CN113203374B - 一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置及方法，所述装置包括上位机、主控模块、功率放大模块、电磁超声换能器和接收模块，上位机用于产生脉冲压缩信号并对电磁超声接收信号进行脉冲压缩处理；主控模块用于将上位机产生的脉冲压缩信号转化成为电压信号，并控制功率放大模块的工作状态，同时控制接收模块的放大倍数；功率放大模块用于放大主控模块的电压信号，并将其转换为能激励换能器的电流信号；电磁超声换能器用于电流信号和超声信号的相互转化；接收模块用于放大、滤波和采集接收信号。本发明能提高电磁超声测厚技术的回波信噪比，实现在恶劣环境下工作后管道的电磁超声厚度检测，替代取多次接收信号做平均的传统信号处理方法。

Description

一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置及方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置及方法。

背景技术

金属材料具有延展性、硬度、导电导热性各异的特点，常作为管道在航空航天、机械制造、石油化工等场合得到广泛的使用。而随着现代工业化水平和科技水平的提高，管道越来越多的在高温、高压、高腐蚀性等恶劣条件下使用，很难保证其在使用过程中不会产生腐蚀、缺陷等质量问题，产生严重的安全隐患。因此，常采用一定技术对金属构成的管道进行检测。

在金属材料检测的过程中，尤其对于管道而言，其厚度变化对使用状态的判断具有至关重要的作用。电磁超声测厚技术能够在金属材料表面产生振动，带动周围的晶粒振动，从而形成超声波在材料内传播，不仅具备常规超声技术在材料损伤检测上的优势，还具备非接触、无需使用声耦合剂的特点，能够适应高温恶劣环境下的无损检测。然而，基于电磁耦合方式的电磁超声换能器换能效率较低，而且金属管道在高温等恶劣环境下工作一段时间后，晶粒会变得不均匀使声波发生散射，导致换能效率将进一步降低，得到的电磁超声测厚回波信号信噪比很低。传统电磁超声测厚方法采用高压激励的方法，通过提升接收信号中的有效回波幅值来提升信噪比，但是目前而言由于开关器件的限制，激励信号的电压很难继续提升。此外，传统电磁超声测厚方法采用取多次接收信号做平均的方法来提升信噪比，检测出结果需要数秒钟，且信噪比仅有微小提升。

发明内容

为了解决常规电磁超声测厚方法的信噪比低的问题，本发明提供了一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置及方法。本发明能够提高电磁超声测厚技术的回波信噪比，实现在恶劣环境下工作后管道的电磁超声厚度检测，替代取多次接收信号做平均的传统信号处理方法，相比传统电磁超声测厚，具有检测时间短、信噪比大幅提升的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置，包括上位机、主控模块、功率放大模块、电磁超声换能器和接收模块，其中：

上位机连接主控模块和接收模块；

主控模块连接功率放大模块；

电磁超声换能器连接功率放大模块和接收模块；

上位机用于产生脉冲压缩信号并对电磁超声接收信号进行脉冲压缩处理；

主控模块用于将上位机产生的脉冲压缩信号转化成为电压信号，并控制功率放大模块的工作状态，同时控制接收模块的放大倍数；

功率放大模块用于放大主控模块的电压信号，该信号要求峰峰值1kV，并将其转换为能激励换能器的电流信号；

电磁超声换能器采用一发一收的形式，用于电流信号和超声信号的相互转化；

接收模块用于放大、滤波和采集接收信号，其放大倍数受到主控模块的控制，滤波器的通带为3～5MHz；

检测时，通过上位机设计脉冲压缩信号，用带零电平的子脉冲表示二相编码的每一位码元；上位机将脉冲压缩信号传输至主控模块，主控模块将脉冲压缩信号转化成为电压信号并控制功率放大模块进行信号放大，生成脉冲压缩高压信号激励电磁超声换能器，其在待测试件表面产生涡流，引起待测试件表面粒子振动带动试件内部粒子振动进而产生声波，声波经过待测试件底面反射后由接收模块放大、滤波和采集并送入上位机处理数据，完成电磁超声厚度检测。

一种利用上述装置进行基于脉冲压缩的电磁超声测厚方法，包括如下步骤：

步骤1)将电磁超声换能器放置在待测试件上，电磁超声换能器连接功率放大模块和接收模块，功率放大模块连接主控模块，主控模块连接上位机和接收模块，接收模块连接上位机；

步骤2)在上位机中设计脉冲压缩信号，得到二相编码信号，具体步骤如下：

步骤2-1)选择一种伪随机二相编码，二相编码包含“1”、“0”两种码元；

步骤2-2)每一位码元用若干周期方波和一段零电平组成的子脉冲代替(通常方波的周期个数为2～3个)，码元为“1”时，每个方波是半周期的正电平和半周期的负电平，码元为“0”时，每个方波是半周期的负电平和半周期的正电平，方波的周期为0.25μs；

步骤2-3)将子脉冲替换二相编码的每个码元，得到二相编码信号；

步骤3)将二相编码信号下载到主控模块中，主控模块根据检测指令控制功率放大模块产生用于激励电磁超声换能器的长脉冲串x(t)；

步骤4)长脉冲串x(t)被电磁超声换能器发射至待测试件，在待测试件表面感应出涡流，使得待测试件表面晶粒振动带动内部晶粒振动产生超声波；

步骤5)反射后的声波经电磁超声换能器转换为电信号，接收模块采集该处的原始接收信号c(t)并传输至上位机；

步骤6)原始接收信号c(t)经过接收模块的放大和滤波得到接收信号y(t)，被采集并传输至上位机；

步骤7)上位机对原始接收信号c(t)和接收信号y(t)进行处理，得到最终的测厚信号z₁(t)，具体步骤如下：

步骤7-1)将接收信号y(t)中的主冲击大于回波的部分削平，得到信号y₁(t)；

步骤7-2)根据步骤2-1)选择的二相编码，用线性规划的方法设计二相编码的旁瓣抑制滤波器，得到序列{h_k}，再对{h_k}上采样，得到二相编码信号的旁瓣抑制滤波器h(t)，使其的相邻非零元素之间的元素个数与二相编码信号子脉冲的元素数相同；

步骤7-3)对信号y₁(t)和原始接收信号c(t)进行匹配滤波处理，得到信号z(t)；

步骤7-4)将信号z(t)与旁瓣抑制滤波器h(t)做卷积，得到最终的测厚信号z₁(t)。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用脉冲压缩技术进行电磁超声测厚，与传统电磁超声测厚方法相比，脉冲压缩技术取代的是高频猝发音信号(Tone Burst信号)激励，和接收环节传统的信号处理方法如平均法等，从本质上看，脉冲压缩技术的引入在提升信噪比的同时，降低了功率模块中对开关器件的要求。

2、本发明对脉冲压缩信号的子脉冲进行了设计，不同于此前二相编码的每一位码元是单一平直的电平，而是采用了“阶跃方波+零电平”的形式作为子脉冲。选择单一平直电平作为子脉冲时，一旦二相编码出现连续相同的码元时，功率放大电路中的开关管会一直处于导通的状态，这会导致器件被烧毁，而选择周期性的阶跃方波就避免了这个问题；此外测厚过程中，电路器件的作用和换能的过程会使回波信号中的脉冲后出现拖尾信号，本发明则设计子脉冲包括一段零电平作为缓冲区，用以缓冲这段信号，使后续的脉冲压缩处理效果更佳。

3、本发明从两方面对脉冲压缩处理产生的旁瓣进行了抑制：其一，将接收信号y(t)中的主冲击“削平”，使其与后面的回波信号峰峰值相同，如果不减小主冲击，那么其在脉冲压缩之后产生的非均匀旁瓣可能被误认成各种形式的回波(如纵波、转换波等)；其二，利用线性规划的方法设计旁瓣抑制滤波器，使二相编码脉冲压缩后输出信号的旁瓣变得均匀，同样是防止旁瓣被误认为成其它类型的回波。

附图说明

图1是基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置的硬件组成示意图；

图2是脉冲压缩技术原理图；

图3是二相编码信号波形图；

图4是原始接收信号波形图；

图5是接收信号波形图；

图6是削平接收信号主冲击的算法流程图；

图7是设计旁瓣抑制滤波器序列的算法流程图；

图8是旁瓣抑制滤波器的波形图；

图9是对旁瓣抑制序列上采样的算法流程图；

图10是脉冲压缩算法流程图；

图11是测厚信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种电磁超声厚度检测装置，适用于利用脉冲压缩方法对金属厚度的检测，如图1所示，所述装置包括上位机、主控模块、功率放大模块、电磁超声换能器和接收模块，其中：上位机的作用是产生脉冲压缩信号和对装置的回波信号进行脉冲压缩处理；主控模块的作用是将上位机产生的脉冲压缩信号编码转换为脉冲压缩电压信号，同时控制功率放大模块的工作状态和接收模块的放大倍数；功率放大模块的作用是将该电压信号放大为可以激励超声波的高电压信号，该信号一般要求峰峰值有数百伏，并将其转换为能激励换能器的电流信号；电磁超声换能器采用一发一收的形式，用于电信号和声波能量的换能，得到回波信号；接收模块的作用是放大、滤波和采集回波电压信号，导入上位机做信号处理，其放大倍数受到主控模块的控制，滤波器的通带为3～5MHz。通过上述各模块的配合作用，待测试件内部产生超声波并被转化为电信号采集，从而实现电磁超声测厚功能，该装置具有无需与试件紧密接触、检测精度高、检测信号可编辑等优点。

如图1所示，检测时，上位机产生脉冲压缩信号编码传输至主控模块，使其转化为脉冲压缩电压信号，主控模块控制功率放大模块进行信号放大，放大后的高电压信号激励耐高温电磁超声换能器，换能器中的高频电流在待测试件表面产生交变磁场和涡流，涡流分别与交变磁场和静磁场相互作用产生洛伦兹力，驱动待测试件表面的粒子做高频振动，带动试件内部粒子振动进而激发产生出超声波，声波经过待测试件底面反射后再被转换为电信号，由接收模块放大、滤波和采集，送入上位机处理数据，由此完成电磁超声厚度检测。

如图2所示，脉冲压缩技术原理为：如果输入信号是经过频率或相位调制后的长脉冲信号，那么将输入信号和与之相关的滤波器进行压缩处理，长脉冲信号就可以转变为窄脉冲信号，从而实现脉冲压缩。设长脉冲信号随时间变化的表达式为s(t)，则与之相关的匹配滤波器表达式为：

h(t)＝s(t₀-t)；

式中，t₀为s(t)的脉冲时长。

若长脉冲信号的频谱和匹配滤波器频谱用S(f)和H(f)表示，则输出信号为：

s₁(t)＝F^-1[S(f)H(f)]。

子脉冲采用“阶跃方波+零电平”的形式，其原因是：发射电路通过串联谐振来使线圈电流的幅值达到最大，接收电路也是通过谐振来接收原始回波，这样势必会使脉冲后有一段时间拖尾，如果子脉冲采用平直电平的形式，前面脉冲的拖尾部分就会影响后面的脉冲，继而使回波脉冲变乱，从而降低脉冲压缩效果；而采用“阶跃方波+零电平”形式的子脉冲，其中的零电平可以作为拖尾的缓冲时间，使回波信号保留原信号编码的特点，后续脉冲压缩的效果也更好。

求旁瓣抑制滤波器序列{h_k}的原理为：为使旁瓣尽可能小而且分布均匀，需要在保证旁瓣都小于某一确定值的情况下使主瓣尽可能地大，若旁瓣抑制滤波器的输出序列用{z_m}表示，那么上述问题用数学语言描述即：

z_k＝c_k*h_k,k＝0,1,2,...N-1；

式中，C为某一常数，{c_k}为二相编码的匹配滤波输出序列，N为{z_m}序列元素个数。

求解该线性规划问题，可以得到旁瓣抑制滤波器序列{h_k}，再进行上采样，可以得出旁瓣抑制滤波器h(t)。

基于以上原理和装置，本发明提供了一种基于脉冲压缩原理的电磁超声测厚方法，下面对一个工作实例的具体过程进行说明：

步骤1)将电磁超声换能器放置在待测试件上，电磁超声换能器连接功率放大模块和接收模块，功率放大模块连接主控模块，主控模块连接上位机和接收模块，接收模块连接上位机。

步骤2)在上位机中设计脉冲压缩信号，具体步骤如下：

步骤2-1)选择一种16位格雷码{a_k}作为二相编码，其码元依次为：[1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,0,1]。

步骤2-2)每一位码元用2个周期方波和4个周期零电平组成的子脉冲代替，码元为“1”时，每个方波是半周期的正电平和半周期的负电平，码元为“0”时，每个方波是半周期的负电平和半周期的正电平，方波的周期为0.25μs。

步骤2-3)将子脉冲替换二相编码的每个码元，得到二相编码信号，该二相编码信号的时长为24μs，其信号如图3所示。

步骤3)将图3的二相编码信号下载至主控模块中，主控模块根据检测指令控制功率放大模块产生用于激励电磁超声换能器的长脉冲串x(t)。

步骤4)长脉冲串x(t)被电磁超声换能器发射至待测试件，在试件表面感应出涡流，使得试件表面晶粒振动带动内部晶粒振动产生超声波。

步骤5)反射后的声波经电磁超声换能器转换为电压信号，接收模块采集该处的原始接收信号c(t)并传输至上位机，如图4所示。

步骤6)原始接收信号c(t)经过接收模块的放大和滤波得到接收信号y(t)，被采集并传输至上位机，如图5所示。

步骤7)上位机对原始接收信号c(t)和接收信号y(t)进行处理，具体步骤如下：

步骤7-1)将接收信号y(t)中的主冲击大于回波的部分削平，得到信号y₁(t)。该部分的算法流程如图6所示，具体步骤如下：(1)已知长脉冲串x(t)的脉冲时长τ；(2)截取输入信号y(t)的时长τ以后的信号，得到y’(t)；(3)求取信号y’(t)的最大值y_max和最小值y_min；(4)将y(t)中大于y_max的元素用y_max替代，小于y_min的元素用y_min替代，得到被削平的信号y₁(t)。

步骤7-2)用线性规划的方法设计步骤2-1中16位格雷码的旁瓣抑制滤波器，得到序列{h_k}。算法流程如图7所示，具体步骤如下：

(1)已知格雷码序列{a_k}，求其自相关序列{c_k}；

(2)让自相关序列的主瓣项为0，得到旁瓣序列{b_k}，求取d_k＝c_k*δ(k),e_k＝c_k*b_k,f_k＝c_k*b_k*b_k三个序列，其中δ(k)是冲激函数；

(3)求解线性规划问题：

得到A、B、C三个未知数的解，则旁瓣抑制序列{h_k}为：

步骤7-3)对{h_k}进行上采样，得到二相编码信号的旁瓣抑制滤波器h(t)，使其的相邻非零元素之间的元素个数与二相编码信号子脉冲的元素数相同。算法流程如图9所示，具体步骤如下：

(1)已知发射的长脉冲串x(t)采样得到的元素个数为N，构造零矩阵H_mn，其中m＝N/16，n为{h_k}的元素个数；

(2)将{h_k}替换矩阵H_mn的第一行元素，再将矩阵H_mn列展开从而得到h(t)，如图8所示。

步骤7-4)对信号y₁(t)和原始接收信号c(t)进行匹配滤波处理，得到信号z(t)，算法流程如图10所示。

步骤7-5)将信号z(t)与旁瓣抑制滤波器h(t)做卷积，得到最终的测厚信号z₁(t)，如图11所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明。

Claims (3)

1.一种基于脉冲压缩的电磁超声测厚装置，其特征在于所述装置包括上位机、主控模块、功率放大模块、电磁超声换能器和接收模块，其中：

所述上位机用于产生脉冲压缩信号并对电磁超声接收信号进行脉冲压缩处理；

所述主控模块用于将上位机产生的脉冲压缩信号转化成为电压信号，并控制功率放大模块的工作状态，同时控制接收模块的放大倍数；

所述功率放大模块用于放大主控模块的电压信号，并将其转换为能激励换能器的电流信号；

所述电磁超声换能器用于电流信号和超声信号的相互转化；

所述接收模块用于放大、滤波和采集接收信号；

所述装置检测时，通过上位机设计脉冲压缩信号，用带零电平的子脉冲表示二相编码的每一位码元；上位机将脉冲压缩信号传输至主控模块，主控模块将脉冲压缩信号转化成为电压信号并控制功率放大模块进行信号放大，生成脉冲压缩高压信号激励电磁超声换能器，其在待测试件表面产生涡流，引起待测试件表面粒子振动带动试件内部粒子振动进而产生声波，声波经过待测试件底面反射后由接收模块放大、滤波和采集并送入上位机处理数据，完成电磁超声厚度检测。

2.一种利用权利要求1所述装置进行基于脉冲压缩的电磁超声测厚方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1）将电磁超声换能器放置在待测试件上，电磁超声换能器连接功率放大模块和接收模块，功率放大模块连接主控模块，主控模块连接上位机和接收模块，接收模块连接上位机；

步骤2）在上位机中设计脉冲压缩信号，得到二相编码信号，具体步骤如下：

步骤2-1）选择一种伪随机二相编码，二相编码包含“1”、“0”两种码元；

步骤2-2）每一位码元用若干周期方波和一段零电平组成的子脉冲代替，码元为“1”时，每个方波是半周期的正电平和半周期的负电平，码元为“0”时，每个方波是半周期的负电平和半周期的正电平，方波的周期为0.25μs；

步骤2-3）将子脉冲替换二相编码的每个码元，得到二相编码信号；

步骤3）将二相编码信号下载到主控模块中，主控模块根据检测指令控制功率放大模块产生用于激励电磁超声换能器的长脉冲串x(t)；

步骤4）长脉冲串x(t)被电磁超声换能器发射至待测试件，在待测试件表面感应出涡流，使得待测试件表面晶粒振动带动内部晶粒振动产生超声波；

步骤5）反射后的声波经电磁超声换能器转换为电信号，接收模块采集该处的原始接收信号c(t)并传输至上位机；

步骤6）原始接收信号c(t)经过接收模块的放大和滤波得到接收信号y(t)，被采集并传输至上位机；

步骤7）上位机对原始接收信号c(t)和接收信号y(t)进行处理，得到最终的测厚信号z ₁(t)。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲压缩的电磁超声测厚方法，其特征在于所述步骤7）的具体步骤如下：

步骤7-1）将接收信号y(t)中的主冲击大于回波的部分削平，得到信号y ₁(t)；

步骤7-2）根据二相编码，用线性规划的方法设计二相编码的旁瓣抑制滤波器，得到序列，再对上采样，得到二相编码信号的旁瓣抑制滤波器h(t)，使其的相邻非零元素之间的元素个数与二相编码信号子脉冲的元素数相同；

步骤7-3）对信号y ₁(t)和原始接收信号c(t)进行匹配滤波处理，得到信号z(t)；

步骤7-4）将信号z(t)与旁瓣抑制滤波器h(t)做卷积，得到最终的测厚信号z ₁(t)。

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