CN110865124A - 一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法，所述系统包括可编程控制器、线性功放信号发生模块、低频超声换能器、高频超声换能器、信号采集模块和多路电源模块，其中，可编程控制器内运行有程序，执行：根据设置参数，生成相应的二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；对从信号采集模块获取的数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果；可编程控制器、线性功放信号发生模块、信号采集模块和多路电源模块集成于一体。与现有技术相比，本发明具有集成度高、控制方便等优点。

Description

一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法
技术领域
本发明属于工业无损检测领域，尤其是涉及一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法。
背景技术
超声波在工业检测中应用广泛，例如对材料的特性进行测量，包括材料的材质、损伤程度、寿命检测等。超声检测分为线性超声检测和非线性超声检测。线性超声检测采用的激励超声幅度相对较小，在线性范围内。非线性超声采用的激励幅度较大，能激励出材料在大应力条件下的非线性。超声检测指对测量到的超声信号提取超声参量，寻找超声参量与材料损伤的关系。材料损伤伴随着微裂纹的产生、传播与积累，微裂纹作为一种非线性因素会增强材料的非线性效应，非线性超声即在非线弹性范围内研究超声参量与材料损伤的关系。
现有的非线性超声系统是采用线性功放、信号发生器、衰减器、示波器等分立的仪器设备搭建而成，设备体积庞大、连接复杂、价格昂贵、控制不方便。因此，研发一台一体化、可软件控制的非线性超声测量仪器具有现实的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成度高、控制方便的基于线性功放的非线性超声导波检测系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统，包括可编程控制器、线性功放信号发生模块、低频超声换能器、高频超声换能器、信号采集模块和多路电源模块，所述低频超声换能器和高频超声换能器安装于待测材料上，所述线性功放信号发生模块与低频超声换能器连接，所述信号采集模块与高频超声换能器连接，所述可编程控制器分别连接线性功放信号发生模块和信号采集模块，所述多路电源模块实现系统供电，其中，
所述可编程控制器内运行有程序，执行：
根据设置参数，生成相应的二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；
对从所述信号采集模块获取的数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果；
所述可编程控制器、线性功放信号发生模块、信号采集模块和多路电源模块集成于一体。
进一步地，所述使用寿命评价结果的获取过程包括：
对所述还原后的导波信号进行数字滤波，对滤波后的导波信号进行快速傅里叶变换得到幅度谱，并计算谐波幅度与基波幅度平方的比，获得材料非线性参数，根据材料非线性参数与标准数据库的对比，获得待测材料的使用寿命评价结果。
进一步地，所述设置参数包括换能器中心频率、发射信号周期数和发射窗函数。
进一步地，所述线性功放信号发生模块包括依次连接的信号发生器、线性功率放大器和低通滤波器，所述信号发生器与可编程控制器连接，所述低通滤波器与低频超声换能器连接。
信号发生器发出的模拟信号通过线性功率放大器放大后，再通过低通滤波器滤除高频成分，最终作用在低频超声换能器上，激发产生超声波。
超声波在待测材料中传播产生超声导波信号，并携带着由于材料内部缺陷和疲劳导致的非线性效应。
进一步地，所述信号发生器为基于巴克码编码或格雷码编码的信号发生器。
进一步地，所述信号采集模块包括依次连接的高通滤波器、信号放大器和模数转换器，所述模数转换器与可编程控制器连接，所述高通滤波器与高频超声换能器连接。
超声导波信号被高频超声换能器接收后，经过高通滤波器降低基波的幅度，便于非线性谐波的检测。接收到的模拟小信号经过信号放大器放大，再由模数转换器进行采样量化和编码成数字信号。
进一步地，所述可编程控制器连接有人机交互界面。
进一步地，所述低频超声换能器和高频超声换能器分别通过一楔块安装于待测材料上，且两个楔块对称设置。
进一步地，所述楔块与待测材料还设置有超声耦合剂。
本发明还提供一种采用所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统进行的检测方法，包括以下步骤：
可编程控制器生成二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；
线性功放信号发生模块根据所述控制指令驱动低频超声换能器发射出相应的高斯型多周期正弦波超声信号；
该超声信号在待测材料中传播，高频超声换能器接收反馈的超声导波信号并传输给信号采集模块；
信号采集模块对所述超声导波信号依次进行滤波、放大和量化编码处理，形成数字导波信号；
可编程控制器对所述数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明对信号发生器和线性功放进行集成处理，简化了系统的硬件复杂度和成本，体积小，可便携，操作方便。
2、本发明将信号发射、采集、处理模块集成于一体，且有良好的人机交互界面，便于操作，集成一体的设计使得完成一次有效测量过程所需时间更短。
3、本发明基于线性功放的设计使得对连续信号进行放大的强弱可调，可以满足不同使用环境下的信号强度要求，且信号失真小，抗干扰能力强。
4、本发明将可编程控制器与系统控制软件区分开，通过一定的通信协议实现两部分的协同工作，便于系统的调试和维修。
5、本发明信号发生器采用经过巴克码或格雷码的编码的信号发生器，可提高导波信号的信噪比，简化电路设计，使得基波和谐波的频带变窄，提高基波和谐波的检测精度。
6、本发明通过增加发射端与接收端滤波器，对发射和信号进行预处理，进一步提高导波信号的信噪比，增大测量结果精确度。
7、本发明适合用于航空航天、桥梁、建筑等领域的金属材料的超声无损检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标号：1.可编程控制器，2.信号发生器，3.线性功率放大器，4.低通滤波器，5.低频超声换能器，6.楔块，7.待测材料，8.高通滤波器，9.高频超声换能器，10.信号放大器，11.模数转换器，12.多路电源模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统，用于对材料使用寿命进行评估，包括可编程控制器1、线性功放信号发生模块、低频超声换能器5、高频超声换能器9、信号采集模块和多路电源模块12，低频超声换能器5和高频超声换能器8安装于待测材料7上，线性功放信号发生模块与低频超声换能器5连接，信号采集模块与高频超声换能器8连接，可编程控制器1通过总线分别连接线性功放信号发生模块和信号采集模块，多路电源模块12实现系统供电。可编程控制器1、线性功放信号发生模块、信号采集模块和多路电源模块12集成于一体，具有体积小，便携等优点。待测材料7为板状或管状材料。
低频超声换能器5和高频超声换能器9分别通过一楔块6安装于待测材料7上，且两个楔块6对称设置。楔块6与待测材料7还设置有超声耦合剂。本实施例中，超声耦合剂采用工业检测领域常用的超声耦合剂。
线性功放信号发生模块包括依次连接的信号发生器2、线性功率放大器3和低通滤波器4，信号发生器2通过总线与可编程控制器1连接，通过SPI串行通信协议进行数据双向传输，低通滤波器4与低频超声换能器5连接。低通模拟滤波器在发射端配合低频超声换能器使用，用于去除系统引入的高频噪声成分。信号发生器2发出的模拟信号通过线性功率放大器3放大后，再通过低通滤波器滤除高频成分，最终作用在低频超声换能器上，激发产生超声波。超声波在待测材料中传播产生超声导波信号，并携带着由于材料内部缺陷和疲劳导致的非线性效应。
本实施例中，信号发生器2为基于巴克码编码或格雷码编码的信号发生器，可提高导波信号的信噪比，简化电路设计，使得基波和谐波的频带变窄，提高基波和谐波的检测精度。
本实施例中，线性功率放大器3采用具有对称和大电流驱动能力的PMOS和NMOS管推挽输出电路，并采用二极管单向导通电路进行隔离保护。
低通滤波器4的功能是尽可能保证基频成分通过同时大幅度抑制倍频成分。本实施例中，低通滤波器4采用截止频率5.5MHz，通频带起伏量0.01dB的无源滤波器。
信号采集模块包括依次连接的高通滤波器8、信号放大器10和模数转换器11，模数转换器11与可编程控制器1连接，高通滤波器8与高频超声换能器9连接。高通模拟滤波器在接收端配合高频超声换能器使用，用于滤除大部分基波信号，便于系统测量非线性的二次谐波成分。
超声导波信号被高频超声换能器9接收后，经过高通滤波器8降低基波的幅度，便于非线性谐波的检测。接收到的模拟小信号经过信号放大器10放大，再由模数转换器11进行采样量化和编码成数字信号。
本实施例中，模数转换器11为具有高共模抑制比的多级放大器以及14比特高精度和50MHz高速AD转换器。
可编程控制器1内运行有程序，执行：根据设置参数，包括换能器中心频率、发射信号周期数和发射窗函数等，生成相应的二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；对从信号采集模块获取的数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果。
使用寿命评价结果的获取过程包括：对还原后的导波信号进行数字滤波，对滤波后的导波信号进行快速傅里叶变换得到幅度谱，并计算谐波幅度与基波幅度平方的比，获得材料非线性参数，根据材料非线性参数与标准数据库的对比，获得待测材料的使用寿命评价结果。
本实施例中，参数计算采用二次谐波幅度A2f0与基波幅度的平方Af0 2之比。A2f0/Af0 2与材料自身的非线性参量之间存在一个常数的倍数关系，因此A2f0/Af0 2可作为材料真实非线性的一个等效参数。
本实施例中，多路电源模块12包括驱动信号发生器2的正负高压电以及模数转换器所需的正负对称基准电压。
在某些实施例中，可编程控制器1连接有人机交互界面，可用于显示采集信息和评价结果(诊断报告)。
采用上述基于线性功放的非线性超声导波检测系统进行检测的过程包括以下步骤：
1)可编程控制器1生成二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令，可编程控制器1通过SPI串行通信协议将该控制指令发送给信号发生器2。
2)信号发生器2通过IO口控制线性功率放大器3对波形进行线性功率放大，输出电压值最大±50V的高斯型多周期正弦信号，该信号通过低通滤波器4滤除高频成分，驱动低频超声换能器5发射任意波形的超声波。
3)超声波通过超声耦合剂和楔块6传输到待测材料7上，超声在待测材料7中传播产生超声导波，超声导波在样本中经过一段距离的传输后再通过超声耦合剂和楔块6，由高频超声换能器8接收并转换为电信号。
4)该电信号经过高通滤波器9滤除超声导波的基波成分，然后经信号放大器10放大增强后便于非线性的谐波成分被模数转换器11采样量化编码为数字导波信号。
5)可编程控制器通过LVDS高速数据传输接口读取该数字导波信号，对数字导波信号进行匹配滤波器滤波并做脉冲压缩，解调出未调制的导波信号；对恢复后的导波信号进行数字滤波，滤除感兴趣频带外的噪声；对处理后的导波信号进行快速傅里叶变换得到幅度谱，并计算谐波幅度比上基波幅度平方的非线性参数；根据计算出的非线性参数与标准数据库的对比，得出样本评价的结果，并显示在人机交互界面上。
可编程控制器也可对数字导波信号多次采样做平均后做进一步信号处理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，包括可编程控制器(1)、线性功放信号发生模块、低频超声换能器(5)、高频超声换能器(8)、信号采集模块和多路电源模块(12)，所述低频超声换能器(5)和高频超声换能器(8)安装于待测材料(7)上，所述线性功放信号发生模块与低频超声换能器(5)连接，所述信号采集模块与高频超声换能器(8)连接，所述可编程控制器(1)分别连接线性功放信号发生模块和信号采集模块，所述多路电源模块(12)实现系统供电，其中，
所述可编程控制器(1)内运行有程序，执行：
根据设置参数，生成相应的二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；
对从所述信号采集模块获取的数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果；
所述可编程控制器(1)、线性功放信号发生模块、信号采集模块和多路电源模块(12)集成于一体。
2.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述使用寿命评价结果的获取过程包括：
对所述还原后的导波信号进行数字滤波，对滤波后的导波信号进行快速傅里叶变换得到幅度谱，并计算谐波幅度与基波幅度平方的比，获得材料非线性参数，根据材料非线性参数与标准数据库的对比，获得待测材料的使用寿命评价结果。
3.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述设置参数包括换能器中心频率、发射信号周期数和发射窗函数。
4.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述线性功放信号发生模块包括依次连接的信号发生器(2)、线性功率放大器(3)和低通滤波器(4)，所述信号发生器(2)与可编程控制器(1)连接，所述低通滤波器(4)与低频超声换能器(5)连接。
5.根据权利要求4所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述信号发生器(2)为基于巴克码编码或格雷码编码的信号发生器。
6.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括依次连接的高通滤波器(9)、信号放大器(10)和模数转换器(11)，所述模数转换器(11)与可编程控制器(1)连接，所述高通滤波器(9)与高频超声换能器(8)连接。
7.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述可编程控制器(1)连接有人机交互界面。
8.根据权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述低频超声换能器(5)和高频超声换能器(8)分别通过一楔块(6)安装于待测材料(7)上，且两个楔块(6)对称设置。
9.根据权利要求8所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统，其特征在于，所述楔块(6)与待测材料(7)还设置有超声耦合剂。
10.一种采用如权利要求1所述的基于线性功放的非线性超声导波检测系统进行的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
可编程控制器(1)生成二进制数字信号，形成发送给线性功放信号发生模块的控制指令；
线性功放信号发生模块根据所述控制指令驱动低频超声换能器(5)发射出相应的高斯型多周期正弦波超声信号；
该超声信号在待测材料(7)中传播，高频超声换能器(8)接收反馈的超声导波信号并传输给信号采集模块；
信号采集模块对所述超声导波信号依次进行滤波、放大和量化编码处理，形成数字导波信号；
可编程控制器(1)对所述数字导波信号进行解调还原，计算获得还原后的导波信号中携带的材料非线性参数，基于该材料非线性参数获得待测材料的使用寿命评价结果。
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