CN105628788B - 针对涡电流仪提供稳定显示的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对涡电流仪提供稳定显示的电路和方法。一种使用差分涡电流探头的旋转式螺栓孔涡电流检查扫描器，该扫描器的电路利用具有以下三种滤波器的滤波电路来实施：FIR(有限脉冲响应)、低通滤波器和(利用希尔伯特变换的)相位控制滤波器。在扫描器大幅改变其旋转速率的情况下，对螺栓孔的扫描的结果是阻抗平面上的大小稳定的呈“反向6”形状的输出信号。

Description

针对涡电流仪提供稳定显示的电路和方法

技术领域

本发明涉及无损测试和检查(NDT/NDI)，尤其涉及用以实现测试结果中的稳定显示的、具有旋转式扫描器实现的涡电流检查仪的改进的信号处理电路。

背景技术

涡电流探头使用流经线圈并且生成振荡磁场的交流电流。如果使探头及其磁场靠近如金属测试片的导电材料，则称为涡电流的环形电子流移动经过该金属并且生成经由互感与线圈及其场相互作用的涡电流自身的磁场。

金属厚度的变化或如近表面裂纹的缺陷扰乱或改变涡电流及由此得到的磁场的振幅和图形。这反过来通过改变线圈的电阻抗来影响线圈中的电子的移动。涡电流仪对阻抗振幅和相位角的变化进行绘图，受过训练的操作员可以使用阻抗振幅和相位角的这些变化来识别测试片中的变化。

涡电流仪的一个用途是通常利用自动旋转式扫描器来检查螺栓孔内部的裂纹。使用在x轴上绘制线圈电阻并且在y轴上绘制感抗的阻抗平面图来显示从探头返回的信号。该图的变化与测试片中的变化相对应。

常规地，旋转式扫描器使用“双探头”或差分涡电流探头来扫描螺栓孔的内部。在差分探头(两个探头)经过一个或数个裂纹的情况下，差分探头的直接响应在显示器上示为数字“8”，两个圆的结表示裂纹正好处于两个线圈传感器之间的时刻。来自插入到具有标准裂纹缺陷的测试块中的探头的信号通常在阻抗平面上产生如“数字8”的显示。在使用以这种方式来配置的仪器的情况下，分析员可能不慎忽略这些缺陷，这是由于这些缺陷以看起来非常相似的方式产生与标准裂纹“数字8”非常相似、但进行了翻转的显示图案。

在对涡电流旋转式扫描器进行校准时，涡电流领域的工程师在阻抗平面显示上寻找“反向6”图形来作为管或螺栓孔检查的标准指示(标准裂纹)或默认状态的指示是早就已知的实践。该校准设置通常是作为标准指示显示的“数字8”的优选替代。在存在诸如裂纹或腐蚀等的异常的情况下，“反向6”在某种程度上在形状或方向上发生改变。尽管原始检测信号响应呈现为“数字8”，但由于异常经常在坐标系的第一区域中示出并且“数字8”混淆异常的观察，因此这是不期望的。在现有实践中，使用无线脉冲响应(IIR)滤波器对低于某个频率的信号的频率响应的相位进行偏移。

这种类型的现有技术设计所具有的一个问题是其使得现场检查人员必须应对在旋转式扫描器的每分转数(RPM)速度发生改变的情况下“反向6”大小发生大幅改变、或者改变为“数字8”的情形。在频率下降的情况下，“反向6”的大小变小；在频率上升的情况下，“反向6”的大小变大；并且在频率上升到IIR滤波器的范围以外的情况下，显示“数字8”。

考虑到以上背景信息，通过设计在不需要重新调整涡电流仪的振幅和频率设置的情况下提供涡电流检查结果的稳定显示的解决方案将具有重大经济价值。诸如用于螺栓孔检查等的旋转式扫描器将花费更少时间并且更有效。将在视觉上更加愉悦地对检查任务进行处理。

发明内容

本发明的总目的是提供一种产生检查筒状腔内部的涡电流差分探头的响应的受控和系统显示的信号处理和绘图方法。

本发明的另一目的是独立于低通和高通滤波器参数来控制相位。一个实现是使用90度的相位偏移为固有和确定的希尔伯特(Hilbert)变换，并且检查人员可以容易地从理想差分探头信号切换至相位偏移的差分信号。在针对应用进行优化之后，可以使高通和低通滤波器的频率设置与旋转式螺栓孔扫描器的RPM设置相关联，以提供由于孔中的探头摩擦而引起的合理变化范围，同时维持大致恒定的显示信号大小。

本发明的另一目的是使用希尔伯特变换对高通滤波器的频率响应的“平坦”范围内的信号进行相位偏移，以使得在显示探头信号的相位偏移变量的同时马达速度变化不引起不稳定的信号振幅(以及所得到的图像大小)。

本发明的优选实施例使用三种有限脉冲响应(FIR)滤波器：低通、高通和(利用希尔伯特变换的)相位控制。实时计算和加载FIR滤波器的系数，其中可以实现理想差分和相位偏移响应。通过使用向低通和高通滤波器所设置的通带中的所有频率自动提供90度相位偏移的FIR希尔伯特变换来简化相位控制。使用FIR希尔伯特变换方法的优势归因于其与频率无关的相位变化。结果，可以在高通和低通滤波器设置与扫描器马达速度设置之间建立滤波器参数。在检查人员改变旋转式扫描器速度的情况下，滤波器还可以被自动重新配置为以新的探头旋转速率提供相同的检查的频率。所有设置都产生相同的信号振幅和图像大小。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的信号处理电路的示意图。

图2a是使用IIR用于进行相位偏移的现有技术电路所处理的原始波形和处理后波形的示意图。

图2b是根据本发明的具有FIR和希尔伯特变换的处理电路所处理的原始波形和处理后波形的示意图。

图3是从原始检测信号到使用根据本发明的电路处理了的信号的波形的阶段的示意图。

图4是实现与图3所示目的相同的目的的可选信号处理电路方法。

具体实施方式

应当注意，这里作为数字电路来描述的所有功能还可以使用模拟电路来实现。模拟方法已经实践了许多年，并非仅通过数字方法就能够得以改进，并且应当落入本发明的范围。还应当注意，本专利的核心概念是包括宽频率范围的相位偏移滤波器。可以如本发明所示直接实现、或者可以通过用以组成复合滤波器而共同使用的其它频率敏感电路的使用来间接实现希尔伯特变换的使用。

参考图1，使用涡电流前端电路2的典型实施例将从附着于旋转式螺栓孔扫描器(未示出)的探头2a返回的信号数字化。电路2提供数字化信号。

本发明的电路包括前端电路2、直接数字合成器(DDS)4、用于正弦波的同步检测器6a、用于余弦波的同步检测器6b、用于正弦波的可调低通滤波器8a、用于余弦波的可调低通滤波器8b、用于正弦波的可调高通滤波器10a、用于余弦波的可调高通滤波器10b、用于正弦波的第一希尔伯特变换滤波器12a、用于余弦波的第二希尔伯特变换滤波器12b和数字信号处理器14。

DDS 4、同步检测器6a和6b、可调低通滤波器8a和8b、可调高通滤波器10a和10b、希尔伯特变换滤波器12a和12b和数字信号处理器14在这里统称为数字信号处理电路。应当注意，数字化信号下游的信号称为响应信号，而针对该响应信号的各阶段存在其它特定术语，诸如原始检测信号S3和S3’等。

继续参考图1，直接数字合成器4生成三种类型的信号：基准正弦波S1、基准余弦波S1’和发送正弦波。将具有可调相位和可调振幅的发送正弦波馈送至前端电路2。将数字化信号分别发送至同步检测器6a和6b。同步检测器6a分离并且产生数字化信号的实部S2。同步检测器6b检测到数字化信号的虚部S2’。

可调低通滤波器8a和可调低通滤波器8b分别对所检测到的实部信号S2和所检测到的虚部信号S2’进行滤波以去除不需要的正弦波和余弦波。可调低通滤波器8a去除所检测到的实部信号S2中的不需要的正弦波以使得实部S3的原始检测信号仅包含作为实部的振幅。可调低通滤波器8b去除所检测到的虚部信号S2’中的不需要的余弦波以使得虚部S3’的原始检测信号仅包括作为虚部的振幅。这里的“原始检测信号”是指要通过以下所述的高通滤波器进行进一步滤波的响应信号。

实部S3和虚部S3’的原始检测信号分别通过可调高通滤波器10a和可调高通滤波器10b以消除比所选择的频率低的所有频率。其结果为实部S4的带通滤波信号和虚部S4’的带通滤波信号。通常根据扫描器的旋转速率来确定所选择的频率以使得检查结果的显示是可读的。

仍参考图1，应当理解，同步检测器6a、可调低通滤波器8a和可调高通滤波器10a对于涡电流仪而言均是常规的。信号S1和S1’通常呈“数字8”的形状。带通滤波信号S4和S4’通常呈“反向6”的形状，其表示检查结果。带通滤波信号S4和S4’的问题之一是在扫描器的旋转速率发生改变的情况下，显示器上“反向6”的大小发生大幅改变，这对于现场检查人员而言是成问题的。与图2a和2b相关联地说明与“数字8”和“反向6”有关的以上信号显示的细节。

本发明的新颖方面之一是将结合了高通滤波器希尔伯特变换滤波器12a的希尔伯特变换滤波器12a应用于数字信号处理器14。直接数字合成器4还检测来自同步检测器6b的余弦波，并且将旋转式螺栓孔扫描器的信号的该余弦波经由可调低通滤波器8b、可调高通滤波器10b和希尔伯特变换滤波器12b发送至数字信号处理器14。

实部S4的带通信号和虚部S4’的带通信号分别通过希尔伯特变换滤波器12a中的90度偏移以及希尔伯特变换滤波器12b中的90度偏移，其中，对这些信号的相位(独立于振幅)进行调整，并且将这些信号作为实部S5的带通相位调整信号和虚部S5’的带通相位调整信号发送至数字信号处理器14。

现在参考图2a，图2a示出现有技术实践中的频率不同的一系列相位调整正弦波的处理。在图2a所示的大坐标系中，x轴是频率；y轴是信号的振幅。“频率响应”曲线从坐标系的左下角延伸至右上角，其表示现有技术IIR高通滤波器响应于响应信号的频率变化的“振幅响应”。响应信号的频率变化主要由探头的扫描速度(诸如RPM速度等)的变化所引起。

原始波形RWF-1、RWF-2和RWF-3是各自通过低通滤波器8a和8b滤波后的响应信号。在旋转式扫描器改变以每分转数(RPM)表示的旋转速度的情况下，这些响应信号的频率有所区别。现有技术使用无限脉冲响应滤波器(IIR)来将原始检测信号的相位调整90度。在通过IIR高通滤波器进行处理之后，“高通滤波器的频率响应”曲线上的转折点以下的原始波形(RWF-1和RWF-2)具有90度的相位偏移，而转折点以上的原始波形(诸如RWF-3等)呈0度相位。通过了高通滤波器10a和10b之后的复杂信号以PWF-1、PWF-2和PWF-3的形式呈现。应当注意，PWF-1、PWF-2和PWF-3的x轴是指响应信号的实部或“R”部。y轴是指响应信号的虚部或“I”部。换句话说，PWF-1、PWF-2和PWF-3是阻抗平面中的显示。可以看出，PWF-1、PWF-2和PWF-3有时呈“反向6”的形状或有时呈“数字8”的形状，并且它们的大小在阻抗平面中发生改变。

在针对管检查所进行的校准期间，涡电流工程师在示出标准指示的显示器上寻找“反向6”的图形是早就已知的实践。在检查期间存在诸如裂纹或腐蚀等的异常的情况下，“反向6”改变形状。由于异常经常在坐标系的第一区域中示出，并且“数字8”扰乱对异常的观察，因此不期望显示“数字8”。现有技术设计的问题在于其使得现场检查人员必须应对在旋转式扫描器的每分转数(RPM)速度发生改变的情况下“反向6”的大小发生大幅改变、或者改变为“数字8”的情形。在频率下降的情况下，“反向6”的大小变小；在频率上升的情况下，“反向6”的大小变大；并且在频率上升到IIR滤波器的范围以外的情况下，显示“数字8”。

应当特别注意，上述90度的相位偏移并非是对本发明的限制。只要相位偏移是用于使阻抗平面中的显示从“数字8”翻转为“反向6”的目的，则可以在本发明的框架中使用70～110度范围内的相位偏移。

现在参考图2b，图2b示出用以解决大幅改变显示画面上的“反向6”的问题的本发明的重要新颖方面。在图2b中，x轴还是高通滤波器的频率，并且y轴是响应信号的振幅。高通滤波器(10a和12a)的“频率响应曲线”相比图2a中的“频率响应曲线”呈现为平坦。这是由于响应信号的频率的范围处于滤波器以恒定振幅作出响应的范围内。

参考图2b和图1，本发明中的信号处理电路使用FIR(有限脉冲响应)可调高通滤波器10a和10b代替图2a中的现有技术所使用的IIR。如图2a中的频率响应曲线所示，在具有90度的相位变化的情况下，FIR滤波器10a和10b维持恒定相位，并且不改变相位。然而，在不改变相位的情况下，来自FIR滤波器的默认的处理后的信号显示呈现为“数字8”。为了实现涡电流检查的常规所要求的“反向6”图形，使用希尔伯特变换滤波器12a和12b来在频率响应曲线的平坦部分上使相位偏移90度。如图2b所示，同样的原始检测信号RWF-1、RWF-2和RWF-3在通过FIR滤波器10a和10b以及希尔伯特变换滤波器12a和12b处理之后，变成大小与各阻抗平面所示的PWF-a、PWF-b和PWF-c相同、呈“反向6”形状的处理后的波形。应当注意，PWF-a、PWF-b和PWF-c的x轴是指响应信号的实部或“R”部。y轴是指响应信号的虚部或“I”部。这归因于希尔顿变换的在振幅维持恒定而频率发生改变的情况下进行90度的相位偏移的本质。

在通过使用希尔顿变换滤波器12a和12b将基准正弦波S1和基准余弦波S1’(“数字8”)的相位调整了90度的情况下，图2a中的三个典型原始信号波形在PWF-a、PWF-b和PWF-c的显示中没有改变正弦波(“反向6”)的大小。这是因为相位变化是在频率响应大致恒定的范围内进行的。

本领域技术员应当理解，可选地，涡电流仪可以被配置为具有在一个涡电流仪中并行工作的两种信号处理设计，一种具有如图2a所示的现有技术设计，另一种具有如图2b所示的新颖设计。检查人员则可以有如下选择：根据检查人员的偏好来选择“图形8”的显示模式或者改进的“反向6”的显示模式。

参考图3，示意图示出图1中从同步检测器6a到希尔伯特变换滤波器12a(或从同步检测器6b到希尔伯特变换滤波器12b)的数字信号处理电路所进行的信号处理的不同阶段的信号。如图3所示，通过可调低通滤波器8a和可调高通滤波器10a(或可调低通滤波器8b和可调高通滤波器10b)将原始正弦波形(S2，S2’)处理为呈“数字8”形状的原始信号(S4，S4’)。然后，通过希尔伯特变换滤波器12a或12b将呈“数字8”形状的信号(S4，S4’)转换为呈反向“6”形状的显示信号(S5，S5’)。

现在参考图4。本领域技术员还应当注意，使用FIR可调高通滤波器10a和希尔伯特变换滤波器12a并非是用以实现图2b所示的频率响应的唯一方式。频率响应为42的IIR滤波器和频率响应为44的FIR滤波器也可以实现具有频率响应46的目的。这里的目的是针对频率响应(振幅)“平坦”或大致恒定的范围内的频率实现90度的相位变化。

尽管已经与本发明的特定典型实施例有关地说明了本发明，但许多其它改变和变形以及其它用途对于本领域技术员而言将变得明显。因此，优选本发明不受这里的特定公开的限制。例如，本发明的范围可适用于产生连续能量波(诸如但不限于超声波差分连续探头等)的其它差分探头。

Claims (16)

1.一种用于涡电流检查仪的电路，该涡电流检查仪用于对测试对象的异常进行涡电流检查，其中，所述涡电流检查仪连接至在所述检查期间以在速度范围内变化的扫描速度进行移动的涡电流探头，所述电路包括：

前端电路，用于向所述探头供电、接收涡电流响应以及将所述涡电流响应数字化并转换为具有与所述扫描速度有关的响应频率的范围的响应信号；以及

数字处理电路，用于处理所述响应信号以显示检查结果，

其中，所述数字处理电路包括：

滤波电路，用于将所述响应信号从原始检测信号滤波为处理后的信号，以及用于在所述滤波电路维持所述响应频率的范围内的大致恒定的频率响应的情况下，对所述原始检测信号应用90度附近的相位变化，

其中，所述90度附近是指70～110度的范围。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述频率响应是所述滤波电路响应于所述响应信号的频率变化的振幅响应。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述数字处理电路还包括：

直接数字合成器，用于生成基准信号的实部和所述基准信号的虚部；

第一同步检测器，用于检测所述基准信号的实部；以及

第二同步检测器，用于检测所述基准信号的虚部。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述前端电路所产生的响应信号被馈送至所述第一同步检测器和所述第二同步检测器，从而生成相应的原始检测信号。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述基准信号的实部呈正弦波形状并且所述基准信号的虚部呈余弦波形状。

6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述滤波电路还包括用于对数字化的信号进行滤波的低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述探头是设置在旋转式的扫描器上的差分探头，其中所述扫描器用于对所述测试对象的表面进行环形或螺旋形扫描。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述测试对象是呈孔状或管状的标准的校准件，所述校准件具有指示大小和方向为已知的标准指示，并且所述扫描器以旋转速度(RPM)的范围遍及所述测试对象的表面。

9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述滤波电路还包括：

有限脉冲响应高通滤波器，用于提供在所述响应频率的范围内具有大致恒定的振幅的信号；以及

希尔伯特变换高通滤波器，用于向所述信号提供90度附近的相位变化。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述有限脉冲响应高通滤波器产生在阻抗平面上示出的大致呈数字8的形状的处理后的信号。

11.根据权利要求10所述的电路，其中，所述有限脉冲响应高通滤波器和所述希尔伯特变换高通滤波器产生在阻抗平面上示出的大致呈反向6的形状的处理后的信号。

12.根据权利要求11所述的电路，其中，所述滤波电路还用于使得在所述扫描器以所述旋转速度的范围遍及所述表面的情况下，在阻抗平面上示出的反向6的大小大致恒定。

13.根据权利要求12所述的电路，其中，还包括：

显示器，其具有能够在用于显示数字8的模式与用于显示反向6的模式之间进行选择的模式变化。

14.根据权利要求8所述的电路，其中，所述滤波电路还包括：

无限脉冲响应高通滤波器和有限脉冲响应高通滤波器，用于提供在所述响应频率的范围内具有大致恒定的振幅的信号以及对所述信号进行90度的相位改变。

15.根据权利要求14所述的电路，其中，所述无限脉冲响应高通滤波器和所述有限脉冲响应高通滤波器产生在阻抗平面上示出的大致呈反向6的形状的处理后的信号。

16.根据权利要求15所述的电路，其中，所述无限脉冲响应高通滤波器和所述有限脉冲响应高通滤波器均被配置为使得在所述扫描器以所述旋转速度的范围遍及测试对象的表面的情况下，在阻抗平面上示出的反向6的大小大致恒定。