基于超外差接收正交相敏检波技术的电磁超声检测系统

基于超外差接收正交相敏检波技术的电磁超声检测系统

磁体超声波换能器的电声转换效率低。换能器的传输端应采用放大激励源，导致强电干燥，引入噪声信号，使检测信号的信噪比低，并限制了磁体超声波的广泛应用。为了提高磁体超声波的信噪比，提高检测信号的质量，国内外研究人员进行了大量工作。例如，为了提高激励功能，使用了功率信号激励交换装置。在文献中，我们研究了低噪声接收放大电路，设计了低噪声预源器，并使用了动态电子装置（erat，elarkonicacievector）来检测皮米级位移。在文献中，我们讨论了抗抗匹罗式结构的电路，并希望获得更大的激发功率。在文献中，脉冲压缩处理技术被应用于enat的测量厚度和金属板的成像，脉冲泵的线性频率可以提高信噪比。在文献中，我们比较了有限影响响应、有限影响响应滤波器和分散小波转换噪声的各种磁体噪声去除方法。人们认为，小波包滤波是应用于实时电磁干燥检测的有效滤波方法。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路,对于在强噪声背景下提取有用信号具有显著的作用.文献将相敏检波技术应用于电磁超声谐振法中,对波速和刚度系数进行检测,取得了较好的效果.在分析超外差接收正交相敏检波技术原理的基础上,进行了正交相敏检波技术在电磁超声检测信号处理中的应用研究,组建了基于该技术的电磁超声检测试验系统,通过试验确定了合适的检测参数,并用于检测铝合金、碳钢和不锈钢试样.对比相敏检波处理后的电磁超声接收信号和原始接收射频信号,可以发现,应用相敏检波技术在电磁超声检测中可以有效提高信噪比,在强噪声背景下提取有用信号效果更为明显.1超外差接收相敏检波技术原理1.1频器、执法、频率技术超外差接收原理见图1,其电路包括以下几个部分:混频器、中频放大器和检测器等.其中,混频器的主要功能是将本地振荡器产生频率为fL的振荡波与频率为fs的输入信号混频,把输入信号频率变换为某个预定的频率fi;中频放大器是超外差接收机中一个重要组成部分,它具有放大中频信号、抑制噪声和相邻通道干扰以及自动增益控制的功能;检测器采用正交相敏检波器.1.2低通滤波的噪声信号转换正交相敏检波器的工作原理如图2所示,其需要两个相敏检波器系统,输入信号相同,但两个参考输入在相位上相差π/2.若同相通道中的参考信号相位为θ,则与其正交通道中的参考信号相位为θ+π/2.通过乘法器对被测信号和参考信号进行乘法运算,得到被测信号与参考信号的和频与差频信号.利用低通滤波器滤除和频信号成分,得到差频信号.当被测信号为正弦信号时,相敏检波器的同相输入可表示为正交输入可表示为此时,相敏检波器的同相输出信号为正交输出为式中,Ui为输入信号;Ur为参考信号.式(3)与式(4)说明经过相敏检波器后,原来频率为ω0的信号频谱被移到了ω=0和ω=2ω0处,频谱迁移后保持原谱形状,幅度正比于参考信号的幅度Um和被测信号的幅度Uz.经过低通滤波器后,信号中的高频项被滤除,正交相敏检波器的同相输出为而其正交输出为由这两路输出可以计算出被测信号的幅度Vs和相位θ.为了进一步说明相敏检波信号处理对输入噪声的抑制能力,取其中一通道进行分析.假设相敏检波器的输入可表示为式中,Ui为被测信号;Ur为参考信号;Un为噪声信号的幅度;ω0为有用信号的角频率;ω为噪声信号的角频率;θ为有用信号与参考信号的相位差;α为噪声信号与参考信号的相位差.其中,ω≠ω0,θ≠α.此时,相敏检波器的同相输出信号为式中,第1项为信号项,获得直流检出;第2,4项为和频项,均被低通滤波器滤除;第3项是参考信号与噪声信号的差频项,只有当|Δω|=|ω-ω0|小于低通滤波器的带宽时才有输出,而其他大部分噪声均被滤除.2试验系统和换能器的设计2.1低频参考信号的模拟检测基于超外差接收正交相敏检波技术的电磁超声检测系统组成如图3所示.系统由频率合成器模块、门控放大器模块、EMAT、宽带射频接收模块、混频器与中频放大器模块、相敏检波器模块和A/D采集卡等组成.由频率合成器产生的信号经过门控放大器得到高压脉冲串激励EMAT.EMAT接收到的信号通过前置放大器放大,再经可变增益宽带放大器放大;频率合成器的输出信号之一,称之为中频参考信号,由频率合成器时钟经分频后获得,其相位角固定且在0时刻相位接近0°;上述两信号通过混频器相乘,形成一个包含超声信号相位信息的新信号,经中频放大器后,与本地振荡器的输出信号进行混频,混频由正交相敏检波器中的模拟乘法器完成;混频过程中,高频项被低通滤波器有效抑制,只保留包含接收信号相位的低频(基带)项.将两路相敏检波信号(即同相输出和正交输出信号)通过A/D采集卡采集后送入计算机进行处理和显示.由软件系统设置电子门,根据式(7)和式(8)计算门内接收信号的幅值和相位角,通过C扫描软件系统进行处理和显示.从宽带射频接收模块出来的原始接收射频信号及经过正交相敏检波后的两路相位信号可直接通过示波器观察.2.2碳纤维试样的结构根据电磁超声的检测原理,设计横波EMAT,用于检测铝合金、不锈钢和碳钢试样.横波EMAT的内部结构示意图如图4所示.其中,永久磁铁选用钕铁硼,用于提供换能器工作所需的静态偏置磁场;换能器线圈采用直径为0.24mm的铜漆包线,绕成螺旋型.EMAT的实物图如图5所示.3不锈钢基材料厚度应用上述横波EMAT和检测系统,检测铝合金、碳钢(厚35mm)和不锈钢(厚15mm)人工试样,其中铝合金试样如图6所示,厚度为10mm,其底部刻有半圆弧状,宽度分别为5,3,1mm,深度均为0.5mm的凹槽,用于模拟底部腐蚀缺陷.3.1底回波信号分析在系统参数设置均一致的情况下,分别获取铝合金、不锈钢和碳钢3种试样的原始接收射频信号以及经相敏检波处理后的同相输出和正交输出信号,检测结果如图7~图11所示,其中图7为探头置于铝合金试块带有1mm宽的凹槽上方的检测结果,图8为探头置于铝合金试块带有3mm宽凹槽位置上方的检测结果,图9为探头置于铝合金试块带有5mm宽凹槽位置上方的检测结果,图10和图11分别为35mm厚碳钢和15mm厚不锈钢试样的底面回波信号.从图7~图9可以看出,经相敏检波后的信号比原始接收射频信号的信噪比有明显提高;铝合金试样中凹槽面积越大,回波信号幅值越小,这是因为腐蚀凹槽为圆弧状,探头声束直径大于缺陷宽度,声波经过该凹槽,向四周散射和衰减,返回接收探头的信号变弱,且凹槽面积越大散射越严重,接收到的信号幅值越小.从图10和图11可以看出,经相敏检波后的碳钢和不锈钢的底面回波信号比原始接收射频信号的信噪比有明显提高.取铝合金凹槽试样的原始接收射频信号和相敏检波处理后的信号进行C扫描成像,结果如图12所示.图12a为利用原始接收射频信号进行C扫描成像的结果,图12b为相敏检波处理后提取电子门内信号幅值进行C扫描成像的结果.为了比较上述两种方法的成像结果,对两种图像的信噪比进行求解.通过计算得到原始接收射频信号信噪比为13.8dB,相敏检波后的图像信噪比为19.5dB.可见,经过相敏检波处理后的图像信噪比有明显提高.3.2参数配置对测试结果的影响3.2.1实际检测结果中频放大器是基于超外差技术电磁超声检测系统中的重要组成部分,其带宽设置对检测结果有重要影响,需合理设置.应用上述横波EMAT及检测系统检测上述3种试样,固定其他系统参数,改变中频放大器的带宽设置进行试验和分析,得到的检测结果见表1.由实际检测结果可知,中频放大器的带宽越宽,信号的幅值越高,但易引入噪声信号;减小带宽可以使噪声幅度减小,但是有用信号也同时被削弱,且当接收信号含高频成分时会导致信号失真.3.2.2带宽设置对噪声的影响在相敏检波技术中,低通滤波器是重要的一环,其作用是滤除高次谐波.试验过程中,采用上述的检测系统和试样进行检测试验,只改变低通滤波器的带宽设置,其他参数保持不变,测试结果见表2.由实际检测结果可知,当低通滤波器的带宽设置越窄,进入系统的噪声幅度越小,抑制噪声的能力越强;但是,在滤波器带宽选择比较窄的情况下,有用信号也被严重削弱.因此,滤波器的频带宽度不是越窄越好,与被测信号的频谱结构相关,应使滤波器的带宽边界离开周围较强干扰.4超外差正交相敏检波技术通过对超外差接收正交相敏检波技术在铝合金、碳钢和不锈钢试样的电磁超声检