CN114324608A - 全数字式非线性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全数字式非线性检测装置，其包括信号激励系统、收发转换系统、信号接收系统、数字控制与信号处理系统，结合DDS以及数控高压信号放大技术，实现激励信号的精细调节，调节步幅小于0.05dB，实现尽可能大的激励幅度；结合数控高压功率放大器、高压低通滤波器、高压高通滤波器等，实现单探头非线性超声检测，对回波中的次谐波、二次以及更高次谐波进行测量；采用数控低噪声信号放大器，充分放大接收信号至接近ADC模块满幅度，实现更高的信噪比；采用数字锁相放大器，可实现对特定频点任意带宽信号的分析。

Description

全数字式非线性检测装置及方法

技术领域

本发明属于检测设备领域，特别涉及一种全数字式非线性检测装置及方法。

背景技术

在石油、化工、能源和冶金等行业，存在大量的管道输送高温、高压、易燃、易爆、含放射性物质的液体，核电站中主回路的大口径管道是整个核电站的关键设备之一，关系到整个核电站的安全运营。核电站中包括多种大口径管道，这些管道大部分采用焊接连接起来的，在核电站运营过程中承受高温、高压、含放射性物质的水环境。长期在这种环境下工作会产生应力腐蚀裂纹、腐蚀、碰撞、减薄等状况。常规超声检测的是积累到一定程度的损伤，采用的是事后判断的手段，当常规超声能够检测到的时候，损伤已经发生发生到一定的程度。非线性超声能够克服常规超声的不足、有效表征材料内部微观结构的变化，有望成为一种有效的材料早期损伤的检测手段。

专利号为CN 102969996 A的中国发明专利公布了一种非线性超声检测仪模拟放大电路的实现以及其装置，所述方法与装置包括任意波形发生器、可变功率放大器、宽频超声传感器、二组多通道开关、至少二个带通滤波放大器、至少一个A/D转换器及FPGA信号整合处理单元、微处理系统、显示器，采用多次或单次激发、分频段接收采样并进行硬件补偿、最后集中整合处理的方法，弥补现有仪器之不足，获得所需超声仪的超宽频带放大能力，满足了非线性超声无损检测技术的各项硬件要求。然而，该方法主要解决了接收信号的放大器带宽不足的问题，没有解决现有非线性超声检测系统中的激励信号幅度调节步长过大、收发转换部分的畸变过大、未同时覆盖次谐波和高次谐波范围、不能灵活调节待测频点的测量带宽等问题，因此发明一款全数字控制非线性超声单探头检测系统很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种全数字式非线性检测装置，利用数控方式，对非线性超声激励信号进行精确调节，对接收信号进行量化以及数字锁相，降低单探头收发转换引起的接收信号畸变，从而降低现场应用难度，提高检测精度以及检测可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种全数字式非线性检测装置，其包括信号激励系统、收发转换系统、信号接收系统、数字控制与信号处理系统，

所述信号激励系统包括沿信号输出方向依次连接的数字化波形发生器、数控高压信号放大器、数控高压功率放大器、大功率低通滤波器，

所述数字化波形用于接受数字控制与信号处理系统产生的调制信号并发送给数控高压信号放大器，

所述数控高压信号放大器用于输出预订幅度的高压调制信号至数控高压功率放大器，

数控高压功率放大器接受高压调制信号后产生激励信号调制脉冲串并发送至高压大功率滤波器，

高压大功率滤波器滤除激励脉冲串中的二次以及更高次谐波并发送至收发转换系统；

收发转换系统包括收发一体探头、位于高压大功率滤波器和信号接收系统之间并联的高压高通滤波器和高压低通滤波器，

所述收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号，

所述高压高通滤波器和高压低通滤波器均在接收到高压激励脉冲串后对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，所述高压高通滤波器的特征频率/激励脉冲基频频率的比值高于高压低通滤波器的特征频率/激励脉冲基频频率的比值。

优化的，所述信号接收系统包括数控低噪声信号放大器模块和ADC模块，所述数控低噪声信号放大器模块包含至少2个数控低噪声信号放大器，分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大，ADC模块，包含至少2路ADC模块通道，分别对高压高通滤波器、高压低通滤波器对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化。

优化的，所述数字控制与信号处理系统包括FPGA控制模块、11 DSP等信号处理与通信模块，FPGA控制模块、11 DSP等信号处理与通信模块分别对系统时序进行控制。

优化的，高压大功率滤波器为10阶Butterwurth低通滤波器，由耐大电流的空芯线绕电感以及耐高电压的云母电容组成，特征频率为激励脉冲的基频频率。

优化的，所述收发一体探头为宽带探头标称频率为激励脉冲基频频率的1-2倍。

优化的，高压高通滤波器为10阶Butterwurth高通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的2倍。

进一步的，高压高通滤波器所述对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器的信号幅度不超过1Vpp。

优化的，高压低通滤波器为10阶Butterwurth高通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的1/4-1倍。

进一步的，高压低通滤波器所述对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器的信号幅度不超过1Vpp。

优化的，所述ADC模块的采样频率不低于待测频点频率的12倍，ADC模块采样分辨率不低于12Bit；ADC模块由FPGA控制模块、DSP等信号处理与通信模块进行控制，采样数据存贮于FPGA或者附属的存贮器中

本发明还提供了一种基于上述全数字式非线性检测装置的检测方法，它包括以下步骤：

由数字化波形发生器产生幅度、频率精细可调的调制信号；所述调制信号发送到数控高压信号放大器，数控高压信号放大器输出预订幅度的高压调制信号；数控高压信号放大器输出的高压调制信号发送到数控高压功率放大器，产生足够大的激励电流，即激励信号具有足够的激励功率；数控高压功率放大器在产生激励信号调制脉冲串后，由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制，处于回波接收状态，输出阻抗为高阻；高压大功率滤波器滤除激励脉冲中的二次以及更高次谐波；

收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号；高压高通滤波器或高压低通滤波器接收到高压激励脉冲串，对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制；数控低噪声信号放大器模块分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大；

ADC模块分别对高压高通滤波器、高压低通滤波器对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化并采样；ADC模块由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制；ADC模块的采样数据存贮于FPGA或者附属的存贮器中；FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统分别对系统时序进行控制；在数字控制与信号处理器件上实现数字锁相放大器，使用梳状滤波器进行低通滤波以及数据抽取、使用Butterwurth补偿滤波器补偿梳状滤波器的增益损失、使用半波滤波器进一步降低有效带宽以满足设定带宽的信号检波，降低信号处理的运算量；数字控制与通信部分将所测回波波形以及频谱分析数据发送给显示系统。

优化的，ADC模块采样起始时间早于检测回波到达时间，采样时间包含整个检测脉冲时间；对采样数据的处理包含FIR低通滤波、指定为基频、二次谐波、次谐波等特定频点的数字锁相处理。

本发明的有益效果在于：

1.结合DDS以及数控高压信号放大技术，实现激励信号的精细调节，调节步幅小于0.05dB，实现尽可能大的激励幅度；

2.结合数控高压功率放大器、高压低通滤波器、高压高通滤波器等，实现单探头非线性超声检测，对回波中的次谐波、二次以及更高次谐波进行测量；

3.采用数控低噪声信号放大器，充分放大接收信号至接近ADC模块满幅度，实现更高的信噪比；

4.采用数字锁相放大器，可实现对特定频点任意带宽信号的分析。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图中：1、数字化波形发生器；2、数控高压信号放大器；3、数控高压功率放大器；4、高压大功率滤波器；5、收发一体探头；6、高压高通滤波器；7、高压低通滤波器；8、数控低噪声信号放大器模块；9、ADC模块；10、FPGA控制模块；11、DSP等信号处理与通信模块。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：

如图1所示，全数字式非线性检测装置，其包括信号激励系统、收发转换系统、信号接收系统、数字控制与信号处理系统，所述信号激励系统包括沿信号输出方向依次连接的数字化波形发生器、数控高压信号放大器、数控高压功率放大器、大功率低通滤波器，收发转换系统包括收发一体探头、位于高压大功率滤波器和信号接收系统之间并联的高压高通滤波器和高压低通滤波器，所述信号接收系统包括数控低噪声信号放大器模块和ADC模块，所述数字控制与信号处理系统包括FPGA控制模块、11 DSP等信号处理与通信模块。

各模块连接关系及工作原理如下：

由数字化波形发生器1产生幅度、频率精细可调的调制信号，该调制信号的幅度、频率以及调制方式由 FPGA控制模块10、DSP等信号处理与通信模块11计算产生并发送给数字化波形发生器1。

该调制信号发送到数控高压信号放大器2，该数控高压信号放大器的放大倍率由FPGA控制模块10 、DSP等信号处理与通信模块11进行设置，数控高压信号放大器输出预订幅度的高压调制信号。

数控高压信号放大器2输出的高压调制信号发送到数控高压功率放大器3，产生足够大的激励电流，即激励信号具有足够的激励功率。

数控高压功率放大器3在产生激励信号调制脉冲串后，由 FPGA控制模块10、DSP等信号处理与通信模块11进行控制，处于回波接收状态，输出阻抗为高阻。

高压大功率滤波器4滤除激励脉冲中的二次以及更高次谐波，其为阶Butterwurth低通滤波器10，由耐大电流的空芯线绕电感以及耐高电压的云母电容组成，特征频率为激励脉冲的基频频率。

收发一体探头5为宽带探头，标称频率为激励脉冲基频频率的1.5倍左右；收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号。

高压高通滤波器6连接于高压大功率滤波器4、收发一体探头5和数控低噪声信号放大器模块8之间，其结构为10阶Butterwurth高通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的2倍；其接收到高压激励脉冲串，对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器8的信号幅度不超过1Vpp。

高压低通滤波器7连接于高压大功率滤波器4、收发一体探头5和数控低噪声信号放大器模块8之间，其结构为10阶Butterwurth低通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的1/2；其接收到高压激励脉冲串，对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器8的信号幅度不超过1Vpp。

数控低噪声信号放大器模块8包含至少2个数控低噪声信号放大器，分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大，使得低噪声信号放大器满足后续ADC模块的输入范围；放大倍率由FPGA控制模块10、DSP等信号处理与通信模块11进行控制。

ADC模块9，包含至少2路ADC模块通道，分别对高压高通滤波器6、高压低通滤波器7对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化；ADC模块采样频率不低于待测频点频率的12倍，ADC模块采样分辨率不低于12Bit；ADC模块由FPGA控制模块10、DSP等信号处理与通信模块11进行控制，采样数据存贮与FPGA或者附属的存贮器中。

FPGA控制模块10、DSP等信号处理与通信模块11分别对系统时序进行控制；在数字控制与信号处理器件上实现数字锁相放大器，使用梳状滤波器进行低通滤波以及数据抽取、使用Butterwurth补偿滤波器补偿梳状滤波器的增益损失、使用半波滤波器进一步降低有效带宽以满足设定带宽的信号检波，降低信号处理的运算量；数字控制与通信部分将所测回波波形以及频谱分析数据发送给显示系统，供检测人员进行分析判断。

基于上述全数字式非线性检测装置的检测方法，它包括以下步骤：

由数字化波形发生器产生幅度、频率精细可调的调制信号；所述调制信号发送到数控高压信号放大器，数控高压信号放大器输出预订幅度的高压调制信号；数控高压信号放大器输出的高压调制信号发送到数控高压功率放大器，产生足够大的激励电流，即激励信号具有足够的激励功率；数控高压功率放大器在产生激励信号调制脉冲串后，由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制，处于回波接收状态，输出阻抗为高阻；高压大功率滤波器滤除激励脉冲中的二次以及更高次谐波；

收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号；高压高通滤波器或高压低通滤波器接收到高压激励脉冲串，对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制；数控低噪声信号放大器模块分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大；

ADC模块分别对高压高通滤波器、高压低通滤波器对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化并采样；ADC模块由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制；ADC模块的采样数据存贮于FPGA或者附属的存贮器中；FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统分别对系统时序进行控制；在数字控制与信号处理器件上实现数字锁相放大器，使用梳状滤波器进行低通滤波以及数据抽取、使用Butterwurth补偿滤波器补偿梳状滤波器的增益损失、使用半波滤波器进一步降低有效带宽以满足设定带宽的信号检波，降低信号处理的运算量；数字控制与通信部分将所测回波波形以及频谱分析数据发送给显示系统；

需要注意的是：ADC模块采样起始时间早于检测回波到达时间，采样时间包含整个检测脉冲时间；对采样数据的处理包含FIR低通滤波、指定为基频、二次谐波、次谐波等特定频点的数字锁相处理。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种全数字式非线性检测装置，其包括信号激励系统、收发转换系统、信号接收系统、数字控制与信号处理系统，其特征在于：

所述信号激励系统包括沿信号输出方向依次连接的数字化波形发生器、数控高压信号放大器、数控高压功率放大器、大功率低通滤波器，

所述数字化波形用于接受数字控制与信号处理系统产生的调制信号并发送给数控高压信号放大器，

所述数控高压信号放大器用于输出预订幅度的高压调制信号至数控高压功率放大器，

数控高压功率放大器接受高压调制信号后产生激励信号调制脉冲串并发送至高压大功率滤波器，

高压大功率滤波器滤除激励脉冲串中的二次以及更高次谐波并发送至收发转换系统；

收发转换系统包括收发一体探头、位于高压大功率滤波器和信号接收系统之间并联的高压高通滤波器和高压低通滤波器，

所述收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号，

所述高压高通滤波器和高压低通滤波器均在接收到高压激励脉冲串后对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，所述高压高通滤波器的特征频率/激励脉冲基频频率的比值高于高压低通滤波器的特征频率/激励脉冲基频频率的比值。

2.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：所述信号接收系统包括数控低噪声信号放大器模块和ADC模块，所述数控低噪声信号放大器模块包含至少2个数控低噪声信号放大器，分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大，ADC模块，包含至少2路ADC模块通道，分别对高压高通滤波器、高压低通滤波器对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化。

3.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：所述数字控制与信号处理系统包括FPGA控制模块、DSP等信号处理与通信模块，FPGA控制模块、DSP等信号处理与通信模块分别对系统时序进行控制。

4.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：高压大功率滤波器为10阶Butterwurth低通滤波器，由耐大电流的空芯线绕电感以及耐高电压的云母电容组成，特征频率为激励脉冲的基频频率。

5.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：所述收发一体探头为宽带探头标称频率为激励脉冲基频频率的1-2倍。

6.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：高压高通滤波器为10阶Butterwurth高通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的2倍。

7.根据权利要求6所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：高压高通滤波器所述对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器的信号幅度不超过1Vpp。

8.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：高压低通滤波器为10阶Butterwurth高通滤波器，特征频率为激励脉冲基频频率的1/4-1倍。

9.根据权利要求8所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：高压低通滤波器所述对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制，抑制比例介于50~70dB之间，使得进入数控低噪声信号放大器的信号幅度不超过1Vpp。

10.根据权利要求1所述的全数字式非线性检测装置，其特征在于：所述ADC模块的采样频率不低于待测频点频率的12倍，ADC模块采样分辨率不低于12Bit；ADC模块由FPGA控制模块、DSP等信号处理与通信模块进行控制，采样数据存贮于FPGA或者附属的存贮器中。

11.一种基于权利要求1-10中任一所述全数字式非线性检测装置的检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

由数字化波形发生器产生幅度、频率精细可调的调制信号；所述调制信号发送到数控高压信号放大器，数控高压信号放大器输出预订幅度的高压调制信号；数控高压信号放大器输出的高压调制信号发送到数控高压功率放大器，产生足够大的激励电流，即激励信号具有足够的激励功率；数控高压功率放大器在产生激励信号调制脉冲串后，由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制，处于回波接收状态，输出阻抗为高阻；高压大功率滤波器滤除激励脉冲中的二次以及更高次谐波；

收发一体探头收到激励脉冲串驱动，发射出高振幅单频超声信号，发射完成后收发一体探头进入接收模式，接收待测材料边界的反射回波信号；高压高通滤波器或高压低通滤波器接收到高压激励脉冲串，对高压激励脉冲串中的基频信号进行抑制；数控低噪声信号放大器模块分别对高于激励脉冲基频频率的接收信号和低于激励脉冲基频频率的接收信号进行放大；

ADC模块分别对高压高通滤波器、高压低通滤波器对应的数控低噪声信号放大器输出进行量化并采样；ADC模块由FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统进行控制；ADC模块的采样数据存贮于FPGA或者附属的存贮器中；FPGA控制系统、DSP等信号处理与通信系统分别对系统时序进行控制；在数字控制与信号处理器件上实现数字锁相放大器，使用梳状滤波器进行低通滤波以及数据抽取、使用Butterwurth补偿滤波器补偿梳状滤波器的增益损失、使用半波滤波器进一步降低有效带宽以满足设定带宽的信号检波，降低信号处理的运算量；数字控制与通信部分将所测回波波形以及频谱分析数据发送给显示系统。

12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于：ADC模块采样起始时间早于检测回波到达时间，采样时间包含整个检测脉冲时间；对采样数据的处理包含FIR低通滤波、指定为基频、二次谐波、次谐波等特定频点的数字锁相处理。

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