CN105572232A - 低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置。该装置包括保护电路、多级放大电路和多个钳位电路，其中：保护电路，用于限制初始目标信号中初始高压信号的幅值，输出第一目标信号；多级放大电路，用于对检测到的第一目标信号进行放大，其中，多级放大电路包括至少三级放大电路，且多级放大电路中每级放大电路依次串联，放大之后的第一目标信号用于检测被测材料的损伤程度；多个钳位电路中每个钳位电路用于对并联的放大电路输出的高压信号进行限幅，其中，多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路。本发明解决了现有技术中无法准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术问题。

Description

低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体而言，涉及一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置。

背景技术

近年来，通过低频超声导波技术可实现航空用铝镁合金板、石油和化工用金属管道和特种设备用压力容器金属底板等导电或导磁类结构的长距离和大范围检测。相对于传统的压电换能器而言，采用电磁超声换能器作为低频导波检测时的换能装置时，具有非接触式、不需要耦合剂、重复性好和便于定量测量等优点。但采用电磁超声换能器进行导波散射信号接收时，由于其能量转换机理的限制，导致接收信号非常微弱，只有μV级，因此，电磁超声导波接收信号特别容易淹没在检测仪器所产生的噪声里。

现有技术主要是针对电磁超声测厚时的回波信号进行接收放大及检波获取。该现有技术将电磁超声换能器检测到的信号经高压箝制电路限幅后，送入两级差分放大器系统进行信号的放大，放大后的信号通过跟随器送入检波器及相关滤波系统，通过检波滤波来拾取检测信号。由于在检测时低频电磁超声导波传播距离远大于远超声传播距离，导致导波散射信号幅值更小，需要接收信号放大系统的放大倍数更大，这同时也要求该接收系统具有更高的信噪比。通过现有技术中接收放大器系统将接收到的信号进行两级放大，由于目前器件增益带宽积的限制，难以实现低频导波散射信号的有效放大。更重要的是，随着接收系统放大倍数的增加，对于电磁超声换能器感知的高压射频交叉感应信号同时也会进行放大，使得放大电路处于饱和状态难以快速恢复，不能对后续电磁超声导波接收信号进行有效放大。

目前，尚无关于低频电磁超声导波接收信号放大系统的报道，而能用于超声测厚仪器的放大电路难以满足该低频电磁超声导波接收信号放大的要求。主要因为：低频电磁超声导波接收信号频率远低于超声接收信号频率，这对于接收电路的设计提出了新的要求，目前尚无针对该频段的电磁超声导波接收信号放大系统的报道；由于超声导波检测距离远，电磁超声导波接收信号应比电磁超声接收信号放大装置的增益大很多，目前的两级放大系统及跟随器均采用差分方式来抑制传感器引入的共模噪声，对于需要更大放大倍数的低频电磁超声导波接收信号系统而言，这种方式会导致需要的放大器的数量增加一倍，从而会引入更多的随机噪声，使得微弱接收信号淹没在器件引起的随机噪声中；现有的只用二极管限制输入信号幅值的方式，不适用于电磁超声导波接收信号放大装置，主要因为经多级电路放大后的被限幅的高压射频交叉感应信号依然会对后续电路有较大冲击，导致电路难以快速恢复以放大有用信号。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置，以解决现有技术中无法准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置，包括：多级放大电路，用于对检测到的第一目标信号进行放大，其中，所述多级放大电路包括至少三级放大电路，且所述多级放大电路中每级放大电路依次串联，放大之后的所述第一目标信号用于检测被测材料的损伤程度；多个钳位电路，所述多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路，所述多个钳位电路中每个钳位电路用于对并联的放大电路输出的高压信号进行限幅。

进一步地，所述装置还包括：保护电路，所述保护电路的输入端接收初始目标信号，所述保护电路的输出端与所述多级放大电路的输入端相连接，用于限制所述初始目标信号中初始高压信号的幅值，输出所述第一目标信号。

进一步地，所述保护电路包括：第一限幅电路，所述第一限幅电路的输出端与变压器的一次侧相连接，用于限制所述初始目标信号中的初始高压信号的幅值至预设幅值，输出限幅后的初始目标信号；所述变压器，用于将所述限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号；第二限幅电路，所述第二限幅电路的输入端与所述变压器的二次侧相连接，用于将所述变压器放大之后的初始目标信号中初始高压信号的幅值由当前幅值限幅至所述预设幅值。

进一步地，所述第一限幅电路和所述第二限幅电路均包括：第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述变压器的一次侧的第一端相连接，所述第一二极管的阴极与所述变压器的一次侧的第二端相连接；第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第一二极管的阴极相连接，所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极相连接。

进一步地，所述多级放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和第四级放大电路，并且所述第一级放大电路、所述第二级放大电路、所述第三级放大电路和所述第四级放大电路依次串联，所述放大装置还包括：第一隔直电路，所述第一隔直电路设置在第一间隔、第二间隔、第三间隔、第四间隔中的至少一个间隔，用于对所述多级放大电路中的直流信号进行隔离，其中，所述第一间隔为所述保护电路和所述第一级放大电路之间的间隔，所述第二间隔为所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间的间隔，所述第三间隔为所述第二级放大电路和所述第三级放大电路之间的间隔，所述第四间隔为所述第三级放大电路和所述第四级放大电路之间的间隔；第二隔直电路，所述第二隔直电路的输入端与所述第四级放大电路的输出端相连接，用于对所述第四级放大电路的输出信号中的直流信号进行隔离。

进一步地，所述多级放大电路中每级放大电路均包括：运算放大器，其中，所述运算放大器的输出端为所述放大电路的输出端；第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述第一电阻的第二端接收所述第一目标信号；第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述第二电阻的第二端与第三电阻的第一端相连接；所述第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第二电阻的第二端相连接，所述第三电阻的第二端与所述运算放大器的输出端相连接；电容，所述电容的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述电容的第二端与所述运算放大器的输出端相连接；第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述运算放大器的正向输入端相连接，所述第四电阻的第二端接地。

进一步地，所述多个钳位电路中每个钳位电路包括：第一三极管，所述第一三极管的集电极与所述运算放大器的输出端相连接，所述第一三极管的基极与所述第二电阻的第二端相连接，所述第一三极管的发射极与所述运算放大器的反向输入端相连接；第二三极管所述第二三极管的集电极与所述运算放大器的输出端相连接，所述第二三极管的基极与所述第二电阻的第二端相连接，所述第二三极管的发射极与所述运算放大器的反向输入端相连接。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法，包括：接收第一目标信号，其中，所述第一目标信号用于检测被测材料损伤程度；对所述第一目标信号放大预设次数，并对高压信号的幅值进行限幅，其中，所述高压信号为初始高压信号每次放大后得到的信号，所述预设次数大于3。

进一步地，对所述第一目标信号放大预设次数包括：在对所述第一目标信号进行第一次放大之后，对第一次放大之后的第一目标信号进行第二次放大，对第二次放大之后的第一目标信号进行第三次放大，对第三次放大之后的第一目标信号进行第四次放大；在对所述第一目标信号放大的过程中，所述方法还包括：对以下至少一种信号中的直流信号进行隔离：对放大之前的所述第一目标信号进行隔离，对第一次放大之后的所述第一目标信号进行隔离，对第二次放大之后的所述第一目标信号进行隔离，对第三次放大之后的所述第一目标信号进行隔离；对第四次放大之后的所述第一目标信号进行信号中的直流信号进行隔离。

进一步地，在接收第一目标信号之前，所述方法还包括：接收初始目标信号，其中，所述初始目标信号包括所述第一目标信号和所述初始高压信号；降低所述初始目标信号中的初始高压信号的幅值至预设幅值，输出限幅后的初始目标信号；将所述限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号；将所述放大之后的初始目标信号中的初始高压信号的幅值由当前幅值降低至所述预设幅值。

在本发明实施例中，采用多级放大电路，用于对检测到的第一目标信号进行放大，其中，所述多级放大电路包括至少三级放大电路，且所述多级放大电路中每级放大电路依次串联，所述第一目标信号用于检测被测材料的损伤程度；多个钳位电路，所述多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路，所述多个钳位电路中每个钳位电路用于对并联的放大电路输出的高压信号进行限幅，通过多级放大电路对检测到的目标信号进行多级放大，并通过设置在每级放大电路两端的钳位电路对目标信号中的高压信号进行限幅，不仅能快速从高压信号所产生的冲击中恢复过来，而且还能将后续的微弱低频电磁超声导波接收信号进行上百dB的线性放大，达到了对低频电磁超声导波接收信号进行放大的目的，从而实现了准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术效果，进而解决了现有技术中无法准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置的示意图；

图2是根据本发明可选实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置的示意图；

图3是根据本发明可选实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大电路结构图；

图4是根据本发明可选实施例的一种频率-放大倍数的变化关系的示意图；

图5a是根据本发明可选实施例的一种放大之后的低频电磁超声导波接收信号波形图；

图5b是根据本发明可选实施例的另一种放大之后的低频电磁超声导波接收信号波形图；

图5c是根据本发明可选实施例的另一种放大之后的低频电磁超声导波接收信号波形图；以及

图6是根据本发明实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置的实施例。

图1是根据本发明实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置的示意图，如图1所示，该装置包括多级放大电路10和多个钳位电路20，其中:

多级放大电路10，用于对检测到的第一目标信号进行放大，其中，多级放大电路包括至少三级放大电路，且多级放大电路中每级放大电路依次串联，放大之后的第一目标信号用于检测被测材料的损伤程度，在图1中示出N级放大电路。

在本发明实施例中的多级放大电路至少包括三级放大电路，例如，四级放大电路，五级放大电路和六级放大电路等。具体地，如图1所示，多级放大电路10包括放大电路10-1、放大电路10-2、放大电路10-3，以及放大电路10-N，上述多级放大电路用于对第一目标信号进行放大，其中，第一目标信号为经保护电路40放大之后的低频电磁超声导波接收信号，并且低频电磁超声导波接收信号由某一电磁超声换能器在待检试件中激励产生的超声导波与缺陷或边界等交互作用之后的散射信号经另一电磁超声换能器拾取而得，N为大于或者等于3的正整数。

作为优选，在本发明实施例中，采用的多级放大电路可以为四级放大电路，即：放大电路10-1、放大电路10-2、放大电路10-3和放大电路10-4，该四级放大电路依次串联连接，采用该四级放大电路即可满足对低频电磁超声导波接收信号按照预设倍数进行放大的目的，且通过该四级放大电路放大之后的低频电磁超声导波接收信号的效果最佳。

多个钳位电路20，多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路，多个钳位电路中每个钳位电路用于对并联的放大电路输出的高压信号进行限幅。

具体地，多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路，如图1所示，在每个放大电路的两端均并联一个钳位电路：例如，钳位电路20-1、钳位电路20-2、钳位电路20-3以及钳位电路20-N。当由某一电磁超声换能器产生低频电磁超声导波时，另一电磁超声换能器会感知一个初始高压信号(例如，高压射频交叉感应信号)，该初始高压信号的幅值远大于低频电磁超声导波接收信号的幅值。当放大电路对低频电磁超声导波接收信号进行放大时，也会对流入至放大电路中的初始高压信号进行放大，然而，放大之后的初始高压信号过大会导致后续电路进入饱和状态，难以快速恢复，因此，在本发明实施例中，可以通过上述钳位电路对放大之后的初始高压信号进行限幅，保证电路的正常运行。

在本发明实施例中，通过多级放大电路对检测到的第一目标信号进行多级放大，并通过设置在每级放大电路两端的钳位电路对放大电路输出的高压信号进行限幅，不仅能快速从高压信号所产生的冲击中恢复过来，而且还能将后续的微弱低频电磁超声导波接收信号进行上百dB的线性放大，达到了对低频电磁超声导波接收信号进行放大的目的，从而实现了准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术效果，进而解决了现有技术中无法准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术问题。

可选地，如图1所示，上述放大装置还包括：保护电路40，保护电路40的输入端接收初始目标信号，保护电路40的输出端与第一级放大电路10-1相连接，用于限制初始目标信号中初始高压信号的幅值，输出第一目标信号。

上述保护电路40的输入端接收电磁超声换能器接收到的初始目标信号，然后，保护电路40过滤接收到的初始目标信号中的高频噪声信号，以抑制共模干扰。同时，保护电路40还可以限制初始目标信号中的初始高压信号(例如，高压射频交叉感应信号)的幅值，进而输出第一目标信号和限幅后的初始高压信号。在保护电路40输出第一目标信号和限幅后的初始高压信号之后，通过多级放大电路对保护电路40输出的第一目标信号和限幅后的初始高压信号进行多级放大。为了保证放大之后的初始高压信号不会导致后续电路进入饱和状态，可以通过并联在放大电路两端的钳位电路对放大之后的初始高压信号进行限幅。

需要说明的是，在本发明实施例中，保护电路40除限制初始高压信号的幅值外，还可以直接隔离共模干扰，避免需要采用差分放大器模式来抑制共模干扰，同时，可以有效减少后续电路中采用的放大器的数量，其重要意义在于可减小整个电路引入的随机噪声。

可选地，如图1所示，在本发明实施例中，如果多级放大电路为四级放大电路，则该四级放大电路包括第一级放大电路(即放大电路10-1)、第二级放大电路(即放大电路10-2)、第三级放大电路(即放大电路10-3)和第四级放大电路(即放大电路10-4)，并且，第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和第四级放大电路依次串联，其中，第一级放大电路用于对输入第一级放大电路的第一目标信号按照第一预设倍数A1进行放大；第二级放大电路用于对第二目标信号按照第二预设倍数A2进行放大；第三级放大电路用于对第三目标信号按照第三预设倍数A3进行放大；第四级放大电路用于对第四目标信号按照第四预设倍数A4进行放大。

多级放大电路除了对第一目标信号进行放大之外，还同时对保护电路40输出的限幅后的初始高压信号进行放大。例如，第一级放大电路对限幅后的初始高压信号按照倍数A1进行放大，得到第一高压信号V1，然后，通过钳位电路20-1对第一高压信号V1进行限幅，得到限幅之后的第一高压信号V1；第二级放大电路对限幅之后的第一高压信号V1按照倍数A2进行放大，得到第二高压信号V2，然后，通过钳位电路20-2对第二高压信号V2进行限幅，得到限幅之后的第二高压信号V2；第三级放大电路对限幅之后的第二高压信号V2按照倍数A3进行放大，得到第三高压信号V3，然后，通过钳位电路20-3对第三高压信号V3进行限幅，得到限幅之后的第三高压信号V3；第四级放大电路对限幅之后的第三高压信号V3按照倍数A4进行放大，得到第四高压信号V4，然后，通过钳位电路20-4对第四高压信号V4进行限幅，得到限幅之后的第四高压信号V4。

进一步地，该放大装置还包括第一隔直电路和第二隔直电路，其中：第一隔直电路设置在第一间隔、第二间隔、第三间隔、第四间隔中的至少一个间隔，用于对输入至多级放大电路中的直流信号进行隔离，其中，第一间隔为保护电路和第一级放大电路之间的间隔，第二间隔为第一级放大电路和第二级放大电路之间的间隔，第三间隔为第二级放大电路和第三级放大电路之间的间隔，第四间隔为第三级放大电路和第四级放大电路之间的间隔；第二隔直电路的输入端与第四级放大电路的输出端相连接，用于对第四级放大电路的输出信号中的直流信号进行隔离。

具体地，在本发明实施例中，可以在下述至少一个间隔内设置第一隔直电路：第一间隔、第二间隔、第三间隔和第四间隔，其中，在第一间隔设置第一隔直电路是指保护电路和第一级放大电路之间设置第一隔直电路；在第二间隔设置第一隔直电路是指在第一级放大电路和第二级放大电路之间设置第一隔直电路；在第三间隔设置第一隔直电路是指在第二级放大电路和第三级放大电路之间设置第一隔直电路；在第四间隔设置第一隔直电路是指在第三级放大电路和第四级放大电路之间设置第一隔直电路。进而，通过第一隔直电路对输入至第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和第四级放大电路的信号中的至少一种信号中的直流信号进行隔离。

作为优选，为了保证放大之后的低频电磁超声导波接收信号的精确度，可以在保护电路和第一级放大电路之间设置一个第一隔直电路，并在第二级放大电路和第三级放大电路设置一个第一隔直电路。

如图1所示，第一隔直电路30-1设置在保护电路40和放大电路10-1之间(即，第一间隔)，除了设置在放大电路10-1和保护电路40之间外，还可以在放大电路10-1和放大电路10-2(即，第二间隔)、放大电路10-2和放大电路10-3(即，第三间隔)、放大电路10-3和放大电路10-4(即，第四间隔)之间均设置一个第一隔直电路30-1；或者在上述第一间隔，第二间隔，第三间隔和第四间隔中任选一个间隔、任选两个间隔或者任选三个间隔均设置一个第一隔直电路30-1。

需要说明的是，在本发明实施例中，多级放大电路并不限于四级放大电路，因此，可以在保护电路和多级放大电路之间，以及多级放大电路中的每级放大电路之间均设置一个第一隔直电路，或者在保护电路和多级放大电路之间的间隔，以及多级放大电路中的每级放大电路之间的间隔中任选一个或者多个间隔放置一个第一隔直电路。

图2是根据本发明实施例的另一种可选地低频电磁超声导波接收信号的放大装置的示意图。

在本发明实施例中，以多级放大电路为四级放大电路、第一目标信号为低频电磁超声导波接收信号，初始高压信号为高压射频交叉感应信号进行说明。

如图2所示，多级放大电路包括放大电路10-1、放大电路10-2、放大电路10-3和放大电路10-4，且每一级放大电路均并联一个钳位电路，分别为钳位电路20-1、钳位电路20-2、钳位电路20-3和钳位电路20-4。如图2所示，作为优选，为了保证检测到的低频电磁超声导波接收信号的准确度，在本发明实施例中，在保护电路40和放大电路10-1之间(即，第一间隔)设置第一隔直电路30-1，并在放大电路10-2和放大电路10-3之间(即，第三间隔)设置第一隔直电路30-1，以及设置在多级放大电路的输出端设置第二隔直电路30-2。

具体地，第一目标信号由第一隔直电路30-1交流耦合至第一级放大电路10-1的输入端；第一级放大电路10-1首先对保护电路40限幅之后的初始高压信号按照第一预设倍数A1进行放大，输出得到第一高压信号V1，再通过钳位电路20-1将第一级放大电路放大之后的第一高压信号V1进行限幅，将该第一高压信号V1的幅值钳制在一定范围，以免过大的输出信号使得后续电路一直处于饱和状态，难以快速恢复。然后，第一级放大电路10-1对紧随限幅后的第一目标信号(例如，低频电磁超声导波接收信号)按照第一预设倍数A1进行放大，输出第二目标信号，此时，钳位电路20-1对低频电磁超声导波接收信号的放大过程不产生任何影响。

经第一级放大电路10-1和钳位电路20-1处理之后的第一高压信号V1和第二目标信号直流耦合至第二级放大电路10-2和钳位电路20-2的输入端，第二级放大电路10-2首先对经钳位电路20-1钳位后的第一高压信号V1按照第二预设倍数A2进行放大，输出得到第二高压信号V2，并通过钳位电路20-2将第二级放大电路10-2输出的第二高压信号V2的幅值钳制在一定范围，以免过大的输出信号使得后续电路一直处于饱和状态，难以快速恢复。然后，第二级放大电路10-2对紧随限幅后的第二目标信号(例如，低频电磁超声导波接收信号)按照第二预设倍数A2进行放大，输出第三目标信号。此时，钳位电路20-2对该放大过程不产生任何影响。然后，通过位于第三间隔的第一隔直电路30-1过滤第二级放大电路10-2和钳位电路20-2处理后的第二目标信号和高压信号中的直流信号，并交流耦合至第三级放大电路10-3的输入端。

经第二级放大电路10-2和钳位电路20-2处理后的第三目标信号和第二高压信号V2交流耦合至第三级放大电路10-3和钳位电路20-3的输入端，第三级放大电路10-3首先对钳位电路20-2钳位后的第二高压信号V2进行放大，输出得到第三高压信号V3，并通过钳位电路20-3将第三级放大电路10-3输出的第三高压信号V3的幅值钳制在一定范围，以免过大的输出信号使得后续电路一直处于饱和状态，难以快速恢复。然后，第三级放大电路10-3对紧随限幅后的第三目标信号(例如，低频电磁超声导波接收信号)按照第三预设倍数A3进行放大，输出第四目标信号。此时，钳位电路20-3对该放大过程不产生任何影响。

经第三级放大电路10-3和钳位电路20-3处理后的第四目标信号和第三高压信号V3直流耦合至第四级放大电路10-4和钳位电路20-4的输入端，第四级放大电路10-4首先对钳位电路20-4钳位后的高压信号进行放大，输出得到第四高压信号V4，并通过钳位电路20-4将第四级放大电路10-4输出的第四高压信号V4的幅值钳制在一定范围，以免过大的输出信号使得后续电路一直处于饱和状态，难以快速恢复。然后，第四级放大电路10-4对紧随限幅后的第四目标信号(例如，低频电磁超声导波接收信号)按照第四预设倍数A4进行放大，输出第五目标信号。此时，钳位电路20-4对该放大过程不产生任何影响。经第四级放大电路10-4和钳位电路20-4处理后的第五目标信号和高压信号再经第二隔直电路30-2交流耦合至电路的输出端口。

需要说明的是，上述第一预设倍数A1、第二预设倍数A2、第三预设倍数A3和第四预设倍数A4可以选取为相同的倍数，还可以选取为不相同的倍数。

图3是根据本发明可选实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大电路结构图。在本发明实施例中，多级放大电路以四级放大电路为例进行说明。

在本发明实施例中，多级放大电路中每级放大电路均包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、电容和第四电阻，其中：运算放大器的输出端为放大电路的输出端；第一电阻的第一端与运算放大器的反向输入端相连接，第一电阻的第二端接收目标信号；第二电阻的第一端与运算放大器的反向输入端相连接，第二电阻的第二端与第三电阻的第一端相连接；第三电阻的第二端与运算放大器的输出端相连接；电容的第一端与运算放大器的反向输入端相连接，电容的第二端与运算放大器的输出端相连接；第四电阻的第一端与运算放大器的正向输入端相连接，第四电阻的第二端接地。

在本发明实施例中，第一限幅电路和第二限幅电路均包括第一二极管和第二二极管，其中：第一二极管的阳极与变压器的一次侧的第一端相连接，第一二极管的阴极与变压器的一次侧的第二端相连接；第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连接，第二二极管的阴极与第一二极管的阳极相连接。

如图3所示，第一级放大电路10-1包括：运算放大器U1，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，电容C1，第四电阻R4。钳位电路20-1包括第一三极管Q1和第二三极管Q2。

第一级放大电路10-1中，电阻R2和R3串联，再与电容C1并联作为反馈电路接在放大器U1的反向输入端和输出端之间，串联电阻R2和R3主要起放大作用，电容C1主要用于提高电路的稳定性。如图3所示，钳位电路20-1的三极管Q1和Q2的发射极同时接在放大器U1的反向输入端，三极管Q1和Q2的集电极基极同时接在放大器U1的输出端，三极管Q1和Q2的基极同时接在电阻R2和R3的连接点，该三极管Q1和Q2主要起钳位作用，用于限制第一级放大电路10-1输出的高压信号的幅值，以抑制高压信号导致后续电路过饱和，同时对后级电路起到保护作用。经钳位电路20-1限幅后输出的第一高压信号V1和经第一级放大电路10-1放大后的低频电磁超声导波接收信号提供给第二级放大电路10-2和钳位电路20-2的输入端。其中，在第一级放大电路10-1和保护电路40之间可以设置第一隔直电路30-1(如图3中所示电容C5)，用于对保护电路输出的第一目标信号进行过滤，过滤直流信号。

如图3所示，第二级放大电路10-2包括：运算放大器U2，第一电阻R5，第二电阻R6，第三电阻R7，电容C2，第四电阻R8。钳位电路20-2包括第一三极管Q3和第二三极管Q4。

第二级放大电路10-2中，电阻R6和R7串联，再与电容C2并联作为反馈电路接在放大器U2的反向输入端和输出端之间，串联电阻R6和R7主要起放大作用，电容C2主要用于提高电路的稳定性。如图3所示，钳位电路20-2的三极管Q3和Q4的发射极同时接在放大器U2的反向输入端，三极管Q3和Q4的集电极同时接在放大器U2的输出端，三极管Q3和Q4的基极同时接在电阻R6和R7的连接点，该三极管Q3和Q4主要起钳位作用，用于限制第二级放大电路10-2输出的高压信号的幅值，以抑制高压信号导致后续电路过饱和，同时对后级电路起到保护作用。经钳位电路20-2限幅后的第二高压信号V2和经第二级放大电路10-2放大后的低频电磁超声导波接收信号(即，第三目标信号)提供给第三间隔的第一隔直电路30-1，第三间隔的第一隔直电路30-1用于过滤其中的直流信号，并将过滤后的信号交流耦合至第三级放大电路10-3。其中，如图3所示，第三间隔的第一隔直电路30-1可以为电容C6。

如图3所示，第三级放大电路10-3包括：运算放大器U3，第一电阻R9，第二电阻R10，第三电阻R11，电容C3，第四电阻R12。钳位电路20-3包括第一三极管Q5和第二三极管Q6。

在第三级放大电路10-3中，电阻R10和R11串联，再与电容C3并联作为反馈电路接在放大器U3的反向输入端和输出端之间，串联电阻R10和R11主要起放大作用，电容C3主要用于提高电路的稳定性。如图3所示，钳位电路20-3的三极管Q5和Q6的发射极同时接在放大器U3的反向输入端，三极管Q5和Q6的集电极同时接在放大器U3的输出端，三极管Q5和Q6的基极同时接在电阻R10和R11的连接点，该三极管Q5和Q6主要起钳位作用，用于限制第三级放大电路10-3输出的第三高压信号V3的幅值，以抑制高压信号导致后续电路过饱和，同时对后级电路起到保护作用。经钳位电路20-3限幅后的第三高压信号V3和经第三级放大电路10-3放大后的低频电磁超声导波接收信号提供给第四级放大电路10-4和钳位电路20-4。

如图3所示，第四级放大电路10-4包括：运算放大器U4，第一电阻R13，第二电阻R14，第三电阻R15，电容C4，第四电阻R16。钳位电路20-4包括第一三极管Q7和第二三极管Q8。

在第四级放大电路10-4中，电阻R14和R15串联，再与电容C4并联作为反馈电路接在放大器U4的反向输入端和输出端之间，串联电阻R14和R15主要起放大作用，电容C4主要用于提高电路的稳定性。如图3所示，钳位电路20-4的三极管Q7和Q8的发射极同时接在放大器U4的反向输入端，三极管Q7和Q8的集电极同时接在放大器U4的输出端，三极管Q7和Q8的基极同时接在电阻R14和R15的连接点，该三极管Q7和Q8主要起钳位作用，用于限制第四级放大电路10-4输出的第四高压信号V4的幅值，以抑制高压信号导致后续电路过饱和，同时对后级电路起到保护作用。经钳位电路20-4限幅后的第四高压信号V4和经第四级放大电路10-4放大后的低频电磁超声导波接收信号经第二隔直电路30-2交流耦合至多级放大电路的输出端Vout。其中，如图3所示，第二隔直电路30-2可以为电容C7。

可选地，保护电路40包括：第一限幅电路，第一限幅电路的输出端与变压器的一次侧相连接，用于限制初始目标信号中的初始高压信号的幅值至第一预设幅值，输出限幅后的初始目标信号；变压器，用于将限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号；第二限幅电路，第二限幅电路的输入端与变压器的二次侧相连接，用于将变压器放大之后的初始目标信号中的初始高压信号的幅值由当前幅值降低至第一预设幅值。

进一步地，如图3所示，第一限幅电路和第二限幅电路均包括：第一二极管，第一二极管的阳极与变压器的一次侧的第一端相连接，第一二极管的阴极与变压器的一次侧的第二端相连接；第二二极管，第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连接，第二二极管的阴极与第一二极管的阳极相连接。

如图3所示，保护电路40由电阻R17、第一限幅电路、第二限幅电路和变压器TX1组成，其中，第一限幅电路由二极管D1至D2组成、第二限幅电路二极管D3至D4组成。当输入初始目标信号中初始高压信号为正幅值时，经隔离电阻R17和正向导通二级管D1将其引入地平面，将加载在变压器输入端的初始目标信号中的初始高压信号的幅值限制在二极管正向导通压降范围内(即，第一预设幅值)；当初始目标信号中的初始高压信号为负幅值时，经隔离电阻R17和正向导通二级管D2将其引入地平面，将加载在变压器输入端的负幅值的初始目标信号中的初始高压信号的幅值限制大于二极管正向导通压降范围内(即，第一预设幅值)。变压器TX1将限幅后的初始目标信号中包含的低频电磁超声导波接收信号和初始高压信号进行放大，然后，将放大之后的初始目标信号提供至电容C5(即，第一隔直电路30-1)的输入端，并在其输出端在接入一对偏置方向相反的二极管D3、D4，将被变压器放大后的初始高压信号再次进行限幅。需要说明的是，由于输入的初始目标信号中包含低频电磁超声导波接收信号的幅值很小，二极管D1-D4均对该低频电磁超声导波接收信号不产生影响，因此，该低频电磁超声导波接收信号直接经电阻R17后，再由变压器TX1放大并耦合至电容C5的输入端。

在本发明实施例中，可以通过控制变压器TX1的带宽，使得低频电压信号(例如，低频电磁超声导波接收信号和初始高压信号)能被变压器TX1进行升压变换，然后提供给电容C5的输入端，而高频噪声和共模信号直接通过变压器的原边进入地平面，无法对后续电路产生影响。

图4是根据本发明可选实施例的一种频率-放大倍数变化关系的示意图。在本发明实施例提供的信号放大装置能对低频电磁超声导波接收信号进行接收和放大，图4为该放大装置的放大倍数随频率变化的关系图。图4中横坐标为输入信号频率，纵坐标为输出信号幅值与输入信号幅值之比(即放大倍数)的对数表示。从图4中可知，该放大装置的3dB带宽范围为1kHz-250kHz，最大放大倍数为111dB。

图5a至图5c是根据本发明可选实施例的放大之后的低频电磁超声导波接收信号波形图。

在本发明可选实施例中，选用的被测部件为铝板，且该铝板长为1500mm、宽为1250mm、厚度为3mm，在板中开有27mm的通透型圆孔缺陷。在本发明可选实施例中，通过函数发生器产生频率为100kHz、150kHz和200kHz的5个周期加汉宁窗调制的正弦波形信号，经功率放大电路放大后驱动S0模态电磁超声换能器在铝板中产生S0模态导波，采用另一个S0模态电磁超声换能器在铝板中接收初始高压信号和低频电磁超声导波接收信号，然后，通过本发明提供的放大装置对接收到的信号进行放大后送入示波器，示波器所采集到的波形分别如图5a、5b和5c所示，图5a、5b和5c中第二个波包信号，即为缺陷处回波信号。从图5a、5b和5c中可知，该装置能有效放大低频电磁超声导波接收信号，且接收信号信噪比较好。

根据本发明实施例，提供了一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法的实施例。

图6是根据本发明实施例的一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法的流程图，如图6所示，该方法包括如下步骤:

步骤S601，接收第一目标信号，其中，第一目标信号用于检测被测材料损伤程度。

在本发明实施例中，第一目标信号为经上述保护电路40之后的低频电磁超声导波接收信号，并且低频电磁超声导波接收信号由某一电磁超声换能器在待检试件中激励产生的超声导波与缺陷或边界等交互作用之后的散射信号经另一电磁超声换能器拾取而得。

步骤S602，对第一目标信号放大预设次数，并对高压信号的幅值进行限幅，其中，高压信号为初始高压信号每次放大后得到的信号，预设次数大于3。

具体地，可以通过多级放大电路实现对第一目标信号的多次放大。在本发明实施例中，多级放大电路除了对第一目标信号进行放大之外，还可以对流入至多级放大电路的初始高压信号进行放大。而当对初始高压信号进行放大时，会对后续电路带来影响，因此，在每次对第一目标信号进行放大之后，均需对每级放大电路放大之后得到的高压信号进行限幅。

在本发明实施例中，通过多级放大电路对检测到的目标信号进行多级放大，并通过设置在每级放大电路两端的钳位电路对目标信号中的高压信号进行限幅，不仅能快速从高压信号所产生的冲击中恢复过来，而且还能将后续的微弱低频电磁超声导波接收信号进行上百dB的线性放大，达到了对低频电磁超声导波接收信号进行放大的目的，从而实现了准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术效果，进而解决了现有技术中无法准确检测低频电磁超声导波接收信号的技术问题。

可选地，对第一目标信号放大预设次数包括：在第一次对第一目标信号进行放大之后，对第一次放大之后的第一目标信号进行第二次放大，对第二次放大之后的第一目标信号进行第三次放大，对第三次放大之后的第一目标信号进行第四次放大，具体地，可以按照第一预设倍数A1对第一目标信号进行放大，还可以按照第二预设倍数A2对第二目标信号进行放大，还可以按照第三预设倍数A3对第三目标信号进行放大，还可以按照第四预设倍数A4对第四目标信号进行放大。

作为优选，在本发明实施例中，对第一目标信号逐级放大四次即可满足对第一目标信号的放大需求。具体地，可以按照第一预设倍数对第一目标信号进行放大；然后，按照第二预设倍数对第二目标信号进行放大；然后，按照第三预设倍数对第三目标信号进行放大；最后，按照第四预设倍数对第四目标信号进行放大。

需要说明的是，上述第一预设倍数A1、第二预设倍数A2、第三预设倍数A3和第四预设倍数A4可以选取为相同的倍数，还可以选取为不相同的倍数。

在对第一目标信号放大的过程中，该方法还包括：对以下至少一种信号中的直流信号进行隔离：对放大之前的第一目标信号进行隔离，对第一次放大之后的第一目标信号进行隔离，对第二次放大之后的第一目标信号进行隔离，对第三次放大之后的第一目标信号进行隔离；对第四次放大之后的第一目标信号进行信号中的直流信号进行隔离。

具体地，在本发明实施例中，可以对以下任一种信号中的直流信号进行隔离：放大之前的第一目标信号、第一次放大之后的第一目标信号、第二次放大之后的第一目标信号、第三次放大之后的第一目标信号；同时，还需对第四次放大之后的第一目标信号中的直流信号进行隔离。

作为优选，为了保证放大之后低频电磁超声导波接收信号的准确性，可以在对第一目标信号进行放大之前，对第一目标信号中的直流信号进行隔离，还可以对第二次放大之后的第一目标信号中的直流信号进行隔离，同时，可以在对第四次放大之后的第一目标信号中的直流信号进行隔离，以保证检测到更准确的低频超声导波接收信号。

可选地，在接收第一目标信号之前，还可以接收初始目标信号，并对初始目标信号进行相关处理，其中，初始目标信号中包含第一目标信号和初始高压信号(例如，高压射频交叉感应信号)，对初始目标信号的处理过程具体为：首先降低初始目标信号中的初始高压信号的幅值至预设幅值(例如，0.7V)，输出限幅后的初始目标信号，再将限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号，其中，可以通过上述实施例中的变压器过滤初始目标信号中的高频噪声信号，同时，还可以通过该变压器将初始目标信号中的初始高压信号的幅值由当前幅值升高至预设幅值。为了保证后续电路的稳定运行，还需将放大之后的初始目标信号中的高压信号的幅值由当前幅值限幅至预设幅值，其中，可以通过上述实施例中的第二限幅电路对经过变压器升压之后的高压信号再次进行限幅，限定至预设幅值，例如，再次限定在0.7V，进而输出第一目标信号。

需要说明的是，由于初始目标信号中的低频电磁超声导波接收信号很微弱，因此上述实施例中的第一限幅电路和第二限幅电路对低频电磁超声导波接收信号不起任何作用。上述第一限幅电路和第二限幅电路仅对高压信号进行限幅，以满足后续电路的稳定运行。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低频电磁超声导波接收信号的放大装置，其特征在于，包括：

多级放大电路，用于对检测到的第一目标信号进行放大，其中，所述多级放大电路包括至少三级放大电路，且所述多级放大电路中每级放大电路依次串联，放大之后的所述第一目标信号用于检测被测材料的损伤程度；

多个钳位电路，所述多级放大电路中每级放大电路均并联一个钳位电路，所述多个钳位电路中每个钳位电路用于对并联的放大电路输出的高压信号进行限幅。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

保护电路，所述保护电路的输入端接收初始目标信号，所述保护电路的输出端与所述多级放大电路的输入端相连接，用于限制所述初始目标信号中初始高压信号的幅值，输出所述第一目标信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述保护电路包括：

第一限幅电路，所述第一限幅电路的输出端与变压器的一次侧相连接，用于限制所述初始目标信号中的初始高压信号的幅值至预设幅值，输出限幅后的初始目标信号；

所述变压器，用于将所述限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号；

第二限幅电路，所述第二限幅电路的输入端与所述变压器的二次侧相连接，用于将所述变压器放大之后的初始目标信号中初始高压信号的幅值由当前幅值限幅至所述预设幅值。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一限幅电路和所述第二限幅电路均包括：

第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述变压器的一次侧的第一端相连接，所述第一二极管的阴极与所述变压器的一次侧的第二端相连接；

第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第一二极管的阴极相连接，所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极相连接。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多级放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路和第四级放大电路，并且所述第一级放大电路、所述第二级放大电路、所述第三级放大电路和所述第四级放大电路依次串联，所述装置还包括：

第一隔直电路，所述第一隔直电路设置在第一间隔、第二间隔、第三间隔、第四间隔中的至少一个间隔，用于对所述多级放大电路中的直流信号进行隔离，其中，所述第一间隔为所述保护电路和所述第一级放大电路之间的间隔，所述第二间隔为所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间的间隔，所述第三间隔为所述第二级放大电路和所述第三级放大电路之间的间隔，所述第四间隔为所述第三级放大电路和所述第四级放大电路之间的间隔；

第二隔直电路，所述第二隔直电路的输入端与所述第四级放大电路的输出端相连接，用于对所述第四级放大电路的输出信号中的直流信号进行隔离。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多级放大电路中每级放大电路均包括：

运算放大器，其中，所述运算放大器的输出端为所述放大电路的输出端；

第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述第一电阻的第二端接收所述第一目标信号；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述第二电阻的第二端与第三电阻的第一端相连接；

所述第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第二电阻的第二端相连接，所述第三电阻的第二端与所述运算放大器的输出端相连接；

电容，所述电容的第一端与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述电容的第二端与所述运算放大器的输出端相连接；

第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述运算放大器的正向输入端相连接，所述第四电阻的第二端接地。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个钳位电路中每个钳位电路包括：

第一三极管，所述第一三极管的集电极与所述运算放大器的输出端相连接，所述第一三极管的基极与所述第二电阻的第二端相连接，所述第一三极管的发射极与所述运算放大器的反向输入端相连接；

第二三极管所述第二三极管的集电极与所述运算放大器的输出端相连接，所述第二三极管的基极与所述第二电阻的第二端相连接，所述第二三极管的发射极与所述运算放大器的反向输入端相连接。

8.一种低频电磁超声导波接收信号的放大方法，其特征在于，包括：

接收第一目标信号，其中，所述第一目标信号用于检测被测材料损伤程度；

对所述第一目标信号放大预设次数，并对高压信号的幅值进行限幅，其中，所述高压信号为初始高压信号每次放大后得到的信号，所述预设次数大于3。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

对所述第一目标信号放大预设次数包括：在对所述第一目标信号进行第一次放大之后，对第一次放大之后的第一目标信号进行第二次放大，对第二次放大之后的第一目标信号进行第三次放大，对第三次放大之后的第一目标信号进行第四次放大；

在对所述第一目标信号放大的过程中，所述方法还包括：对以下至少一种信号中的直流信号进行隔离：对放大之前的所述第一目标信号进行隔离，对第一次放大之后的所述第一目标信号进行隔离，对第二次放大之后的所述第一目标信号进行隔离，对第三次放大之后的所述第一目标信号进行隔离；对第四次放大之后的所述第一目标信号进行信号中的直流信号进行隔离。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在接收第一目标信号之前，所述方法还包括：

接收初始目标信号，其中，所述初始目标信号包括所述第一目标信号和所述初始高压信号；

降低所述初始目标信号中的初始高压信号的幅值至预设幅值，输出限幅后的初始目标信号；

将所述限幅后的初始目标信号的幅值进行放大，输出放大之后的初始目标信号；

将所述放大之后的初始目标信号中的初始高压信号的幅值由当前幅值降低至所述预设幅值。