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一种双频电磁超声检测系统

阅读：687发布：2024-01-09

专利汇可以提供一种双频电磁超声检测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种双频电磁超声检测系统，由数字信号发生器、功率放大器、双工器、磁铁、线圈、金属试样、前置放大器、高通滤波器、低通滤波器和信号处理器组成。数字信号发生器交替产生两种不同频率的数字信号，输入到功率放大器中进行功率放大，经过双工器，驱动线圈。线圈的作用是激励超声波和接收超声回波，超声回波信号经过双工器输入到前置放大器中。信号经过前置放大器放大以后分成两路，分别输入到一个低通滤波器和一个高通滤波器中。滤波之后信号输入到信号处理器中，通过低频信号幅值确定提离距离的大小，再根据提离距离以及高频缺陷回波信号的幅值确定缺陷的尺寸，从而实现在提离距离发生变化时，仍然能对缺陷尺寸进行定量表征。，下面是一种双频电磁超声检测系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种双频电磁超声检测系统，包括数字信号发生器(1)、功率放大器(2)、双工器(3)、磁铁(4)、线圈(5)、金属试样(6)、前置放大器(7)、高通滤波器(8)、低通滤波器(9)和信号处理器(10)，所述的磁铁(4)和线圈(5)构成电磁超声换能器，所述的数字信号发生器(1)交替产生两种不同频率的数字信号，输入到功率放大器(2)中进行功率放大，经过双工器(3)，驱动线圈(5)，线圈(5)的作用是激励超声波和接收超声回波信号，超声回波信号经过双工器(3)输入到前置放大器(7)中，经前置放大器(7)放大以后分两路分别输入到一个低通滤波器(9)和一个高通滤波器(8)中，滤波之后信号输入到信号处理器(10)中，通过两种不同频率的超声回波信号进行缺陷信息判断。
2.根据权利要求1所述的一种双频电磁超声检测系统，其特征在于：所述的数字信号发生器(1)间隔产生两种不同频率的数字脉冲信号，其中一种频率较高，另一种频率较低，高频数字信号的频率所对应的超声波波长与缺陷尺寸相当，低频数字信号的频率小于高频信号频率的1/3。
3.根据权利要求1所述的一种双频电磁超声检测系统，其特征在于：所述的高通滤波器(8)和低通滤波器(9)的截止频率分别大于数字信号发生器(1)产生的低频信号频率，但小于其产生的高频信号频率。
4.利用权利要求1-3所述的一种双频电磁超声检测系统的检测方法，其特征在于：
在标定阶段，先使用不含缺陷的标定试样对系统进行标定，标定出换能器到试样的提离距离g与低频底面回波信号幅值Rl的对应关系：g＝f1(Rl)；然后使用包含缺陷的标定试样对系统进行再次标定，标定出缺陷尺寸d与提离距离g、高频缺陷回波信号幅值的对应关系：
在检测阶段，根据接收到的低频信号幅值Rl，通过g＝f1(Rl)得到提离距离g，然后根据提离距离g和高频缺陷回波信号幅值通过得到缺陷尺寸d。

说明书全文

一种双频电磁超声检测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种双频电磁超声检测系统极其检测方法。

背景技术

[0002] 电磁超声换能器EMAT(electromagnetic acoustic transducer)是一种利用电磁耦合的方式激励和接收超声波的换能器，具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适用于高温检测等特点，多被应用于金属棒、板、管等的缺陷检测、尺寸测量、应力检测等。电磁超声的作用机理分为两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机理为：激励线圈中通入高频脉冲电流，因电磁感应在金属试样中耦合出电涡流J，在外部静态磁场Bs和激励线圈产生的动态磁场Bd的作用下产生洛伦兹力：F＝Bs×J+Bd×J，引起金属表面局部受力震动从而产生超声波。磁致伸缩机理只在铁磁性材料中出现，如：铁、镍等，由铁磁性材料的磁致伸缩特性所决定，激励线圈中的交变电流引起线圈周围的磁场发生交变，从而引起铁磁性材料发生交替伸缩变化从而产生超声波，接收过程为激励过程的逆过程。

[0003] 电磁超声换能器与试件之间的距离称为提离距离，提离距离越大，换能器在试样中耦合出的超声波强度就越低，换能效率越低，反之，就越大。在使用电磁超声检测技术进行在线检测时，待测物体和换能器之间的相对位置会发生变化，且待测物体表面形貌不一定平整，提离距离成为一个未知变量输入到检测系统中。在实施缺陷检测时，一般通过缺陷回波的幅值大小来判断缺陷尺寸的大小，但是如果提离距离变动，则即使检测同一个缺陷，其回波的幅值大小也会不同，这就给缺陷尺寸的定量表征带来困难。现实应用中，多使用机械支撑的方式来固定探头到试样的距离，但是当试样表面形貌不平整时，这种方法并不可靠。本发明解决了在提离距离变动的情况下不能有效的表征出缺陷尺寸的问题。

发明内容

[0004] 在线检测时，电磁超声检测系统的提离距离不可避免的会发生变动，而该变动会导致对缺陷尺寸的定量表征不准确。本发明通过激发出两种不同频率的超声波，根据低频底面超声波幅值计算提离距离，再根据提离距离和高频缺陷回波幅值计算缺陷尺寸。本发明的目的是在提离距离发生变化时，仍然能对缺陷尺寸进行定量表征。

[0005] 为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种双频电磁超声检测系统，包括数字信号发生器(1)、功率放大器(2)、双工器(3)、磁铁(4)、线圈(5)、金属试样(6)、前置放大器(7)、高通滤波器(8)、低通滤波器(9)和信号处理器(10)，所述的磁铁(4)和线圈(5) 构成电磁超声换能器，所述的数字信号发生器(1)交替产生两种不同频率的数字信号，输入到功率放大器(2)中进行功率放大，经过双工器(3)，驱动线圈(5)，线圈(5)的作用是激励超声波和接收超声回波信号，超声回波信号经过双工器(3)输入到前置放大器(7)中，经前置放大器(7)放大以后分两路分别输入到一个低通滤波器(9)和一个高通滤波器(8)中，滤波之后信号输入到信号处理器(10)中，通过两种不同频率的超声回波信号进行缺陷信息判断。

[0007] 本发明的另一个优选方案是：上述的数字信号发生器(1)间隔产生两种不同频率的数字脉冲信号，其中一种频率较高，另一种频率较低，高频数字信号的频率所对应的超声波波长与缺陷尺寸相当，低频数字信号的频率小于高频信号频率的1/3。

[0008] 本发明的另一个优选方案是：上述的高通滤波器(8)和低通滤波器(9) 的截止频率分别大于数字信号发生器(1)产生的低频信号频率，但小于其产生的高频信号频率。

[0009] 线圈(5)为赛道形线圈或螺旋形线圈。

[0010] 双工器(3)的作用为分离激励信号和回波信号，防止相互干扰。

[0011] 探头参数、激励信号源及金属试样属性固定之后，所激励的超声波强度仅与提离距离有关，设探头激励的高频超声波幅值为As(g)，低频超声波幅值为 Al(g)，g为提离距离，s表示高频短波，l表示低频长波。超声波在试样中传播时，不同频率的超声波的衰减率也有差异，衰减量与距离有关，衰减系数分别为：αs(h)、αl(h)，h为传播距离。检测声波在遇到缺陷等不连续界面时，会产生反射声波，而检测声波继续传播，这里采用衰减系数表征反射声波和检测声波的强度，反射声波衰减系数分别为：rs(d)、rl(d)，检测声波强度衰减系数为：βs(d)、βl(d)，其中d为缺陷尺寸。超声波遇到边界时界面反射波的衰减系数为：bs、bl；超声波传播到接收探头被接收探头接收时，进行能量转换，由声波机械能转换为电能，而转换效率在基本参数固定时，仅与提离距离g有关。随着提离距离g增加，转换效率降低，这里使用与提离距离g有关的衰减函数表征接收转化率：fs(g)、fl(g)，则接收到的低频底面回波信号的幅值为：

[0012] Rl＝blαl(h)βl(d)fl(g)Al(g) (1)，

[0013] 高频缺陷回波信号幅值为：

[0014]

[0015] 这里，缺陷尺寸与高频超声波波长相当，且远小于低频超声波波长，则βl(d)≈1，rs(d)＞0。

[0016] 本发明提供一种缺陷尺寸测定方法，可通过标定阶段和检测阶段实现。

[0017] 标定阶段：

[0018] 使用无缺陷试样进行标定，这里βl(d)＝1，g与Rl之间存在唯一映射关系，可以标定出不同提离距离g下对应的底面低频反射回波幅值Rl：

[0019] g＝f1(Rl) (3)，

[0020] 使用有缺陷试样进行再次标定，这里rs(d)≠0，缺陷尺寸d和提离距离g之间存在映射关系，则可标定出不同提离距离g和不同缺陷尺寸d下的缺陷高频反射回波幅值[0021]

[0022] 检测阶段：

[0023] 假设存在缺陷时，缺陷的高频反射回波幅值和底面的低频反射回波Rl为已知量，则可以通过式(3)得到提离距离g；然后根据提离距离g和高频缺陷回波幅值通过式(4)得到缺陷尺寸d。

[0024] 因所有的标定数据为离散数据，实际测量时测量到的回波幅值可能不在数据点上，在进行查找时需要对数据进行拟合处理。附图说明

[0025] 图1为本发明双频电磁超声检测系统组成框图。

[0026] 图2为本发明脉冲信号发生器产生的脉冲信号的信号图。

[0027] 图3为本发明典型探头结构图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图说明本发明的典型实施方式。

[0029] 本发明由数字信号发生器(1)、功率放大器(2)、双工器(3)、磁铁(4)、线圈(5)、金属试样(6)、前置放大器(7)、高通滤波器(8)、低通滤波器(9) 和信号处理器(10)组成，其中磁铁(4)和线圈(5)构成电磁超声换能器。数字信号发生器(1)交替产生两种不同频率的数字信号，输入到功率放大器 (2)中进行功率放大，经过双工器(3)，驱动线圈(5)。线圈(5)的作用是激励超声波，并接收超声回波信号，超声回波信号经过双工器(3)输入到前置放大器(7)中。信号经过前置放大器(7)放大以后，分两路分别输入到低通滤波器(9)和高通滤波器(8)中。滤波之后信号输入到信号处理器(10) 中，通过两种不同频率的超声回波信号进行缺陷信息判断。

[0030] 线圈(5)的形状为螺旋状，磁铁为圆柱形磁铁，磁化方向沿圆柱轴向，结构如图3所示。

[0031] 数字信号发生器1发射的数字脉冲信号中高频信号频率为2MHz，低频信号频率为200kHz，两种信号间隔发出，如图2所示。

[0032] 低通滤波器(9)的截止频率截至频率为250kHz，其目的在于滤掉高频分量，保留低频分量。

[0033] 高通滤波器(8)的截止频率为1.5MHz，其目的在于滤掉低频分量，保留高频分量。

[0034] 在信号处理其中采用缺陷回波法，需要进行标定和检测两个阶段。其中标定方法为：使用不含缺陷的标定试样对系统进行第一次标定，标定出不同提离距离对应的低频底面回波信号幅值。然后使用包含缺陷的标定试样对系统进行再次标定，标定出在不同提离距离(与第一次标定相同)下不同缺陷尺寸对应的高频缺陷回波信号幅值。

[0035] 在检测阶段，通过接收到的低频信号幅值和第一次标定信息计算提离距离。然后根据提离距离，查找第二次标定信息，计算当前高频缺陷回波信号幅值所对应的缺陷尺寸。因为所有标定数据的为离散值，需要通过拟合方法计算出连续值。

[0036] 以上所述为本发明的典型实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

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