CN103842810B - 用于对检验物进行非破坏性材料检验的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对检验物(8)进行非破坏性材料检验的方法，所述检验物相对于探测器(1)以可变的相对速度运动，所述方法包括以下步骤：借助所述探测器(1)来检测探测器信号(US)；对所述探测器信号(US)进行模拟数字转换，以便产生以具有预给定的、尤其是恒定的字重复率的数字字序列形式的数字化探测器信号(USD)；借助n个级联的抽取级(5_1至5_2)来对数字化探测器信号(USD)或从所述数字化探测器信号中推导出的数字解调信号(UM)的字重复率进行n级抽取，其中，n≥2；根据瞬时的相对速度来选择所述n个抽取级(5_1至5_n)之一的输出信号(UA_1至UA_n)；以及借助数字滤波器(7)对所选择的输出信号进行滤波，所述数字滤波器利用所选择的输出信号的字重复率来定时。

Description

用于对检验物进行非破坏性材料检验的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于对检验物进行非破坏性材料检验的方法和装置。

背景技术

在非破坏性的材料检验中，检测检验物中、例如以金属半成品形式的检验物中的缺陷。

在检验方法变型中，借助正弦波通电的发射线圈给检验物施加周期性的电磁交变场。由此在检验物中感应的涡流又在探测器中——例如以线圈或线圈装置的形式的探测器——中感应周期性的电信号，所述周期性的电信号具有如下载波振荡：当缺陷到达探测器的测量范围中时，所述载波振荡的幅度和/或相位通过检验物中的缺陷以特有的方式来调制。

在材料检验时，可以使检验物相对于探测器以可变的相对速度运动，例如当检验物相对于探测器加速或减速时。在探测器中由于检验物中的缺陷所引起的信号的频谱取决于该相对速度，从而通常要求与相对速度有关的滤波器组用于探测器信号，这随之带来附加的耗费。

相应的情况适用于如下检验方法变型方案，在所述检验方法变型方案中，没有给检验物施加载波信号，这是因为此处探测器信号的频谱也与相对速度有关。

WO 2006/ 007 826 A1公开了一种用于非破坏性和无接触地检测在相对于探测器以可变的相对速度运动的检验物中的缺陷的方法，其中，借助发射器给检验物施加周期性的电磁交变场，并且借助探测器来检测周期性电信号，所述周期性电信号具有如下载波振荡：所述载波振荡的幅度和/或相位通过检验物中的缺陷来调制，其中，A/D转换器级利用载波振荡的频率的第n个整数部分来触发，其中，n尤其根据该相对速度来选择。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供用于对检验物进行非破坏性材料检验的方法和装置，所述方法和装置在检验物与探测器之间相对速度可变的情况下能够实现可靠且执行起来简单的材料检验。

本发明通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求7所述的装置解决所述任务。

用于对检验物进行非破坏性材料检验的方法(所述检验物相对于探测器以可变的相对速度运动)包括以下步骤：借助所述探测器来检测探测器信号——例如探测器电流和/或探测器电压；对所述探测器信号进行模拟数字转换以便产生以具有预给定的、尤其是恒定的字重复率的数字字序列形式的数字化探测器信号；借助n个级联的抽取级来对数字化探测器信号或从所述数字化探测器信号中推导出的数字解调信号的字重复率进行n级抽取，其中，n≥2，其中，相应的抽取级输出数字输出信号，所述数字输出信号具有减小的字重复率、例如减小一个(1)倍频程的字重复率但具有恒定的字宽；根据瞬时的相对速度来选择所述n个抽取级之一的输出信号；以及借助数字滤波器对所选择的输出信号进行滤波，所述滤波器利用所选择的输出信号的字重复率来定时。

滤波器截止频率离采样率或者字重复率越远，数字滤波器的实现越有问题(所需的字宽，不稳定性等)。因此，根据本发明，在滤波之前尽可能降低字重复率。所降低的字重复率例如可以大致等于最大出现的信号频率的20倍至30倍。在具有波动的相对速度的应用中，出现波动的信号频率。这种情况要求：使一个或多个滤波器的截止频率在运行中匹配信号频率。通过在持续运行中重新加载滤波器系数来改变滤波器截止频率是有问题的(所有系数组的瞬态效应（Einschwingeffekt）、稳定性检验，等等)。因为在数字滤波器中截止频率与采样率或者字重复率成固定比例，所以替代地，根据本发明使所使用的采样率或者字重复率动态匹配瞬时的信号频率，也即相对速度。然后可以将滤波器的系数组保持不变。

在一个改进方案中，对字重复率的n级抽取包括以下步骤：在所述抽取级之一中、尤其在第一抽取级中，以可调整的因子k来抽取字重复率，其中，k ≥ 2，优选20≤k≤40，并且在剩余的抽取级中、尤其在第二抽取级至第n抽取级中分别以恒定的因子2、也即恰恰一个倍频程来对字重复率进行抽取。通过这种方式能够精细分级地通过大的动态区域。优选根据瞬时相对速度来调整k。

在一个改进方案中，数字滤波器是带通滤波器，尤其是具有预给定的、在运行期间也即在对检验物进行非破坏性材料检验期间恒定的滤波器系数的带通滤波器。

在一个改进方案中，数字化探测器信号或者数字解调信号的字重复率位于1kHz至200MHz、优选2MHz至6MHz的范围内。

在一个改进方案中，所述方法还包括以下步骤：给检验物施加交变磁场，以便在检验物中产生对应的有效交变磁场(Wirk-Wechselfeld)，其中，所述交变磁场以至少一个预给定的载波频率来周期性变化，从而使所述探测器信号具有至少一个载波频率并且在其幅度和/或相位方面根据检验物的材料特性来调制，并且对数字化探测器信号进行数字解调，其方式是，将数字化探测器信号与具有至少一个载波频率的数字化载波信号相乘，以便产生以具有模拟数字转换的预给定字重复率的数字字序列形式的数字化解调信号。

所述装置被构造用于实施所述方法，并且包括探测器、模拟数字转换器、n个级联的抽取级、选择装置——例如开关矩阵或者多路复用器——和数字滤波器，所述模拟数字转换器被构造用于对探测器信号进行模拟数字转换以产生数字化探测器信号，所述选择装置被构造用于根据相对速度来选择所述n个抽取级之一的输出信号。

在一个改进方案中，所述探测器是磁场探测器，所述磁场探测器尤其被构造用于电感式地检测磁场或通过使用霍尔效应来检测磁场。

在一个改进方案中设置：磁场发生装置和数字解调器，所述磁场发生装置被构造用于给检验物施加交变磁场，所述数字解调器被构造用于对数字化探测器信号进行数字解调。

附图说明

随后参考附图来描述本发明，所述附图示出本发明的优选实施方式。在此示意性地示出：

图1用于对检验物进行非破坏性材料检验的装置。

具体实施方式

图1示出用于对检验物8进行非破坏性材料检验的装置，所述检验物相对于磁场探测器1以在所述装置中已知的可变相对速度运动，并且借助未详细示出的磁场发生装置给所述检验物施加交变磁场，所述交变磁场借助激励信号而产生，其中，激励信号以至少一个预给定的激励频率或者载波频率周期性变化，因此交变磁场也以至少一个预给定的激励频率或者载波频率周期性变化。所述激励频率或者载波频率例如可以位于1kHz至500kHz的范围内。

由此在检验物中产生对应的有效交变磁场，从而使探测器信号US具有至少一个载波频率，并且在其幅度和/或相位方面根据检验物的材料特性来调制。

探测器信号US借助连接在后面的抗混叠(AAL)滤波器2来滤波，并且随后借助模拟数字转换器3进行模拟数字转换，以便产生以具有预给定的恒定的字重复率和预给定的恒定的字宽的数字字序列形式的数字化探测器信号USD。因此，以恒定的字重复率或者采样率来时间和振幅离散地对探测器信号US进行数字化。该字重复率通过模拟数字转换器3来确定，并且示例性地是4兆样本/秒。模拟数字转换器3和以抗混叠滤波器2形式的前联电路确保遵守香农定理，也即模拟数字转换器3的输入信号仅仅包含小于2MHz的频率部分。

数字解调器4用于对数字化探测器信号USD进行数字解调，其方式是，将数字化探测器信号USD与未详细示出的具有至少一个载波频率的数字化载波信号相乘，以便通过这种方式产生以具有预给定字重复率的数字字序列形式的数字化解调信号UM。所述解调利用激励信号来锁相地实现，以便能够确定激励信号与探测器信号US之间的相移，所述相移包含检验信息。通过与激励信号相乘而在保持模拟数字转换器3的全字重复率下实现所述解调。

可以执行两次解调，即一方面作为与具有该载波频率的余弦信号的相乘以产生X分量，并且另一方面作为与具有该载波频率的正弦信号的相乘以产生Y分量。在这些相乘时形成本频谱与载波频率的和与差。两个已解调分量的进一步处理通过分别相同的方式来实现，其中，随后所述进一步处理仅仅示例性地对于一个分量来描述。

常规上，所述解调通过在固定的相位角的情况下每个载波周期一次或者两次取样或采样实现。在这种情况下，所述解调同时意味着以载波频率或者双倍的载波频率来采样。为了避免由混叠产物引起的干扰，必须在所述解调之前利用抗混叠滤波器来抑制在0Hz处和在所述载波频率和其倍数周围的频率范围。

根据本发明，以模拟数字转换器3的恒定的全字重复率来进行所述解调，从而使所述解调与激励频率或者载波频率无关。由此，模拟数字转换器3前面的模拟电路耗费减小到最小值，即在模拟数字转换器3的半字重复率或者半字重复频率的情况下恒定的AAL低通滤波器。通过在解调之前和在解调时不减小字重复率的方式，所述解调之前不需要AAL滤波器。

具有n个级联抽取级5_1至5_n的抽取器用于数字解调信号UM的字重复率的n级抽取，其中，相应抽取级5_1至5_n的输出端与以开关矩阵6的形式的选择装置的对应输入端连接。抽取级的数目n例如可以是13。

在解调器4中或在其后面设置未示出的低通滤波器，如此确定所述低通滤波器的大小，使得在双倍载波频率的情况下解调副产物得到充分抑制。同时，该滤波器用作抽取字重复率之前的AAL滤波器。

开关矩阵6的输出端与作为应用滤波器的数字带通滤波器7连接，其中，开关矩阵6根据瞬时相对速度来选择抽取级，所述瞬时相对速度由速度测量装置9提供给开关矩阵6。借助开关矩阵6选择的输出信号用作带通滤波器7的输入信号，所述带通滤波器以所选择的输出信号的相应减小的字重复率来定时。

基于带通滤波器7的与相对速度有关的定时，产生其与瞬时相对速度自动匹配的截止频率，从而自动考虑在探测器1中所产生信号的与相对速度有关的频谱，而不必为此如常规那样需要与相对速度有关的滤波器组。

包括低通7a和高通7b的带通滤波器或者应用滤波器7基本上用于应用特定的干扰抑制。待滤波的干扰主要由检验材料产生，例如由于结构变化、渗透率波动、表面粗糙度等等。为此，高通7b是重要的。低通7A用于低频率的干扰抑制，例如用于抑制电网交流声等。

应用滤波器7的通带范围对应于要以给定轨道速度（Spurgeschwindigkeit）发现的不同材料缺陷的频率(垂直穿过窄裂缝直至斜穿过宽裂缝)。在应用滤波器7的输出端处输出经相应地带通滤波的解调信号，例如必要时能够在进一步字重复率减小之后在微处理器和/或专用硬件中分析所述解调信号，以便在检验物中进行缺陷识别。

在具有波动的轨道速度或者相对速度的应用中，出现波动的信号频率。这种情况要求：使一个或多个应用滤波器的截止频率在运行中匹配信号频率。然而，通过在持续运行中重新加载系数来改变滤波器截止频率是有问题的(所有系数组的瞬态效应、稳定性检验，等等)。然而，因为在数字滤波器中截止频率与时钟频率、也即重复率成固定比例，所以替代地，动态匹配信号频率。然后，应用滤波器7的系数组能够在运行期间保持不变。

必须能够一方面根据出现的材料缺陷并且另一方面根据干扰信号出现来调整带宽。在应用滤波器7的低通7a始终以相同的系数组运行的同时，对于应用滤波器的高通7b可以保持准备好应用特定的多个系数组，所述多个系数组可以在设置阶段由操作人员应用特定地来选择。然而，在运行检验装置期间，不必改变系数组。

滤波器截止频率离应用滤波器7的时钟频率越远，应用滤波器7的实现越复杂。就此而言，基于抽取器，始终提供优化的时钟频率，也即字重复率。可以借助抽取器来抽取字重复率，例如直至最大预期的信号频率的24倍。

所述抽取不是在一个步骤中进行，而是分成在一倍频程内改变字重复率的第一抽取级5_1和在一个链中分别对字重复率减半的抽取级5_2至5_n。

抽取级或者减半级5_2至5_n的链在每一级之后提供抽头。这意味着，这些信号以倍频程步同时在多个检测频率中可供使用。在信号频率变化时，可以借助开关矩阵6变换到另一所属的抽头上。在其上可以变换的动态区域原则上可通过延长减半级5_2至5_n的链而成为任意大的。

抽取级5_2至5_n中的每一个都具有未示出的、在截止频率和所属的字重复率之间具有小间距的抽取滤波器，从而能够简单且稳定地实现这些抽取滤波器。

第一抽取级5_1以在一倍频程上可变的抽取率k从模拟数字转换器3的字重复率下降到所需的最高检测频率，其中，k例如是20、21、22、...、40。率减小例如可以通过以下方式来产生：在每一次采样之后移除紧接着的k-1个采样。借助第一抽取级5_1例如可以分20级在一个倍频程上以步宽<=5%来改变字重复率。

k的变化与信号频率匹配地进行，所述信号频率又通过相对速度来检测。在相对速度波动的情况下，定期检测速度测量值，并且在运行期间动态地一起进行率减小k。

借助抽取级5_2至5_n扩展字重复率的变化宽度超过一个倍频程，直至所需的最低字重复率。由于省略每第二个样本而形成到2分之一的率减小。

始终在全长上根据最小的信号频率来运行抽取级5_2至5_n的链。在每一个减半级之后，可以实现用于对检验信号进行进一步处理的抽头。在此，抽取器本身始终保持不变。

可以理解，在探测器信号未调制的情况下可以不用解调器。

所示出的实施方式在检验物与探测器之间的相对速度可变的情况下能够实现可靠且执行起来简单的材料检验。

Claims (16)

1.一种用于对检验物(8)进行非破坏性材料检验的方法，所述检验物相对于探测器(1)以可变的相对速度运动，所述方法包括以下步骤：

借助所述探测器(1)来检测探测器信号(US)，

对所述探测器信号(US)进行模拟数字转换，以便产生以具有预给定的字重复率的数字字序列的形式的数字化探测器信号(USD)，

借助n个级联的抽取级(5_1至5_n)来对所述数字化探测器信号(USD)或从所述数字化探测器信号中推导出的数字解调信号(UM)的字重复率进行n级抽取，其中，n≥2，

根据瞬时的相对速度来选择所述n个级联的抽取级(5_1至5_n)之一的输出信号(UA_1至UA_n)，以及

借助数字滤波器(7)对所选择的输出信号进行滤波，所述数字滤波器利用所选择的输出信号的字重复率来定时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预给定的字重复率是恒定的字重复率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述字重复率的n级抽取包括以下步骤：

在所述抽取级之一中以可调整的因子k来抽取所述字重复率，其中，k ≥ 2，以及

在剩余的抽取级中分别以恒定的因子2来抽取所述字重复率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述剩余的抽取级是第二抽取级至第n抽取级(5_2至5_n)。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，20≤k≤40。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在第一抽取级(5_1)中以可调整的因子k来抽取所述字重复率。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据瞬时的相对速度来调整k。

8.根据以上权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，

所述数字滤波器(7)是带通滤波器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述带通滤波器具有在运行中预给定的恒定的滤波器系数。

10.根据以上权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，

所述数字化探测器信号或者所述数字解调信号的字重复率位于1kHz至200MHz的范围内。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述范围为2MHz至6MHz。

12.根据以上权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：

给所述检验物（8）施加交变磁场，以便在所述检验物(8)中产生对应的有效交变磁场，其中，所述交变磁场以至少一个预给定的载波频率周期性变化，从而使所述探测器信号（US）具有至少一个载波频率并且在其幅度和/或相位方面根据所述检验物的材料特性来调制，以及

对所述数字化探测器信号(USD)进行数字解调，其方式是，将所述数字化探测器信号(USD)与具有所述至少一个载波频率的数字化载波信号相乘，以便产生以具有所述预给定的字重复率的数字字序列形式的数字化解调信号(UM)。

13.一种用于实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法的装置，其特征在于：

所述探测器(1)，

模拟数字转换器(3)，所述模拟数字转换器被构造用于对所述探测器信号(US)进行模拟数字转换，以产生所述数字化探测器信号，

所述n个级联的抽取级(5_1至5_n)，

选择装置(6)，所述选择装置被构造用于根据所述相对速度来选择所述n个级联的抽取级(5_1至5_n)之一的输出信号(UA1至UA_n)，以及

所述数字滤波器(7)。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，

所述探测器(1)是磁场探测器。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，

所述磁场探测器被构造用于电感式地检测或通过使用霍尔效应来检测磁场。

16.根据权利要求13、14或15所述的装置，其特征在于

磁场发生装置，所述磁场发生装置被构造用于给所述检验物施加交变磁场，以及

数字解调器(4)，所述数字解调器被构造用于对所述数字化探测器信号进行数字解调。