CN116592988B - 面内全向波动场矢量探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种面内全向波动场矢量探测系统，涉及电磁超声探测技术领域。该系统包括：矢量电磁超声传感子系统，用于同时检测被测位置N个方向上的感应信号，所述感应信号是所述被测位置的面内全向波动场在偏置磁场的作用下形成的，N为大于或等于2的正整数；信号传输与处理子系统，其输入与所述矢量电磁超声传感子系统连接，用于对所述矢量电磁超声传感子系统检测到的感应信号进行传输和处理；矢量接收解析子系统，与所述信号传输子系统连接，用于接收和解析所述感应信号，并确定所述被测位置的面内全向波动场。通过本申请的面内全向波动场矢量探测系统，可实现面内全向波动场的探测，有效缩小接收器换能面积，提高波动场测量分辨率。

Description

面内全向波动场矢量探测系统

技术领域

本申请涉及电磁超声探测技术领域，具体涉及一种面内全向波动场矢量探测系统。

背景技术

固体中传播的波动场测量是声学换能器辐射声场测量、超声波探伤等领域的关键。波动场测量传感器主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、激光测振器及电磁超声传感器等，传统的传感器往往只能接收换能区的合成声压，不具有矢量振动场探测功能。

如压电传感器和磁致伸缩传感器受限于其换能效应及结构，往往只能获得一个面上的声压，另外一些强指向性的换能器中，往往只能测得某个方向的波动场信息，很难采集到被测点处波动场的矢量振动信息，特别是当这种振动方向为时变多向状态或是在测量区域的各测量点振动方向不一致时。另外受到耦合剂的影响，在大面积的波动场测量中，压电传感器和磁致伸缩传感器较难获得对各测量点良好的一致性。

三维激光测振仪采用三个激光测振头协同测量，可以获得每一个被测点三维振动时的位移/速度信息，且能便捷地进行大面积扫描探测，在面内全向波动场探测中有较大优势，但其成本高昂，且由于其复杂的机电控制系统，对使用环境要求高，主要在室内环境使用，在操作环境多样化的超声波深伤工程现场不便使用。

电磁超声传感器由于免耦合剂特点，在波动场探测中具有极好的可重复性和一致性，在辐射声场测量和超声波探伤中有重要应用。然而传统的电磁超声传感器，主要采用单一的环形线圈、蝶形线圈、跑道线圈、回折线圈、排线线圈等结构，在探测波动场时，不能获得测量点的矢量振动场信息。由于测量点振动方向未知，测量设置中电磁超声线型探测元（特别是蝶形线圈、跑道线圈、回折线圈、排线线圈等有方向的线圈）与测量点实际振动方向呈现随机的夹角，如果执行波动场扫查测量，将得到与实际声场差异极大的测量结果，使得测量方法不可行。此外，现有电磁超声换能器受限于线圈回路结构，换能面积较大（一般不小于直径5mm），难以实现高分辨率的波动场测量。

发明内容

为了克服现有的波动场测量传感器存在的上述种种问题，本申请提供一种面内全向波动场矢量探测系统，该系统包括：

矢量电磁超声传感子系统，用于同时检测被测位置N个方向上的感应信号，所述感应信号是所述被测位置的面内全向波动场在偏置磁场的作用下形成的，N为大于或等于2的正整数；

信号传输与处理子系统，其输入与所述矢量电磁超声传感子系统连接，用于对所述矢量电磁超声传感子系统检测到的感应信号进行传输和处理；

矢量接收解析子系统，与所述信号传输子系统连接，用于接收和解析所述感应信号，并确定所述被测位置的面内全向波动场。

在一实施例中，所述矢量电磁超声传感子系统包括矢量电磁超声传感器；

所述矢量电磁超声传感器包括N个传感单元，分别用于检测所述N个方向上的感应信号。

在一实施例中，所述矢量电磁超声传感子系统还包括第一信号调理器；

所述第一信号调理器用于对所述矢量电磁超声传感器检测到的N个感应信号分别进行放大、滤波和阻抗匹配。

在一实施例中，所述信号传输与处理子系统包括通道切换器；

所述通道切换器包括M个输入接口和一个输出接口；

其中，M个所述输入接口中的N个输入接口分别与所述矢量电磁超声传感子系统连接，并分别用于接收所述矢量电磁超声传感子系统检测到的N个感应信号；

所述输出接口与所述矢量接收解析子系统连接，用于将接收到的N个所述感应信号中的一个感应信号输出至所述矢量接收解析子系统；

其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。

在一实施例中，所述信号传输与处理子系统还包括第二信号调理器；

所述第二信号调理器为单通道接收信号调理器，其包括一个输入通道，与所述通道切换器的所述输出接口连接，用于接收所述通道切换器输出的感应信号。

在一实施例中，所述信号传输与处理子系统包括多通道连接器；

所述多通道连接器包括M个输入接口以及与各所述输入接口一一对应的M个输出接口；

其中，M个所述输入接口中的N个输入接口与所述矢量电磁超声传感子系统连接，分别用于接收所述矢量电磁超声传感子系统检测到的N个感应信号之一；

M个所述输出接口中与所述N个输入接口对应的N个输出接口分别与所述矢量接收解析子系统连接，用于同时将接收到的N个所述感应信号中的一个感应信号输出至所述矢量接收解析子系统；

其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。

在一实施例中，所述信号传输与处理子系统包括还包括第三信号调理器；

所述第三信号调理器为多通道并行接收信号调理器，其包括L个输入通道；

其中，L个所述输入通道中的N个输入通道与所述多通道连接器的所述N个输出接口一一对应连接，用于同时接收所述多通道连接器输出的N个感应信号；

其中，L≥N，L、N均为大于或等于2的正整数。

在一实施例中，所述矢量接收解析子系统包括上位机；

所述上位机中包括软件程序，所述软件程序被执行时对接收到的感应信号进行存储、显示和信号解析处理。

在一实施例中，所述矢量接收解析子系统还包括第四信号调理器；

所述第四信号调理器用于对所述矢量电磁超声传感器检测到的N个感应信号分别进行放大和滤波。

在一实施例中，所述面内全向波动场矢量探测系统还包括：

特定表面扫查装置，所述矢量电磁超声传感子系统固定设置于所述特定表面扫查装置上；

所述特定表面扫查装置用于带动所述矢量电磁超声传感子系统移动，实现对被测表面的扫查。

本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统，利用矢量电磁超声传感子系统同时探测被测位置多个不同方向上的感应势场分量，并通过信号传输与处理子系统对感应势场分量进行传输和信号调理，以便矢量接收解析子系统对感应势场分量进行解析，进而实现对被测位置面内超声波振动矢量的探测，及全域各点矢量振动分布图的扫描探测。本申请的面内全向波动场矢量探测系统极大地提高了全向波动场测量分辨率，因此可获得高分辨率的波动场矢量振动分布图，有利于提高解析结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的一种方框图。

图2为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的另一种方框图。

图3A为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的一种连接示意图。

图3B为本申请提供的矢量电磁超声传感器与信号传输器的一种连接示意图。

图3C为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的另一种连接示意图。

图4为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的另一种方框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下将通过实施例对本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统进行具体的阐述。

图1为本申请提供的面内全向波动场矢量探测系统的一种示意图。如图1所示，该面内全向波动场矢量探测系统100包括矢量电磁超声子系统1、信号传输与处理子系统2以及矢量接收解析子系统3。

矢量电磁超声传感子系统1包括矢量电磁超声传感器11，参见图2。该矢量电磁超声传感器具有多个传感单元，例如具有N个传感单元，N为大于或等于2的正整数。当矢量电磁超声传感子系统1位于被测位置正上方时，该N个传感单元分别用于检测被测位置N个不同方向上的感应信号。此外，矢量电磁超声传感子系统1还具有信号输出接口，用于将N个传感单元检测到的感应信号输出至信号传输与处理子系统2。

其中，本申请的被测位置为被测物体表面，例如固体金属材料表面，该表面可以是平面或曲面。矢量电磁超声传感器的传感单元检测到的感应信号为被测位置的面内全向波动场在外置的偏置磁场的作用下形成的感应势场的分量。矢量电磁超声传感器通过N个传感单元同时检测被测位置N个不同方向上的感应信号，即感应势场分量。本申请中，外置的偏置磁场例如传感器设置的偏置磁场。

信号传输与处理子系统2的输入端与矢量电磁超声传感子系统1的输出端连接，信号传输与处理子系统2的输出端与矢量接收解析子系统3的输入端连接。信号传输与处理子系统2用于将矢量电磁超声传感子系统1检测到的感应信号传输至矢量接收解析子系统3。

矢量接收解析子系统3通过其接收通道以及信号传输与处理子系统2接收矢量电磁超声传感子系统1检测到的感应信号，并对该感应信号进行解析，确定所述被测位置的面内全向波动场。

根据上述实施例，本申请的面内全向波动场矢量探测系统，利用矢量电磁超声传感子系统同时探测被测位置多个不同方向上的感应势场分量，并通过信号传输与处理子系统对该感应势场分量进行传输和信号调理，以便矢量接收解析子系统对该感应势场分量进行解析，进而实现对被测位置面内超声波振动矢量的探测，及全域各点矢量振动分布图的扫描探测。本申请的面内全向波动场矢量探测系统极大地提高了全向波动场测量分辨率，因此可获得高分辨率的波动场矢量振动分布图，有利于提高解析结果的准确性。

在一些实施例中，如图2所示，该矢量接收解析子系统3包括上位机31。上位机31的输入端与信号传输与处理子系统2的输出端连接。上位机31中包括软件程序，软件程序被执行时实现对接收到的感应信号的存储、显示和信号处理。

例如，上位机31中的软件程序被执行时实现如下功能：记录从矢量电磁超声传感器的信号接口接收到的各个感应信号；提取各感应信号的幅值和相位；对所有感应信号进行相位调整，并对相位调整后的各感应信号进行求和，得到一待校准感应势场；根据各感应信号中的两个感应信号确定感应势场的方位信息；基于该方位信息对所述待校准感应势场进行全向一致性校准；基于矢量电磁超声传感器中各传感单元的检测方向信息以及各传感单元检测到的感应信号的相位与幅值信息解析被测点的面内振动方向与幅值，得到被测点的面内矢量振动探测结果。

在一些实施例中，如图2所示，信号传输与处理子系统2包括相互连接的信号传输器21和信号调理器22。

在一些实施例中，信号传输器21采用通道切换器。

通道切换器包括M个输入接口和一个输出接口；M个输入接口中的N个输入接口与矢量电磁超声传感器11的N个传感单元的输出端一一对应连接，分别用于接收矢量电磁超声传感器11的N个传感单元检测到的感应信号，其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。通道切换器的输出接口与信号调理器22（第二信号调理器）的输入端连接。

信号调理器22用于接收并调理矢量电磁超声传感器11检测到的感应信号，例如对该感应信号进行放大、滤波等信号调理操作。由于通道切换器只有一个输出接口，因此一次只能将矢量电磁超声传感器11的N个传感单元中的一个传感单元检测到的感应信号输出信号调理器22进行调理，并将经信号调理器22调理后的感应信号传输至矢量接收解析子系统3。

例如，如图3A所示，信号传输器21为通道切换器211，其包括N个输入接口和一个输出接口。各输入接口分别与输出接口连接，形成N个信号传输通道CH 1~CHN，系统运作时，N个信号传输通道CH 1~CHN按预设规则连通，且同一时刻仅有一个信号传输通道连通。

通道切换器211的N个输入接口分别与矢量电磁超声传感器11的N个传感单元一一对应连接。例如，如图3B所示，矢量电磁超声传感器的传感单元为缠绕于支架上的线圈，图3B中示出了10个传感单元A~J，每个传感单元（线圈）都包括引线，通道切换器211的N个输入接口分别与不同的传感单元的引线连接。图3B中，每个传感单元（线圈）之间呈一定的夹角，以检测被测位置不同方向上的感应信号。

与通道切换器211对应，信号调理器22可采用单通道接收信号调理器（第二信号调理器）。

请继续参见图3A，单通道接收信号调理器221包括一个输入通道，与通道切换器211的输出接口连接，用于接收通道切换器21输出的感应信号。需要说明的是，由于通道切换器211同一时刻只有一个信号传输通道连通，因此，单通道接收信号调理器221同一时刻只能接收到矢量电磁超声传感器1的一个传感单元检测的感应信号；当矢量电磁超声传感器1的各传感单元连接的信号传输通道依次导通时，单通道接收信号调理器221可依次接收到不同的传感单元检测到的感应信号。

当然，信号调理器22也可以为多通道并行接收信号调理器，其包括多个输入通道，此时，将其中任意一个输入通道与通道切换器211的输出接口连接，即可实现与单通道接收信号调理器221类似的功能。

本领域技术人员可以理解，通道切换器211的输入接口的数量可以多于N个，图3A和图3B仅为一种可能的示例，本申请不限于此。实际应用中，通道切换器211的输入接口的数量大于或等于矢量电磁超声传感器1中传感单元的数量。

在一些实施例中，信号传输器21采用多通道连接器。

多通道连接器包括M个输入接口以及与各输入接口一一对应的M个输出接口；M个输入接口中的N个输入接口与矢量电磁超声传感器11的N个传感单元的输出端一一对应连接，分别用于接收N个传感单元检测到的感应信号；M个输出接口中与该N个输入接口对应的N个输出接口分别与矢量接收解析子系统3连接，用于同时将N个传感单元检测到的感应信号输出至所述矢量接收解析子系统；其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。

例如，如图3C所示，信号传输器21为多通道连接器212，其包括N个输入接口和与N个输入接口一一对应的N个输出接口。各输入接口分别与对应的输出接口连接，形成N个信号传输通道CH 1~CHN。系统运作时，N个信号传输通道CH 1~CHN同时连通。

多通道连接器212的N个输入接口分别与矢量电磁超声传感器的N个传感单元一一对应连接。连接方式参见图3B，与前一实施例中的通道切换器211的N个输入接口分别与矢量电磁超声传感器的N个传感单元的连接类似，以上内容合并于此，此处不再赘述。

与多通道连接器212对应，信号调理器22可采用多通道并行接收信号调理器（第三信号调理器）。

多通道并行接收信号调理器包括L个输入通道；L个输入通道中的N个输入通道与多通道连接器212的N个输出接口一一对应连接，用于同时接收通道连接器212输出的N个感应信号；其中，L≥N，L、N均为大于或等于2的正整数。

例如，请继续参见图3C，与多通道连接器212对应，信号调理器22为多通道并行接收信号调理器222，其包括N个输入通道，与多通道连接器212的N个输出接口分别连接，用于接收多通道连接器212输出的感应信号。需要说明的是，由于多通道连接器212的N个信号传输通道同时连通，因此，多通道并行接收信号调理器222可同时并行接收到矢量电磁超声传感器11的所有传感单元检测的感应信号。

本领域技术人员可以理解，多通道连接器212的输入接口的数量可以多于N个，图3B仅为一种可能的示例，本申请不限于此。实际应用中，多通道连接器212的输入接口的数量大于或等于矢量电磁超声传感器11中传感单元的数量；多通道并行接收信号调理器222的输入通道的数量大于或等于矢量电磁超声传感器11中传感单元的数量。

图2、图3A、图3C所示的实施例中，信号传输与处理子系统2中设置有信号调理器。实际应用中，如图4所述，矢量电磁超声传感子系统1中也可以设置信号调理器12（第一信号调理器），同样的，矢量接收解析子系统3中也可以设置信号调理器32（第四信号调理器）。也就是说，本申请的信号调理器可布设于任意子系统中，且其作用类似，都是用于对感应信号进行放大、滤波等调理。

此外，还可以在矢量电磁超声传感子系统1、信号传输与处理子系统2以及矢量接收解析子系统3这三个子系统的至少两个中分别设置信号调理器，从而实现感应信号的分级放大和调理。

在一些实施例中，该面内全向波动场矢量探测系统100还包括特定表面扫查装置（未图示）。其中，特定表面扫查装置用于承载矢量电磁超声传感子系统1，矢量电磁超声传感子系统1固定设置于特定表面扫查装置上。

当特定表面扫查装置在被测表面移动时，特定表面扫查装置带动矢量电磁超声传感子系统1同步移动，实现对被测表面的扫查。

根据上述实施例，本申请的面内全向波动场矢量探测系统配合特定表面扫查装置，可获得被测表面上波动场的矢量振动分布图。

本申请的面内全向波动场矢量探测系统，通过布设至少两个具有一定夹角的换能线圈线型探测元，可对固体金属材料表面被测点上至少两个方向的感应势场分量进行探测，随着换能线圈线型探测元的数量的增多，本申请的矢量电磁超声传感器可检测到被测点更多方向上的感应势场分量，进而实现在随机分布的平面内全向波动场的探测中，确保对任意方向的高灵敏度响应，获得更为准确的解析结果。本申请结合矢量解析方法，即可得到被测点处较为准确的感应势场振动的方向与幅值信息。同时，将本申请的矢量电磁超声传感器的探测感应区由屏蔽层中心孔区大小决定，应用在平面内全向波动场测量方法中，有效缩小接收器换能面积，极大地提高了全向波动场测量声场测量分辨率，可获得高分辨率的波动场矢量振动分布图。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，包括：

矢量电磁超声传感子系统，其包括矢量电磁超声传感器；所述矢量电磁超声传感器包括N个传感单元，用于同时检测被测位置在N个不同方向上的感应信号，所述感应信号是所述被测位置的面内全向波动场在偏置磁场的作用下形成的，N为大于或等于2的正整数；

信号传输与处理子系统，其输入与所述矢量电磁超声传感子系统连接，用于对所述矢量电磁超声传感子系统检测到的感应信号进行传输和处理；

矢量接收解析子系统，与所述信号传输子系统连接，用于接收和解析所述感应信号，并确定所述被测位置的面内全向波动场。

2.根据权利要求1所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述矢量电磁超声传感子系统还包括第一信号调理器；

所述第一信号调理器用于对所述矢量电磁超声传感器检测到的N个感应信号分别进行放大、滤波和阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述信号传输与处理子系统包括通道切换器；

所述通道切换器包括M个输入接口和一个输出接口；

其中，M个所述输入接口中的N个输入接口分别与所述矢量电磁超声传感子系统连接，并分别用于接收所述矢量电磁超声传感子系统检测到的N个感应信号；

所述输出接口与所述矢量接收解析子系统连接，用于将接收到的N个所述感应信号中的一个感应信号输出至所述矢量接收解析子系统；

其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。

4.根据权利要求3所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述信号传输与处理子系统还包括第二信号调理器；

所述第二信号调理器为单通道接收信号调理器，其包括一个输入通道，与所述通道切换器的所述输出接口连接，用于接收所述通道切换器输出的感应信号。

5.根据权利要求1所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述信号传输与处理子系统包括多通道连接器；

所述多通道连接器包括M个输入接口以及与各所述输入接口一一对应的M个输出接口；

其中，M个所述输入接口中的N个输入接口与所述矢量电磁超声传感子系统连接，分别用于接收所述矢量电磁超声传感子系统检测到的N个感应信号之一；

M个所述输出接口中与所述N个输入接口对应的N个输出接口分别与所述矢量接收解析子系统连接，用于同时将接收到的N个所述感应信号中的一个感应信号输出至所述矢量接收解析子系统；

其中，M≥N，M、N均为大于或等于2的正整数。

6.根据权利要求5所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述信号传输与处理子系统包括还包括第三信号调理器；

所述第三信号调理器为多通道并行接收信号调理器，其包括L个输入通道；

其中，L个所述输入通道中的N个输入通道与所述多通道连接器的所述N个输出接口一一对应连接，用于同时接收所述多通道连接器输出的N个感应信号；

其中，L≥N，L、N均为大于或等于2的正整数。

7.根据权利要求1所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述矢量接收解析子系统包括上位机；

所述上位机中包括软件程序，所述软件程序被执行时对接收到的感应信号进行存储、显示和信号解析处理。

8.根据权利要求7所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述矢量接收解析子系统还包括第四信号调理器；

所述第四信号调理器用于对所述矢量电磁超声传感器检测到的N个感应信号分别进行放大和滤波。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的面内全向波动场矢量探测系统，其特征在于，所述面内全向波动场矢量探测系统还包括：

特定表面扫查装置，所述矢量电磁超声传感子系统固定设置于所述特定表面扫查装置上；

所述特定表面扫查装置用于带动所述矢量电磁超声传感子系统移动，实现对被测表面的扫查。