(hào),檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào).從圖7~圖9可以看出,經(jīng)相敏檢波后的信號(hào)比原始接收射頻信號(hào)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(hào)幅值越小,這是因?yàn)楦g凹槽為圓弧狀,探頭聲束直徑大于缺陷寬度,聲波經(jīng)過(guò)該凹槽,向四周散射和衰減,返回接收探頭的信號(hào)變?nèi)?且凹槽面積越大散射越嚴(yán)重,接收到的信號(hào)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(hào)比原始接收射頻信號(hào)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(hào)和相敏檢波處理后的信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)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(mén)內(nèi)信號(hào)幅值進(jìn)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(duì)兩種圖像的信噪比進(jìn)行求解.通過(guò)計(jì)算得到原始接收射頻信號(hào)信噪比為13.8dB,相敏檢波后的圖像信噪比為19.5dB.可見(jiàn),經(jīng)過(guò)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響3.2.1實(shí)際檢測(cè)結(jié)果中頻放大器是基于超外差技術(shù)電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分,其帶寬設(shè)置對(duì)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(jìn)行試驗(yàn)和分析,得到的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.由實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可知,中頻放大器的帶寬越寬,信號(hào)的幅值越高,但易引入噪聲信號(hào);減小帶寬可以使噪聲幅度減小,但是有用信號(hào)也同時(shí)被削弱,且當(dāng)接收信號(hào)含高頻成分時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真.3.2.2帶寬設(shè)置對(duì)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(yàn)過(guò)程中,采用上述的檢測(cè)系統(tǒng)和試樣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),只改變低通濾波器的帶寬設(shè)置,其他參數(shù)保持不變,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.由實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可知,當(dāng)?shù)屯V波器的帶寬設(shè)置越窄,進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲幅度越小,抑制噪聲的能力越強(qiáng);但是,在濾波器帶寬選擇比較窄的情況下,有用信號(hào)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(cè)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相關(guān),應(yīng)使濾波器的帶寬邊界離開(kāi)周?chē)^強(qiáng)干擾.4超外差正交相敏檢波技術(shù)通過(guò)對(duì)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