CN113739728A - 一种电磁超声回波声时计算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁超声回波声时计算方法及其应用，属于电磁超声无损检测领域。该方法包括如下步骤：获取待测试件的回波信号，并根据阻塞区长度截取有效回波信号；求取有效回波信号中所有递增区间过零点，并标记其位置；计算相邻两个递增区间过零点之间的最大值，记为谐波峰值，并标记其位置；求取所有谐波峰值的主峰，记为脉冲峰值，并标记其位置；根据预设阈值对脉冲峰值中干扰峰值进行滤除，然后对滤除后的脉冲峰值计算平均声时，以此完成电磁超声回波声时计算。本发明能够有效消除利用回波信号求取波峰时回波信号抖动出现双峰值所产生的干扰，提高波峰提取的准确性，具有计算量小的优势，可实现现场快速准确计算。

Description

一种电磁超声回波声时计算方法及其应用

技术领域

本发明属于电磁超声无损检测领域，更具体地，涉及一种电磁超声回波声时计算方法及其应用。

背景技术

电磁超声是无损检测领域出现的新技术，与传统的超声检测技术相比，它具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适于高温检测以及容易激发各种超声波形等优点。电磁超声易于激发横波，同时由于横波波速小于纵波波速而具有测厚精度高的优点。

近年来，电磁超声测厚开始在工程上广泛应用。电磁超声测厚多采用脉冲反射式原理。电磁超声传感器，能够激励出并接收到超声波，其包括用于产生偏置磁场的励磁器、通高频交变电流的线圈和被测试件三个部分。励磁器可以是永久磁铁或电磁铁。被测试件放置在偏置磁场中，当给置于被测试件上的线圈通高频交变电流时，其周围会产生交变电磁场，在被测试件中感生出涡流。在偏置磁场的作用下，试件表面会产生交变的力或形变，进而产生振动并在试件中传播形成超声波。在接收超声波时，试件内部微观粒子振动引起偏置磁场扰动，由于法拉第效应线圈切割磁力线感生出电压，实现超声波测量。

现有技术中，CN10978104A公开了一种基于频域分析的电磁超声测厚方法，该技术将厚度信息从时域难以读取的周期变换到频域易读取的峰值，在不改变原有电路的基础上增大使用提离，提高检测精度，但是当板厚较大时，由于采样深度的限制，回波信号频率分量减小，会淹没在噪声频率中，难以实现准确测厚。CN107450061A公开了一种超声测厚中的自适应声时计算方法，该技术将声时计算转化为系统辨识问题，求取脉冲响应序列，由脉冲响应序列极大值的横坐标换算得到超声声时，但是该方法计算量巨大，并且对于单个脉冲的波形噪声抖动情况无法处理，难以应用到快速检测的实际生产中去。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电磁超声回波声时计算方法及其应用，旨在解决现有的测厚方法精确度、计算量巨大的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种电磁超声回波声时计算方法，该方法包括如下步骤：

S1获取被测试件的回波信号，并根据阻塞区长度截取有效回波信号；

S2求取所述有效回波信号中所有递增区间过零点，并标记其位置；

S3计算相邻两个递增区间过零点之间的最大值，记为谐波峰值并标记其位置；

S4确定步骤S3获得的一系列谐波峰值的主峰，记为脉冲峰值并标记其位置；

S5根据预设阈值对步骤S4获得的脉冲峰值中的干扰峰值进行滤除，然后利用滤除后的脉冲峰值计算平均声时，以此完成电磁超声回波声时计算。

作为进一步优选的，步骤S1中，所述阻塞区长度由空气采集的回波信号确定。

作为进一步优选的，步骤S1包括如下子步骤：

S11获得空气采集的回波信号，将起始时间至饱和信号幅值下降到50％及以下的时间作为阻塞区结束时间t₀；

S12获取被测试件在采样时间t₁内的回波信号，将t₀至t₁时间区间的回波信号作为有效回波信号。

作为进一步优选的，步骤S4中，采用滑动窗口法获得谐波峰值的主峰，具体为：若当前谐波峰值大于前n个谐波峰值，同时大于后n个谐波峰值时，则将当前谐波峰值的位置作为脉冲峰值所在位置，n≥1。

作为进一步优选的，步骤S5中，所述预设阈值为空气采集的回波信号噪声幅值的3倍～5倍。

作为进一步优选的，步骤S5中，利用均值法计算平均声时T，并采用下式进行计算：

式中，T_end为滤除后的脉冲峰值中最后一个脉冲峰值的到达时间，T₁为滤除后的脉冲峰值中第一个脉冲峰值的到达时间，end为滤除后的脉冲峰值的个数，end≥3。

按照本发明的另一方面，提供了上述电磁超声回波声时计算方法在厚度测量中的应用。

作为进一步优选的，厚度的计算公式为：

式中，d为厚度，v为被测试板中的超声波传播速度，T为平均声时。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明在不对信号进行滤波处理的前提下，针对脉冲出现抖动的情况，创造性地提出利用谐波峰值的主峰获得脉冲峰值，然后通过阈值对其进行筛选，并根据过滤结果计算平均声时，从而有效消除利用回波信号求取波峰时单个脉冲回波抖动出现双峰值所产生的干扰，提高波峰提取的准确性，具有计算量小的优势，可实现现场快速准确计算，同时本发明通过提取多个脉冲峰值以求取声时平均值，能够有效减小采样误差，提高检测精度；

2.尤其是，本发明通过对脉冲峰值的获取方法和过滤方法进行优化，能够对超声回波信号中其他模态进行滤除，有效避免采样误差对声时求取的干扰，提高检测精度；

3.此外，本发明提供了一种利用上述方法获得的平均声时进行厚度测量的方法，该方法与基于频域分析的电磁超声测厚方法相比应用范围更广，能够适用于各种厚度的测量，并且计算方法简单，测试准确度高。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的电磁超声回波声时计算方法的流程图；

图2是本发明优选实施例中获取的空气采集的回波信号，即阻塞区信号；

图3是本发明优选实施例所获取的被测试件的回波信号；

图4是图3去掉阻塞区后的有效回波信号；

图5是图4局部信号放大图，回波信号呈现抖动现象；

图6是图4有效回波信号通过算法求取的所有递增区间过零点及其标记位置；

图7是图6局部信号放大图；

图8是通过算法求取的每两个递增区间过零点之间的谐波峰值及其标记位置；

图9是图8局部信号放大图；

图10是通过算法求取的脉冲峰值及其标记位置；

图11是给定阈值滤除其他模态峰值和噪声后的脉冲峰值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明优选实施例提供了一种电磁超声回波声时计算方法，该方法包括如下步骤：

S1利用空气采集的回波信号确定阻塞区长度，然后获取被测试件的回波信号，并根据阻塞区长度截取有效回波信号；

S2求取有效回波信号中所有递增区间过零点，并标记递增区间过零点所在位置，由于有效回波信号是以AD芯片为采样率的散点图，不存在函数意义上的零点，当波形从负值变为正值时，标记正值所在位置和幅值作为递增区间过零点，有效回波信号横轴时间序列为{X_i}，纵轴幅值序列为{Y_i}，需要满足下列不等式：

Y_i≤0，Y_i+1>0

标记满足上述条件的X_i的集合为递增区间过零点的横轴时间序列集合，记作{L_i}；

S3计算相邻两个递增区间过零点之间的最大值，以获得谐波峰值并标记其位置，谐波峰值的幅值集合{MY_i}在区间[L_i,L_i+1]上满足下列等式：

{MY_i}＝max{Y_i[L_i,L_i+1]}

标记{MY_i}对应的横轴时间序列集合{MX_i}；

S4计算步骤S3获得的一系列谐波峰值的主峰，以获得脉冲峰值；

S5根据预设阈值对步骤S4获得的脉冲峰值中的干扰峰值进行滤除，以将其他模态的峰值滤除，然后利用滤除后的脉冲峰值计算平均声时，以此完成电磁超声回波声时计算。

本发明能够有效消除回波信号求取波峰时回波信号抖动出现双峰值所产生的干扰，结合递增区间过零点和预设阈值可快速准确求取脉冲峰值，进而获得声时信息。

进一步，步骤S1包括如下子步骤：

S11获取电磁超声探头空气采集的回波信号，根据阻塞区变化特性，阻塞区信号先饱和一段时间，再振荡衰减，因此将起始时间至饱和信号幅值下降到50％及以下的时间作为阻塞区结束时间t₀；

S12获取被测试件在采样时间t₁内的回波信号，将t₀至t₁时间区间的回波信号作为有效回波信号，如图4所示，其中局部信号放大图如图5所示，回波信号呈现抖动现象。

进一步，步骤S4中，根据电磁超声信号特点，回波信号谐波峰值能量先增大后降低，呈周期性变化，谐波峰值能量最大值为脉冲峰值，因此采用滑动窗口法获得谐波峰值的主峰，具体为：若当前谐波峰值大于前n个谐波峰值，同时大于后n个谐波峰值时，则将当前谐波峰值的位置作为脉冲峰值所在位置，n≥1；为降低错误率，n的取值优选为2，即谐波峰值的幅值集合{MY_i}满足下列不等式：

MY_i≥MY_i+1,MY_i≥MY_i+2,MY_i≥MY_i-1,MY_i≥MY_i-2

满足上述条件的MY_i的集合为脉冲峰值的幅值集合，记作{MAXY_i}，标记对应的横轴时间序列集合{MAXX_i}。

进一步，步骤S5中，脉冲峰值的幅值集合{MAXY_i}满足下列不等式：

MAXY_i>Thr

其中Thr为设定的阈值，为空气采集的回波信号噪声幅值的3倍～5倍；满足上述条件的MAXY_i对应的横轴时间序列集合即为声时集合，记作{T_i}。

由于采样会存在采样误差，AD芯片不一定能够完全抓取信号波峰，获取采样时间内所有脉冲峰值，求取多个回波信号脉冲峰值平均值作为声时，能够有效减少采样误差，因此优选采用均值法计算平均声时。采用下式进行计算：

式中，T_end为滤除后的脉冲峰值中最后一个脉冲峰值的到达时间，T₁为滤除后的脉冲峰值中第一个脉冲峰值的到达时间，end为滤除后脉冲峰值的个数，end≥3。

按照本发明的另一方面，提供了上述电磁超声回波声时计算方法在厚度测量中的应用，厚度的计算公式为：

式中，d为厚度，v为被测试板中的超声波传播速度，T为平均声时。

下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。

待测试件标称厚度为45.00mm，试件材料为碳钢，该材料的横波声速为3230m/s。传感器激励电压600V，激励频率为1MHz，传感器接收线圈距离试件表面提离6mm。首先在空气中测得回波信号如图2所示，当阻塞区开始衰减，第三个谐波峰值衰减完成作为阻塞区衰减结束，对应的时间为阻塞区长度，求得时长为t₀＝0.028ms。然后在被测试件上测得回波信号如图3所示，截取得到的阻塞区长度，得到如图4所示的有效回波信号，图5为有效回波信号局部放大图，可以看出脉冲回波不是光滑的波形，会出现信号抖动和锯齿状信号，这些对声时的计算有很大影响。由此，需要一种有效滤除波形抖动的电磁超声回波声时计算方法。针对上述有效回波信号，首先求取所有递增区间过零点，由于回波信号是离散点，选取信号由负变正的过程作为过零检测，将过零的正值作为递增区间过零点，并标记递增区间过零点位置，如图6所示，图7为其效果演示局部放大图。针对上述递增区间过零点位置，求取每两个过零点之间的最大值作为谐波峰值，此方法可以有效求取谐波峰值，且滤除波形抖动的干扰，标记谐波峰值所在位置，如图8所示，图9为其局部放大图。针对上述标记谐波峰值位置，根据电磁超声信号特点，谐波峰值能量是先升后降的过程，每个谐波峰值能量最大值为谐波峰值，求取脉冲波峰的主峰，即为脉冲峰值，标记其位置，如图10所示。针对上述谐波峰值，由于电磁超声回波信号包含其他模态回波信号，但这些模态能量较低，选择一个较小的阈值，将其他模态波包峰值滤除，即可得到仅包含板厚信息的横波回波信号的脉冲峰值，根据空气中噪声幅值为0.0125V，选取倍数为4设定阈值Thr为0.05V，如图11所示。滤除采用本方法能够获取采样时间内所有脉冲峰值，求取其平均声时，可有效避免采样误差对声时求取的干扰。根据上述方法求得的声时

根据板厚求得声时

相对误差为0.09％。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1获取被测试件的回波信号，并根据阻塞区长度截取有效回波信号；

S2求取所述有效回波信号中所有递增区间过零点，并标记其位置；

S3计算相邻两个递增区间过零点之间的最大值，记为谐波峰值并标记其位置；

S4计算步骤S3获得的一系列谐波峰值的主峰，记为脉冲峰值并标记其位置；

S5根据预设阈值对步骤S4获得的脉冲峰值中的干扰峰值进行滤除，然后利用滤除后的脉冲峰值计算平均声时，以此完成电磁超声回波声时计算。

2.如权利要求1所述的电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述阻塞区长度由空气采集的回波信号确定。

3.如权利要求2所述的电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：

S11获得空气采集的回波信号，将起始时间至饱和信号幅值下降到50％及以下的时间作为阻塞区结束时间t₀；

S12获取被测试件在采样时间t₁内的回波信号，将t₀至t₁时间区间的回波信号作为有效回波信号。

4.如权利要求1所述的电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，步骤S4中，采用滑动窗口法获得谐波峰值的主峰，具体为：若当前谐波峰值大于前n个谐波峰值，同时大于后n个谐波峰值时，则将当前谐波峰值的位置作为脉冲峰值所在位置，n≥1。

5.如权利要求2所述的电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述预设阈值为空气采集的回波信号噪声幅值的3倍～5倍。

6.如权利要求1～5任一项所述的电磁超声回波声时计算方法，其特征在于，步骤S5中，利用均值法计算平均声时T，并采用下式进行计算：

式中，T_end为滤除后的脉冲峰值中最后一个脉冲峰值的到达时间，T₁为滤除后的脉冲峰值中第一个脉冲峰值的到达时间，end为滤除后的脉冲峰值的个数，end≥3。

7.如权利要求1～6任一项所述的电磁超声回波声时计算方法在厚度测量中的应用。

8.如权利要求7所述的电磁超声回波声时计算方法在厚度测量中的应用，其特征在于，厚度的计算公式为：

式中，d为厚度，v为被测试板中的超声波传播速度，T为平均声时。

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