CN107727742B - 一种电磁超声相控阵系统 - Google Patents
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Abstract
一种电磁超声相控阵系统，涉及电磁超声无损检测领域。本发明是为了解决现有的电磁超声检测系统只有一个发射和接收通道，在工作频率和线圈结构确定时，声束传播方向固定，检测范围有限，检测耗时长，且结果不够直观的问题。上位机，用于将设定参数发送给电磁超声相控发射电路内的各通道；电磁超声相控发射电路，用于按照设定参数中各通道的发射时序，发送多路高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器；电磁超声相控阵换能器，用于接收多路高压脉冲信号，最后在线圈中感应出交变电信号并传递给电磁超声多通道接收电路；上位机，还用于修改设定参数中的发射时序，实现被测件内超声波角度的偏转，实现对缺陷区域的扇形扫查。它用于对焊缝缺陷进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁超声相控阵系统。属于电磁超声无损检测领域。
背景技术
超声无损检测可以在不破坏被测件的前提下实现被测件内缺陷的检测，在工业上应用广泛，但在检测过程中，传统的压电超声技术需对被测件表面进行预处理，需使用耦合剂，并且检测效果受耦合效果影响较明显，因此难以适应高温、表面粗糙、在线检测等领域的检测需求。新型的电磁超声技术是一种非接触检测方式，无需对被测件表面的预处理，无需耦合剂，因此检测效率更高、应用范围更广。但常用的电磁超声检测装置只有一个发射、接收通道，在工作频率和线圈结构确定时，声束传播方向固定，检测范围有限，且在探头固定时，只能实现对小范围线性区域的A扫描检测，如果想要对大范围面区域的扫查，如在焊缝检测过程中，需要沿焊缝方向锯齿形移动，检测耗时长，且结果不够直观，因此其应用范围受到一定限制。
由于电磁超声换能效率低、信号微弱、噪声复杂，工业上常用的发射功率低、接收增益低的压电超声相控阵装置无法满足电磁超声相控阵满装的要求，电磁超声相控阵装置和常规的单通道电磁超声装置一样需要设计大功率发射电路，低噪声、高增益接收电路，但电磁超声相控阵还具有相控阵电路多通道、电路一致性要求高、各通道延时精度要求高的特点，因此设计难度更大，目前鲜有相关报道。
近年来，国内也有人对电磁超声相控阵检测方法和装置进行研究，如专利申请号为20161070277.6，发明名称为《相控阵电磁超声方法和装置》的发明专利，设计了多通道发射电路和接收电路，但在检测过程中，通过通道选择器，顺序激励一个通道的发射并且所有通道接收，直到最后一个通道完成发射。在检测方法方面，通过上述通道控制方式，可以得到N×N的激励接收数据矩阵，矩阵中每个元素对应相应的发射接收时间信息，通过求解矩阵，计算出缺陷位置。由于该方法在发射阶段每次只有一个发射通道工作，因此无法实现相控声束偏转和聚焦，无法体现相控阵声束控制能力强的优势；又如专利申请号为201410289724.2，发明名称为《一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法》的发明专利，由小径管外部的通电螺线管提供径向偏置磁场，在小径管内部放置发射、接收线圈，通过常规电磁超声装置依据中心聚焦延时法则对激励发射和接收电路，并通过机械装置的径向移动实现缺陷的扫查，因此声束传播方向固定，检测范围有限。
发明内容
本发明是为了解决现有的电磁超声检测系统只有一个发射和接收通道，在工作频率和线圈结构确定时，声束传播方向固定，检测范围有限，检测耗时长，且结果不够直观的问题。现提供一种电磁超声相控阵系统。
一种电磁超声相控阵系统，它包括上位机(1)、电磁超声相控发射电路(2)、电磁超声多通道接收电路(3)和电磁超声相控阵换能器(5)。
相控阵换能器(5)包括永磁铁和多个线圈，每个线圈是一个阵元。
多通道电磁超声相控发射电路(2)内部有多个结构相同的通道，每个通道和一个阵元相连。发射电路可以同时连通多个阵元，按照设定参数中各通道的发射时序，发送多路高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器(5)中的各阵元。
发射时序表示为：
式中，tn为第n阵元相对于第0阵元的延迟时间，C为超声波在介质中的速度，d为设定的振元间距，θ为偏转角度，
所述发射时序为一个等差数列，通过修改发射时序的等差数列的公差能够实现偏转角度的变化。偏转角为0时，各阵元同时发射。
所述上位机(1)，用于将设定参数发送给电磁超声相控发射电路(2)内的各阵元，还用于修改设定参数中的发射时序，实现被测件内超声波角度的偏转，实现对缺陷区域的扇形扫查；
所述电磁超声多通道接收电路(3)，用于对超声回波信号进行放大、滤波处理后通过示波器采集接收数据，数据通过上位机进行波束合成，实现被测件的缺陷检测和成像。
本发明的有益效果为：
本申请通过上位机人机交互界面实现装置的灵活控制，设计大功率电磁超声相控发射电路、高增益低噪声电磁超声多通道接收电路、小体积电磁超声相控阵换能器，并通过改变时序，实现声束不同角度的偏转以及对缺陷的扇扫成像。
本申请一种电磁超声相控阵系统，在工作频率和线圈结构确定时，通过更改各通道的延时时间，控制超声波声束的偏转和聚焦，在探头固定情况下也可实现对大范围面区域的扫查，并以扇形扫描形式呈现，在焊缝检测过程中只需沿焊缝方向直线移动即可完成焊缝缺陷检测和成像任务，因此本申请与现有的电磁超声检测系统相比检测效率更高、检测范围更广、检测结果更直观，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统的原理示意图；
图2为上位机人机交互界面示意图，图中CH1至CH8表示通道；
图3为电磁超声相控发射电路的原理示意图；
图4为电磁超声多通道接收电路的原理示意图；
图5为相控阵声束偏转示意图；
图6为本发明的扇形扫描方法示意图；
图7为缺陷的扇扫成像结果。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、图5、图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电磁超声相控阵系统，它包括上位机(1)、电磁超声相控发射电路(2)、电磁超声多通道接收电路(3)和电磁超声相控阵换能器(5)。
相控阵换能器(5)包括永磁铁和多个线圈，每个线圈是一个阵元。
多通道电磁超声相控发射电路(2)内部有多个结构相同的通道，每个通道和一个阵元相连。发射电路可以同时连通多个阵元，按照设定参数中各通道的发射时序，发送多路高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器(5)中的各阵元。
发射时序表示为：
式中，tn为第n阵元相对于第0阵元的延迟时间，C为超声波在介质中的速度，d为设定的振元间距，θ为偏转角度，
所述发射时序为一个等差数列，通过修改发射时序的等差数列的公差能够实现偏转角度的变化。偏转角为0时，各阵元同时发射。
所述上位机(1)，用于将设定参数发送给电磁超声相控发射电路(2)内的各阵元，还用于修改设定参数中的发射时序，实现被测件内超声波角度的偏转，实现对缺陷区域的扇形扫查；
所述电磁超声多通道接收电路(3)，用于对超声回波信号进行放大、滤波处理后通过示波器采集接收数据，数据通过上位机进行波束合成，实现被测件的缺陷检测和成像。本实施方式中，所述的上位机向下位机传输发送发射频率、周波数、各通道的发射时序各通道延时、通道增益等参数，并设计人机交互界面优化了系统的人机交互性。由于该电磁超声相控阵装置发射电路具有高压电路，可能会危及操作者安全。为保证操作者安全，一方面，上位机对启动发射与高压开关采取独立控制方式，其按键一旦动作即配置给下位机，不依赖于发送指令；另一方面，为有效防止误操作，上位机高压控制采用高压开关与启动发射联锁控制功能，此外设计了快速放电程序快速泄放高压能量，最大程度保证操作者安全。
在实际检测时，如图1所示，将相控阵换能器固定在板材上表面，通过相控激励的同时激励各发射、接收通道，但各发射、接收通道的信号符合延时法则设定，实现相控声束偏转，此外更改相控阵延时法则改变声束偏转角度，实现对缺陷区域的扫查，并利用上位机对接收数据进行处理，最终实现缺陷的扇扫成像。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括一号ARM通讯电路，上位机1通过一号ARM通讯电路向电磁超声相控发射电路2发送设定参数，设定参数包括发射频率、周波数和各通道的发射时序。
本实施方式中，上位机1通过一号ARM通讯电路向电磁超声相控发射电路2和电磁超声多通道接收电路3设定参数，向电磁超声相控发射电路2发送的设定参数包括发射频率、周波数和各通道的发射时序，向接收电路3发送的设定参数为通道增益。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括转换器4，
转换器4的转换信号输入端连接电磁超声相控发射电路2的转换信号输出端，转换器4的转换信号输出端连接电磁超声多通道接收电路3的转换信号输入端，转换器4的转换信号输入\输出端连接相控阵换能器5的转换信号输出\输入端，
转换器4，用于对电磁超声相控阵换能器5输出的交变电信号进行限幅处理，防止大功率发射信号串入电磁超声多通道接收电路3，损坏电磁超声多通道接收电路3。
本实施方式中，装置中的转换器连接发射电路和接收电路，由于装置中的换能器采用收发一体线圈结构，为了防止大功率发射信号串入接收电路，进而损坏接收电路，需使用转换器将进入接收电路的信号进行限幅处理。
具体实施方式四：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，电磁超声相控发射电路2包括FPGA控制电路、多个功放电路和高压电路，
FPGA控制电路，用于控制多个通道发射高压脉冲信号的时序，
多个功放电路，用于按照发射时序发射高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器5，
高压电路，用于为电磁超声相控发射电路2提供高压电源。
本实施方式中，电磁超声相控发射电路2具有发射功率大、延时精度高的特点，其发射电压峰峰值可达1000V，电流可达40A，延时精度可达5ns。
其中，FPGA控制电路是相控发射电路的核心模块，控制发射时序，保证相控延时精度；功放电路在控制电路驱动下产生高频、大功率脉冲信号驱动电磁超声相控阵换能器；高压电路为发射电路提供高压电源。
FPGA控制电路是电磁超声相控发射电路2的核心模块，控制高压充电、发射时序，保证相控延时精度。FPGA控制电路实现数字延时的核心模块是锁相环(PLL)模块，该模块能够将输入的较低频率时钟信号倍频至较高频率，进而提供更高的时间分辨率。锁相环模块的核心是压控振荡器，压控振荡器能够根据输入电压变化输出不同频率信号。本装置使用50MHz有源晶振作为FPGA的输入时钟，并利用其内部锁相环将时钟倍频至200MHz，将该时钟作为FPGA内部触发模块与各发射模块的控制时钟，保证发射信号的时间控制精度达到5ns。
具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括二号ARM通讯电路和DAC电路，
上位机通过二号ARM通讯电路给DAC电路发送增益调整参数，
电磁超声多通道接收电路3包括多个固定增益放大电路、多个可控增益放大电路和多个滤波器，
每个固定增益放大电路，用于对每个通道的交变电信号进行同比例放大，
每个滤波器，用于对各通道内放大后的信号进行滤波，
每个可控增益放大电路，用于调整接收增益，对滤波后每个通道的交变电信号进行放大，便于示波器采集。
本实施方式中，磁超声多通道接收电路3具有放大增益高、接收噪声低的特点，其接收增益最大可达80dB。由于电磁超声回波信号十分微弱，因此设计固定增益放大电路实现信号的高增益放大。由于电磁超声相控阵电路中，不同通道的回波信号强度相差较大，因此设计可控增益放大电路保证各通道信号能够放大到合适强度以便于采集。由于电磁超声噪声复杂，因此设计滤波器滤除噪声信号，提高信噪比。
本装置采用三级同向比例放大电路作为固定增益放大电路，单级增益为20dB，三级固定放大的总增益为60dB。在滤波器设计方面，根据电磁超声信号特点，本装置采用了三阶巴特沃斯高通滤波器。针对不同通道的回波信号强度相差较大的问题，本装置设计了增益调增范围最高达80dB的可控增益放大电路。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，如图5所示，图5中的阵元为相控阵换能器5内的线圈，若要保证电磁超声相控阵换能器实现声束偏转，则所有阵元激发声束应能够同时到达指定波阵面，即通过相控延时控制以补偿波程差，距离波阵面远的先发射，距离波阵面近的后发射。针对阵元等间距排布的相控阵，只需控制各阵元激发时序为一个等差数列即可，而通过修改激发时序等差数列的公差即可实现偏转角度的变化。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电磁超声相控阵系统作进一步说明，本实施方式中，线圈包括PCB线圈和手绕线圈，每个通道中PCB线圈只有一匝，每个通道中手绕线圈为多匝。
本实施方式中，电磁超声相控阵换能器5采用一个永磁铁下方放置多通道线圈的方式，减小了换能器的体积，线圈可采用PCB线圈和手绕线圈两种结构。线圈可采用PCB线圈和手绕线圈两种结构，PCB线圈每个通道只有一匝，信号较弱，但线圈宽度、间距等参数控制精度高；手绕线圈每个通道可绕制多匝，信号较强，但线圈宽度、间距等参数控制精度较低。
Claims (7)
1.一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，它包括上位机(1)、电磁超声相控发射电路(2)、电磁超声多通道接收电路(3)和电磁超声相控阵换能器(5)，
电磁超声相控阵换能器(5)包括永磁铁和多个线圈，每个线圈是一个阵元，
电磁超声相控发射电路(2)内部有多个结构相同的通道，每个通道和一个阵元相连，发射电路可以同时连通多个阵元，按照设定参数中各通道的发射时序，发送多路高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器(5)中得各阵元，
发射时序表示为：
式中，tn为第n阵元相对于第0阵元的延迟时间，C为超声波在介质中的速度，d为设定的振元间距，θ为偏转角度，
发射时序为一个等差数列，通过修改发射时序的等差数列的公差能够实现偏转角度的变化，偏转角为0时，各阵元同时发射。
2.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，所述上位机(1)，用于将设定参数发送给电磁超声相控发射电路(2)内的各阵元，还用于修改设定参数中的发射时序，实现被测件内超声波角度的偏转，实现对缺陷区域的扇形扫查；
电磁超声多通道接收电路(3)，用于对超声回波信号进行放大、滤波处理后通过示波器采集接收数据，数据通过上位机进行波束合成，实现被测件的缺陷检测和成像。
3.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，它还包括一号ARM通讯电路，上位机(1)通过一号ARM通讯电路向电磁超声相控发射电路(2)发送设定参数，设定参数包括发射频率、周波数和各通道的发射时序。
4.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，它还包括转换器(4)，
转换器(4)的转换信号输入端连接电磁超声相控发射电路(2)的转换信号输出端，转换器(4)的转换信号输出端连接电磁超声多通道接收电路(3)的转换信号输入端，转换器(4)的转换信号输入\输出端连接电磁超声相控阵换能器(5)的转换信号输出\输入端，
转换器(4)，用于对电磁超声相控阵换能器(5)输出的交变电信号进行限幅处理，防止大功率发射信号串入电磁超声多通道接收电路(3)，损坏电磁超声多通道接收电路(3)。
5.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，电磁超声相控发射电路(2)包括FPGA控制电路、多个功放电路和高压电路，
FPGA控制电路，用于控制多个通道发射高压脉冲信号的时序，
多个功放电路，用于按照发射时序发射高压脉冲信号给电磁超声相控阵换能器(5)，
高压电路，用于为电磁超声相控发射电路(2)提供高压电源。
6.根据权利要求2所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，它还包括二号ARM通讯电路和DAC电路，
上位机通过二号ARM通讯电路给DAC电路发送增益调整参数，
电磁超声多通道接收电路(3)包括多个固定增益放大电路、多个可控增益放大电路和多个滤波器，
每个固定增益放大电路，用于对每个通道的交变电信号进行同比例放大，
每个滤波器，用于对各通道内放大后的信号进行滤波，
每个可控增益放大电路，用于调整接收增益，对滤波后每个通道的交变电信号进行放大，便于示波器采集。
7.根据权利要求1所述的一种电磁超声相控阵系统，其特征在于，线圈包括PCB线圈和手绕线圈，每个通道中PCB线圈只有一匝，每个通道中手绕线圈为多匝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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