CN113933398A - 一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，包括：利用阻抗分析仪得到电磁超声传感器在不同频率下的阻抗‑频率曲线；建立电磁超声传感器使用时等效模型，得到电磁超声传感器中等效电阻Req、电容Ceq、电感Leq的参数范围；基于所述电磁超声传感器使用时等效模型中的电阻Req、电容Ceq、电感Leq参数范围，优化电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0和激励电容C0，实现电磁超声传感器激励时的最大峰值电流Ipp和振荡角频率ω的调优，实现电磁超声传感器的在待测金属上的良好驱动和激发。本发明通过阻抗分析法，实现传感器驱动优化，易于实施，且结果可靠，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁超声传感器驱动优化方法。特别是涉及一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法。
背景技术
与传统的压电超声无损检测技术相比，电磁超声检测技术具有非耦合、直接在金属表面激发声波的特性。RLC振荡激励电路与功放激励电路相比，具有驱动电路复杂度低、体积小、能耗低的优点，广泛用作电磁超声传感器的激励。
现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利CN206489125U公开了一种高功率电磁超声激励电路，该方法设计激励电路时，没有将传感本身的阻抗-频率特性考虑在内，以及设计激励电路时没有将传感器使用过程中不同金属表面，不同提离带来的阻抗范围变化考虑在内。同时高功率功放电路结构复杂，额外损耗较大，难以用于便携式检测装置中传感器的驱动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现传感器在金属表面的良好激发效果的基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，包括如下步骤：
1)利用阻抗分析仪对电磁超声传感器耦合在不同待测金属表面、不同提离下的阻抗进行测量得到电磁超声传感器在不同频率下的阻抗-频率曲线；
2)基于所述阻抗-频率曲线，建立电磁超声传感器使用时等效模型，通过电磁超声传感器使用时等效模型及非线性回归拟合法得到电磁超声传感器中等效电阻Req、电容Ceq、电感Leq的参数范围；
3)基于所述电磁超声传感器使用时等效模型中的电阻Req、电容Ceq、电感Leq参数范围，优化电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0和激励电容C0，实现电磁超声传感器激励时的最大峰值电流Ipp和振荡角频率ω的调优，实现电磁超声传感器的在待测金属上的良好驱动和激发。
本发明的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，通过阻抗分析法，实现传感器驱动优化，易于实施，且结果可靠，适用性强。本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过阻抗分析法，解决了针对不同的电磁超声传感器设计RLC激励电路参数的问题。
2.本发明提出的等效模型结合阻抗-频率曲线非线性回归拟合法，将传感器内部的线圈阻抗、导电结构耦合反射阻抗归一到等效模型中，考虑到了传感器结构，以及金属材质电导率不同、传感器提离距离改变带来的传感器阻抗-频率曲线的变化，与实际检测对象相结合，设计方法更合理、精确。
3.本发明采用的RLC激励电路为常见的激发电路，与功放激励电路相比所用电子元件数量少，且成本较低、易于获得。
4.本发明所提供的检测方法流程简单，方便施行，应用范围较广，有利于推广应用，可以适用于多种类型声波激发的电磁超声传感器。
附图说明
图1是发明一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法的流程图；
图2是采用本发明的方法对待测金属材质试件进行检测的结构示意图；
图3是本发明的电磁超声传感器使用时等效模型示意图；
图4是本发明实施例中阻抗分析仪采集到的不同阻抗-频率曲线图；
图5是本发明的电磁超声传感器使用时等效模型并入RLC激励电路的电路图；
图6是本发明的电磁超声传感器使用时等效模型并入RLC激励电路中的电流示意图；
图7是本发明中的电磁超声传感器的信号图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法做出详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，包括如下步骤：
1)利用阻抗分析仪对电磁超声传感器耦合在不同待测金属材质试件表面、不同提离下的阻抗进行测量得到电磁超声传感器在不同频率下的阻抗-频率曲线；包括：将所述电磁超声传感通过信号线与阻抗分析仪相连接，利用阻抗分析仪对电磁超声传感器在不同金属材质、不同提离下的阻抗进行扫频测量，最终得到所述电磁超声传感器在不同金属表面、不同材质下的阻抗-频率曲线。
如图2所示，将所述电磁超声传感器3通过信号线2与阻抗分析仪1相连接，利用非金属薄片调整电磁超声传感器3底面与待测金属材质试件5的表面的距离，具体距离范围为实际测量使用时的电磁超声传感器3的提离距离，本发实施例中选取的为0～2.5mm区间，通过阻抗分析仪1扫频测量传感器工作频率范围内的如图4所示的阻抗-频率曲线，一般为1～5MHz。
2)基于所述阻抗-频率曲线，建立电磁超声传感器使用时等效模型，具体地，建立如图3所示的电磁超声传感器使用时等效模型，具体为电容支路与电阻、电感支路相并联的模型，将激励线圈工作时与电磁超声传感器周围的待测金属材质试件耦合产生的互感阻抗等效到电磁超声传感器使用时等效模中。
通过电磁超声传感器使用时等效模型及非线性回归拟合法得到电磁超声传感器中等效电阻Req、电容Ceq、电感Leq的参数范围；所述的电磁超声传感器使用时等效模型如下：
式中，Zeq为电磁超声传感器使用时的等效阻抗，
为电磁超声传感器使用时的交流复阻抗，Req为电磁超声传感器使用时的等效电阻，Leq为电磁超声传感器使用时的等效电感，Ceq为电磁超声传感器使用时的等效电容，ω为阻抗分析仪的测量频率。
将电磁超声传感器工作驱动时，电磁超声传感器测得的反射阻抗中的电感、电阻、电容等效到电磁超声传感器使用时等效模型中。
3)基于所述电磁超声传感器使用时等效模型中的电阻Req、电容Ceq、电感Leq参数范围，优化如图5所示的电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0和激励电容C0，实现电磁超声传感器激励时的最大峰值电流Ipp和振荡角频率ω的调优，实现电磁超声传感器的在待测金属材质试件上的良好驱动和激发。是将所述电磁超声传感器使用时等效模型中的等效电阻、电容、电感并联在电磁超声传感器RLC激励电路中，根据电磁超声传感器RLC激励电路在单位脉冲激励下自由振荡响应递函数，以及根据不同待测金属材质试件表面、不同提离下的电阻、电容、电感的数值范围，调节所述电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0、激励电容C0，从而实现激励的最大振荡峰值电流Ipp和最大振荡频率ω0设计，进一步驱动电磁超声传感器实现在待测金属材质试件表面良好的检测效果。
根据电流-时间响应规律，以及如图5所示电流峰值Ipp，振荡周期T指标，选取电磁超声传感器RLC激励电路中最优元件参数，设计电磁超声传感器RLC激励电路，驱动电磁超声传感器得到图6所示的电磁超声检测信号。
下机以一个具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
在使用本发明的基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方中包括：磁铁直径为40mm、线圈直径为35mm、线圈与磁铁之间有隔离层、线圈下面有保护层、传电磁超声感器外部为铝合金外壳、上端为BNC接线口，选取的金属材质试件为45#钢。
首先，利用阻抗分析仪，根据电磁超声传感器工作高度范围区间，测量电磁超声传感器在钢板表面0～2.5mm提离范围，200Hz～5MHz范围内的阻抗-频率曲线，具体的包括：
如图2所示，将电磁超声传感器放在钢板上，在0～2.5mm内，提离间隔为0.5mm，待电磁超声传感器稳定后，使阻抗分析仪以1V的电压恒压驱动，设置测量范围为200Hz～5MHz，扫描得到测量频率一定提离下的电磁超声传感器阻抗-频率曲线，改变提离高度，进行下一次测量，最终得到5条阻抗-频率曲线。
随后，利用图3中的等效电路模型，分别对各条曲线进行非线性拟合，得到等效电路模型中的参数范围，具体包括：
将单条阻抗-频率曲线中的代入本发明的的电磁超声传感器使用时等效模型中，采用常用的遗传算法、神经网络等函数拟合算法对等效模型进行非线性回归拟合求解，得到电磁超声传感器使用时等效模型中的等效电阻Req、电容Ceq、电感Leq的数值，进一步对不同曲线进行求解等效电阻Req、电容Ceq，电感Leq，本实施例中得到的等效电阻Req为6.5Ω～9.2Ω，电容Ceq为1.4×10-10～1.9×10-10F，电感Leq为4.7×10-6～5.2×10-6H，根据0mm下的曲线拟合结果可以发现，拟合残差为0.9996，仅在200～300kHz范围内存在一定的拟合误差，与模型一致。
随后，利用图5所示电路，选取最优激励电阻R0、最优激励电容C0，具体地包括：
本实施例中选取的电容放电电压为500V，结合上一步得到的电磁超声传感器使用时等效模型中参数范围，通过SIMLINK、PSPICE等电路仿真计算软件，调整激励电阻R0，、激励电容C0大小，对RLC激励电路中的电流进行计算，根据电流曲线，选取激励电阻R0为300Ω，激励电容C0为1×108F，电流响应曲线中，最大峰值电流为6A，激励频率为700kHz。
最后，根据所得到的激励电路参数，设计RLC激励电路驱动电磁超声传感器，得到图6所示的电磁超声信号，回波间隔为7us，测得金属板材厚度为10mm。
发明提供了一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，基于电磁超声传感器在本身的阻抗-频率特性，以及电磁超声传感器在不同待测金属材质试件表面，不同提离下耦合时的阻抗-频率特性，研究并设计了一种合理、针对性强、参数精确的电磁超声传感器驱动电路设计方法。根据电磁超声传感器的特性建立合理的等效电路模型，结合仪器测量得到的电磁超声传感器的阻抗-频率曲线，得到电磁超声传感器的等效元件具体参数值及其范围，进一步地，通过SIMLINK、PSPICE等电路仿真计算软件对激励电路电流大小进行计算，设计出RLC激励电路中最优电阻和电容以及开关间隔时间参数，最终得到激励电路设计参数，实现电磁超声传感器在金属表面的良好激发效果，本发明易于实施，且结果可靠，适用性强。且本发明所提供的驱动优化方法仅仅针对线圈阻抗与激励电路的关系，适用于不同波型电磁超声传感器的驱动电路优化设计，具有较广的适用范围和应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (5)
1.一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用阻抗分析仪对电磁超声传感器耦合在不同待测金属表面、不同提离下的阻抗进行测量得到电磁超声传感器在不同频率下的阻抗-频率曲线；
2)基于所述阻抗-频率曲线，建立电磁超声传感器使用时等效模型，通过电磁超声传感器使用时等效模型及非线性回归拟合法得到电磁超声传感器中等效电阻Req、电容Ceq、电感Leq的参数范围；
3)基于所述电磁超声传感器使用时等效模型中的电阻Req、电容Ceq、电感Leq参数范围，优化电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0和激励电容C0，实现电磁超声传感器激励时的最大峰值电流Ipp和振荡角频率ω的调优，实现电磁超声传感器的在待测金属上的良好驱动和激发。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，其特征在于，步骤1)包括：将所述电磁超声传感器通过信号线与阻抗分析仪相连接，利用阻抗分析仪对电磁超声传感器在不同金属材质、不同提离下的阻抗进行扫频测量，最终得到所述电磁超声传感器在不同金属表面、不同材质下的阻抗-频率曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，其特征在于，步骤2)所述的电磁超声传感器使用时等效模型如下：
式中，Zeq为电磁超声传感器使用时的等效阻抗，
为电磁超声传感器使用时的交流复阻抗，Req为电磁超声传感器使用时的等效电阻，Leq为电磁超声传感器使用时的等效电感，Ceq为电磁超声传感器使用时的等效电容，ω为阻抗分析仪的测量频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，其特征在于，将电磁超声传感器工作驱动时，电磁超声传感器测得的反射阻抗中的电感、电阻、电容等效到电磁超声传感器使用时等效模型中。
5.根据权利要求1所述的一种基于阻抗分析法的电磁超声传感器驱动优化方法，其特征在于，步骤3)是将所述电磁超声传感器使用时等效模型中的等效电阻、电容、电感并联在电磁超声传感器RLC激励电路中，根据电磁超声传感器RLC激励电路在单位脉冲激励下自由振荡响应递函数，以及根据不同待测金属表面、不同提离下的电阻、电容、电感的数值范围，调节所述电磁超声传感器RLC激励电路中的激励电阻R0、激励电容C0，从而实现激励的最大振荡峰值电流Ipp和最大振荡频率ω0设计，进一步驱动电磁超声传感器实现在待测金属表面良好的检测效果。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113933398B (zh) | 2024-03-15 |
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