CN112485332A - 一种基于伪随机编码的无损检测系统及无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于伪随机编码的无损检测系统，包括电源装置、上位机、控制器、电控单元、换能器和信号采集部件，上位机输出伪随机编码序列；控制器将伪随机编码序列解码为脉冲并输出脉冲序列；电控单元接收脉冲序列后输出电压或电流信号给换能器，获得可控的换能器；信号采集部件记录冲击次数和频率并反馈给上位机；上位机进行处理。本发明方案结合伪随机序列编程控制，实现伪随机序列冲击，极大限度地抑制噪声和干扰，确保有效信号的精确识别和提取；通过电子脉冲扫频冲击，叠加单次冲击能量，实现无损检测距离和精度的提高。本发明还公开一种无损检测方法，采用上述基于伪随机编码的无损检测系统，能用于桥梁、混凝土结构无损检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种基于伪随机编码的无损检测系统及无损检测方法。
背景技术
超磁致伸缩换能器是将电磁能转换成机械能或声能的器件，具有高效的机电转换效率。超磁致伸缩换能器作为声波无损检测中的震源，与锤击震源相比，具有重复性好，便于多组信号采集的优势。
与压电换能器相比，激发的超声波能量更高，适合于工程中大体积构件质量的声波无损检测。由于压电陶瓷材料能量密度小，导热能力较差，在连续性、大功率情况下工作时，其内部发热不能及时传递到界外，造成材料易引起退极化和碎裂，也限制了压电超声换能器的应用。
超磁致伸缩材料是一种具有优良性能的新型功能材料，具有输出应变大、能量密度高、机电转换效率高、响应速度快、居里温度高等特点，近年来被广泛应用于制造低频大功率的声学换能器。
现有技术中公开了一些换能器，如下：
发明申请CN109967333A公开一种自由改变声能激发域的磁致伸缩超声换能器，能产生能量更大的超声波，且可以旋转永磁铁的方式来改变静磁场方向，对换能器所产生的的超声波高密度区域进行方位控制。但其所激发超声波信号没有优良的自相关特性，对噪声干扰没有抑制效果。
发明专利CN108568398A公开一种超磁致伸缩超声换能器，采用冷却气体或冷却液对换能器进行冷却，也可在线圈与超磁致伸缩棒之间设置冷却水管或冷却水套，对换能器进行冷却，实现换能器在高速旋转的同时，有效解决换能器的发热问题，控制换能器的温度在很小的范围内波动，使换能器能够稳定工作。该专利主要针对换能器的构造的冷却设计。
发明专利CN101005717B公开一种中心聚焦高功率超声换能器，优点在于可以保证换能器长时间、高功率地工作。但是，该换能器产生的冲击信号缺乏对噪声干扰的抑制作用，在强干扰环境下难以保证有效工作。
还有一些研究通过增加一块特定的导电材料，减小在磁铁中长生的涡流，以削弱在其上产生的声波，减小了噪声的产生，提高回波信号的信噪比，由于会在该材料中产生涡流，这种方法会影响到线圈阻抗。此外，在利用稀土超磁致伸缩换能器对钢绞线多处缺陷的检测中，对钢绞线在不同载荷应力下，使用不同频率的检测信号取得了一定的效果；但并没有实现稀土超磁致伸缩换能器的变频控制。更进一步，在无损检测的应用中，针对检测信号在管道和缆索检测过程中随着检测长度不断衰减的问题，目前还没有很好的解决方案。
因此，开发一种能极大限度地抑制噪声和干扰且能够提高无损检测距离和精度的无损检测系统及无损检测方法具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种基于伪随机编码的无损检测系统，具体技术方案如下：
一种基于伪随机编码的无损检测系统，包括电源装置、上位机、控制器、电控单元、换能器和信号采集部件，所述上位机、控制器及电控单元均与所述电源装置电连接；
所述上位机包括利用带线性反馈能生成伪随机编码的位移寄存器；
所述控制器的上行与所述上位机连接，能将上位机产生的伪随机编码解码为脉冲序列；所述控制器的下行与电控单元连接，将脉冲序列以电流信号形式输出到电控单元中的驱动调节模块；
所述电控单元与换能器连接，电控单元中的驱动调节模块能将电压或电流信号输出给换能器，通过电压或电流的变化使得换能器的输出顶杆产生冲击震动；
所述信号采集部件与上位机连接，用于采集换能器的输出顶杆的冲击次数和频率并反馈给上位机。
以上技术方案中优选的，所述上位机能将信号采集部件所采集换能器的输出顶杆的冲击次数和频率解析还原为编码序列得到还原编码序列，并将还原编码序列与上位机发出的伪随机编码进行相关计算，并进行相应调整，形成闭环控制。
以上技术方案中优选的，所述换能器为磁致伸缩换能器或超声换能器；所述磁致伸缩换能器的磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料、合金磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料。
以上技术方案中优选的，所述信号采集部件为压电式瞬态力传感器、应变式传感器、微机电传感器以及接近开关中的至少一种。
以上技术方案中优选的，所述位移寄存器产生的伪随机编码序列为二元M序列、Gold序列、GMW序列、级联GMW序列、Kasami序列、Bent序列以及No序列中至少一种。
以上技术方案中优选的，还包括信号放大器，所述信号放大器位于信号采集部件与上位机之间，起到信号加强和滤波的作用。
以上技术方案中优选的，所述电源装置包括220V电源、24V电源以及驱动电源，所述220V电源与上位机电连接，给上位机供电；所述24V电源与控制器电连接，给控制器供电；所述驱动电源与电控单元电连接，给电控单元供电。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的基于伪随机编码的无损检测系统包括电源装置、上位机、控制器、电控单元、磁致伸缩换能器和信号采集部件，上位机给控制器(优选PLC控制器)发送控制指令，启动震源，输出伪随机编码序列；控制器接收预设的伪随机编码序列，并将伪随机编码解码为脉冲，按设置频率，以编码顺序输出脉冲序列；脉冲序列以电流信号形式接入电控单元的控制信号接口，让输出电压跟随控制信号进行变换；变换后的电压或电流信号接入换能器(优选磁致伸缩换能器)，换能器根据电压或电流信号变化调节激励线圈磁场强度，变化的磁场强度引起伸缩棒伸缩频率的变化，从而改变冲击频率，获得可控的换能器；换能器输出顶杆附件安装冲击信号采集部件，当输出顶杆靠近时冲击信号采集部件记录下冲击次数和频率；传感器记录信号通过信号放大器处理反馈给上位机；上位机将单个电信号解析还原为编码序列，与发送的伪随机编码序列进行比对分析，并进行相应调整。本发明方案结合伪随机序列编程控制，实现伪随机序列冲击，能极大限度的抑制噪声和干扰，确保有效信号的精确识别和提取；通过电子脉冲扫频冲击，叠加单次冲击能量，实现无损检测距离和精度的提高。
(2)本发明中上位机对还原编码序列和上位机发出的伪随机编码进行相关计算，并进行相应调整。通过换能器输出伪随机编码信号，对外部噪声和干扰进行极大程度的抑制前提下，无损检测的检测精度和准确性大幅度提升。
(3)本发明中换能器的种类、信号采集部件的具体种类以及位移寄存器所产生的具体的伪随机编码序列可根据实际工况确定，满足不同的无损检测的需求。
(4)本发明中还包括信号放大器，所述信号放大器位于信号采集部件与上位机之间，信号放大器能起到信号加强和滤波的作用，提高精准度。
(5)本发明中电源装置包括220V电源、24V电源以及驱动电源，实现上位机、控制器和电控单元的独立供电，维持系统的稳定性。
本发明还公开一种无损检测方法，采用上述无损检测系统进行无损检测，操作方便，既能极大限度地抑制噪声和干扰，又能够提高无损检测距离和精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是实施例中基于伪随机编码的无损检测系统的结构示意图；
图2是图1中上位机中位移寄存器产生的二元M序列的示意图；
图3是图1中换能器的结构示意图；
其中，1、电源装置，1.1、220V电源，1.2、24V电源，1.3、驱动电源，2、上位机，3、控制器，4、电控单元，5、换能器，5.1、外壳，5.2、预紧螺栓，5.3、内部顶杆，5.4、超磁致伸缩棒，5.5、激励线圈，5.6、输出顶杆，6、信号采集部件，7、信号放大器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
一种基于伪随机编码的无损检测系统，参见图1，包括电源装置1、上位机2、控制器3、电控单元4、换能器5和信号采集部件6，所述上位机2、控制器3及电控单元4均与所述电源装置1电连接，详情如下：
所述电源装置1包括220V电源1.1、24V电源1.2以及驱动电源1.3，所述220V电源1.1与上位机2电连接，给上位机供电；所述24V电源1.2与控制器3电连接，给控制器供电；所述驱动电源1.3与电控单元4电连接，给电控单元供电。
所述上位机2包括利用带线性反馈能生成伪随机编码的位移寄存器，所述位移寄存器产生的伪随机编码序列为二元M序列，信号示意图详见图2。除此之外，位移寄存器产生的伪随机编码序列还可以是Gold序列、GMW序列、级联GMW序列、Kasami序列、Bent序列以及No序列中至少一种，根据实际需求选择。伪随机编码控制超磁致伸缩换能器产生冲击，能提高检测信号的信噪比，最大限度的降低噪声信号等的干扰。
所述控制器3的上行与所述上位机2连接，能将上位机2产生的伪随机编码解码为脉冲序列；所述控制器3的下行与电控单元4连接，将脉冲序列以电流信号形式输出到电控单元4中的驱动调节模块。此处控制器优选PLC控制器，可根据实际情况进行编程设计。
所述电控单元4与换能器5连接，电控单元4中的驱动调节模块能将电压或电流信号输出给换能器，通过电压或电流的变化使得换能器5的输出顶杆产生冲击震动。换能器此处采用磁致伸缩换能器，详见图3，换能器包括外壳5.1、预紧螺栓5.2、内部顶杆5.3、超磁致伸缩棒5.4、激励线圈5.5和输出顶杆5.6，具体连接关系可参照现有技术。所述磁致伸缩换能器的磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料、合金磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料。可以根据需要选取不同型号规格的换能器，可以满足便携、单次冲击能量大等不同条件要求，以适应不同的使用场合和环境，比如可选用轻便的换能器以便于小尺度范围的无损检测，选用笨重但冲击能量大的换能器以适应大范围内的无损检测。
所述信号采集部件6与上位机2连接，用于采集换能器5的输出顶杆的冲击次数和频率并反馈给上位机2。此处所述信号采集部件6为压电式瞬态力传感器。除此之外，信号采集部件还可以采用应变式传感器、微机电传感器以及接近开关中的至少一种。通过超磁致伸缩换能器输出顶杆上安装的冲击信号采集传感器实时检测冲击频率，实现换能器冲击频率的闭环控制。
所述信号采集部件6与上位机2之间设有信号放大器7，起到信号加强和滤波的作用。
应用本实施例的方案，具体原理如下：
1、在上位机中利用带线性反馈的位移寄存器生成二元最长线性反馈移位寄存器序列(m序列)，属于伪随机序列的一种；
2、将二元m序列传递给可编程逻辑控制器(PLC控制器)解码为脉冲序列，其中二元m序列中的1对应一个脉冲，0表示不产生脉冲信号；
3、产生的脉冲序列控制指令以电流信号形式输出到驱动调节模块，对驱动调节模块的输出电压/电流进行调节，使得输出电压随脉冲序列控制的电流信号而变化；
4、驱动调节模块将改变后的电压/电流信号输出到超磁致伸缩换能器，电流/电压的变化引起激励线圈磁场强度的改变，从而使超磁致伸缩棒产生磁致伸缩应变，进而产生冲击推力，推动输出顶杆产生冲击震动，超磁致伸缩棒应变频率跟随伪随机序列发生变化，带动输出顶杆冲击频率跟随伪随机序列变化，从而改变输出顶杆冲击频率，实现超磁致伸缩换能器冲击频率的变频控制；
5、输出顶杆冲击信号采集传感器安装在输出顶杆附近，超磁致伸缩棒产生应变带动输出顶杆产生冲击时，信号采集传感器记录冲击次数和频率，通过信号放大器处理反馈给上位机。上位机将单个电信号解析还原为编码序列，与发送的伪随机序列进行相关计算，并进行相应调整，形成闭环控制，从而对噪声信号进行极大程度的抑制，针对性提取出有效信号。本实施例中相应调整的原理是：如果反馈信号和原始伪随机序列的相关程度高，则说明超磁致伸缩换能器能够及时响应预先设定的伪随机序列，换能器能够输出伪随机编码的冲击震动信号，此时，可以进一步测试更宽的指令间隔以期获得更好地相关度；若反馈信号与原始伪随机序列的相关程度低，则说明超磁致伸缩换能器不能及时响应伪随机序列，换能器不能输出伪随机编码的冲击震动信号，不具备强抗干扰能力，此时，需要调宽指令间隔宽度，即增加序列指令发送间隔时长，重复相关计算和调试直到反馈信号和预设伪随机序列相关度高。相关度和指令间隔的长度根据实际工况决定。
本实施例采用上位机生成的二元M序列伪随机信号，属于伪随机序列的一种，用于控制超磁致伸缩换能器冲击频率，伪随机序列系列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并且有预先的可确定性和可重复性，具有很高的距离分辨力和速度分辨力，能够在低信噪比的条件下工作，同时具有很强的抗干扰能力。结合伪随机编码和超磁致伸缩换能器，实现超磁致伸缩换能器的变频冲击，增强机械能或声能弹性波信号的抗干扰能力；同时通过多次冲击能量的叠加，达到换能器激发能量的最大化，提高检测信号的强度，提高无损检测的可靠性。
将本实施例的基于伪随机编码的无损检测系统能用于桥梁、混凝土结构无损检测领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，包括电源装置(1)、上位机(2)、控制器(3)、电控单元(4)、换能器(5)和信号采集部件(6)，所述上位机(2)、控制器(3)及电控单元(4)均与所述电源装置(1)电连接；
所述上位机(2)包括利用带线性反馈能生成伪随机编码的位移寄存器；
所述控制器(3)的上行与所述上位机(2)连接，能将上位机(2)产生的伪随机编码解码为脉冲序列；所述控制器(3)的下行与电控单元(4)连接，将脉冲序列以电压或电流信号形式输出到电控单元(4)中的驱动调节模块；
所述电控单元(4)与换能器(5)连接，电控单元(4)中的驱动调节模块能将电压或电流信号输出给换能器，通过电压或电流的变化使得换能器(5)的输出顶杆产生冲击震动；
所述信号采集部件(6)与上位机(2)连接，用于采集换能器(5)的输出顶杆的冲击次数和频率并反馈给上位机(2)。
2.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，所述上位机(2)能将信号采集部件(6)所采集换能器(5)的输出顶杆的冲击次数和频率解析还原为编码序列得到还原编码序列，并将还原编码序列与上位机发出的伪随机编码进行相关计算，并进行相应调整，形成闭环控制。
3.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，所述换能器(5)为磁致伸缩换能器或超声换能器；所述磁致伸缩换能器的磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料、合金磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料。
4.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，所述信号采集部件(6)为压电式瞬态力传感器、应变式传感器、微机电传感器以及接近开关中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，所述位移寄存器产生的伪随机编码序列为二元M序列、Gold序列、GMW序列、级联GMW序列、Kasami序列、Bent序列以及No序列中至少一种。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，还包括信号放大器(7)，所述信号放大器(7)位于信号采集部件(6)与上位机(2)之间，起到信号加强和滤波的作用。
7.根据权利要求1所述的基于伪随机编码的无损检测系统，其特征在于，所述电源装置(1)包括220V电源(1.1)、24V电源(1.2)以及驱动电源(1.3)，所述220V电源(1.1)与上位机(2)电连接，给上位机供电；所述24V电源(1.2)与控制器(3)电连接，给控制器供电；所述驱动电源(1.3)与电控单元(4)电连接，给电控单元供电。
8.一种无损检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述无损检测系统进行无损检测。
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