專(zhuān)利名稱(chēng)：一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無(wú)損檢測(cè)儀，尤其是涉及對(duì)埋于介質(zhì)中的管道或架空的鋼纜吊桿、鋼纜等進(jìn)行檢測(cè)的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀。
背景技術(shù)：
管道在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防工業(yè)中的運(yùn)輸作用及其重要，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，管道輸送效率高運(yùn)輸容量大，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理；建設(shè)一次投資可以長(zhǎng)期使用，投資省占地少，運(yùn)輸損耗低，并且不受到地形、地貌和氣候條件的影響。然而，工業(yè)管道一般都在非常惡劣的條件下工作，由于不可避免的腐蝕、自然作用和人為損壞等因素，管道壁厚減薄與泄漏事故頻頻發(fā)生，不僅給人們的生命、財(cái)產(chǎn)成了巨大的威脅，而且還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境、影響生態(tài)。根據(jù)政府有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，因管道嚴(yán)重腐蝕引起的泄漏事故占事故總量的60 %，但是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要挖開(kāi)或拆除保溫層、防腐層，因此難以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，即使進(jìn)行檢測(cè)，其輔助費(fèi)用(如搭腳手架等)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其檢測(cè)本身的費(fèi)用。磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有單點(diǎn)激勵(lì)即可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的長(zhǎng)距離檢測(cè)、無(wú)需耦合的非接觸式檢測(cè)、在高溫腐蝕等惡劣環(huán)境下的在線檢測(cè)與長(zhǎng)期狀態(tài)檢測(cè)、導(dǎo)波傳播方向具有雙向性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。專(zhuān)利號(hào)200710053209. 4提出了測(cè)定磁致伸縮導(dǎo)波傳播距離的方法。專(zhuān)利號(hào)200910272923. I提出使用磁致伸縮導(dǎo)波單方向檢測(cè)方法，通過(guò)信號(hào)疊加增加信號(hào)幅值。該技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中需要兩個(gè)相同的接收傳感器進(jìn)行收發(fā)檢測(cè)，操作復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間，在惡劣環(huán)境中對(duì)工人身體要求高。上述專(zhuān)利利用磁致伸縮技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要兩個(gè)傳感器，安裝麻煩，如果在惡劣條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)苷＿M(jìn)行；同時(shí)，以上技術(shù)并未進(jìn)行時(shí)頻濾波，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信息獲得沒(méi)有針對(duì)性；再則，以上技術(shù)并沒(méi)有對(duì)所獲得波形進(jìn)行識(shí)別，難以判斷在缺陷的位置和大小。
發(fā)明內(nèi)容為了克服背景技術(shù)中存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，通過(guò)使用單一探頭、時(shí)頻濾波、波形識(shí)別技術(shù)進(jìn)行磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)，對(duì)管道、金屬構(gòu)件的各種缺陷進(jìn)行全方位檢測(cè)，從而快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出管道、金屬構(gòu)件的內(nèi)部裂紋 和腐蝕等缺陷。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型包括上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，嵌入式控制系統(tǒng)和探頭部分；嵌入式控制系統(tǒng)中的信號(hào)控制與處理模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，探頭部分中的線圈適配器與嵌入式控制系統(tǒng)中的功率放大模塊和前置放大模塊連接，探頭部分中的磁致伸縮帶材用環(huán)氧樹(shù)脂粘在或機(jī)械方式直接耦合在檢測(cè)管道上并進(jìn)行磁化，線圈包在磁致伸縮帶材的外面與線圈適配器與功率放大模塊連接。所述的嵌入式控制系統(tǒng)包括由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)時(shí)序控制單元和回波信號(hào)處理單元組成的信號(hào)控制與處理模塊，功率放大模塊和前置放大模塊；信號(hào)控制與處理模塊中的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元經(jīng)信號(hào)時(shí)序控制單元和回波信號(hào)處理單元連接后，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元經(jīng)功率放大模塊與探頭部分中的線圈適配器連接連接，回波信號(hào)經(jīng)前置放大模塊和回波信號(hào)處理單元連接。所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元包括型號(hào)為EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模塊、THS3062模塊，接收FPGA傳送來(lái)的由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)置激勵(lì)信號(hào)并在信號(hào)時(shí)序控制單元作用下產(chǎn)生兩路相位相差1/4周期的激勵(lì)信號(hào)，其輸出端與功率放大模塊的輸入端相連。所述的信號(hào)時(shí)序控制單元采用FPGA上的信號(hào)時(shí)序控制單元。所述的回波信號(hào)處理單元的兩路回波信號(hào)的輸入端與前置放大模塊的輸出端連接,經(jīng)過(guò)AD9254模塊的處理后由FPGA經(jīng)過(guò)USB數(shù)據(jù)接口傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。所述的前置放大模塊有相同的兩路，均包括三個(gè)AD817放大電路U8、UlO、Ul I和由兩個(gè)ADA4898組成的帶通濾波器，回波信號(hào)由SIGIN輸入，通過(guò)AD817進(jìn)行三級(jí)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩塊ADA4898模塊即U2A、U2B組成的帶通濾波器，濾波后由輸出端O輸出，輸出端與回波信號(hào)處理單元的輸入端連接。所述的功率放大模塊有相同的兩路，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元的輸出端與其輸入端連接，信號(hào)由輸入端W輸入，首先經(jīng)過(guò)AD817模塊即U4電壓被放大；AD817模塊即U5、U6分別作為同相、反相單位增益放大器，把經(jīng)過(guò)模塊U4后放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一路差分信號(hào)輸出至LM3886模塊即U7、u9，作為差分功率放大級(jí)，把U5、U6輸出的差分信號(hào)功率放大后從輸出端LN、LP輸出驅(qū)動(dòng)線圈。本實(shí)用新型具有的有益效果是本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，通過(guò)時(shí)頻濾波技術(shù)，對(duì)檢測(cè)到的波形進(jìn)行濾波分析，從而增大信噪比，使缺陷信號(hào)更易識(shí)別。主要具有以下的突出優(yōu)點(diǎn)(2)檢測(cè)準(zhǔn)確度高，誤差能夠滿足工程要求；(2)檢測(cè)成本低，探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，除探頭安裝區(qū)域夕卜，無(wú)需挖開(kāi)或拆除保溫層、腐蝕層，免搭腳手架，可進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，從而大大降低檢測(cè)成本；(3)應(yīng)用范圍廣，適用于各種工業(yè)管道、鋼索、錨桿等；(4)測(cè)量長(zhǎng)度遠(yuǎn)，同一位置單向可檢測(cè)幾十米到上百米距離，雙向檢測(cè)距離更長(zhǎng)；(5)缺陷分類(lèi)詳細(xì)(6)采用方向控制技術(shù)，導(dǎo)波能量只向特定的方向發(fā)射，接收特定方向的回波信號(hào)，避免了反向回波的干擾。本實(shí)用新型可對(duì)埋于介質(zhì)(土壤、水泥、巖土等)中的管道構(gòu)件或架空的鋼纜吊桿、鋼纜等進(jìn)行檢測(cè)，定位缺陷的位置和大小。

圖I是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖2是本實(shí)用新型的主機(jī)面板示意圖。圖3是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。圖4是本實(shí)用新型的導(dǎo)波方向控制原理圖。圖5是本實(shí)用新型的信號(hào)時(shí)頻分析步驟圖。圖6是本實(shí)用新型的構(gòu)件整體示意圖。圖7是本實(shí)用新型的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元圖。圖8是本實(shí)用新型的回波信號(hào)處理單元圖。[0024]圖9是本實(shí)用新型信號(hào)控制與處理模塊與上位機(jī)連接關(guān)系圖。圖10是本實(shí)用新型的前置放大模塊圖。圖11是本實(shí)用新型的功率放大模塊圖。圖12是濾波后的最終結(jié)果圖。圖中1、工業(yè)便攜箱，2、主機(jī)面板，3、航空插頭，4、電源插頭，5、蓄電池，6、工作信號(hào)燈，7、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，8、信號(hào)時(shí)序控制單元，9、回波信號(hào)處理單元，10、功率放大模塊，11、前置放大模塊，12、線圈，13、線圈適配器，14、磁致伸縮帶材，15、被測(cè)管道，16、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I、圖3所示，本實(shí)用新型包括上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16，嵌入式控制系統(tǒng)和探頭部分；嵌入式控制系統(tǒng)中的信號(hào)控制與處理模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16連接，探頭部分中的線圈適配器13與嵌入式控制系統(tǒng)中的功率放大模塊10和前置放大模塊11連接，探頭部分中的磁致伸縮帶材14用環(huán)氧樹(shù)脂粘在或機(jī)械方式直接耦合在檢測(cè)管道15上并進(jìn)行磁化，線圈12包在磁致伸縮帶材14的外面與線圈適配器13與功率放大模塊10連接。所述的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是采用Labview編寫(xiě)，通過(guò)usb數(shù)據(jù)接口與嵌入式控制系統(tǒng)連接。構(gòu)件的幾何尺寸、材料特性、所需檢測(cè)精度，選擇合適頻率的激勵(lì)波形，通過(guò)設(shè)置正弦激勵(lì)脈沖的幅值、頻率、脈沖個(gè)數(shù)對(duì)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7發(fā)出的脈沖進(jìn)行設(shè)置；對(duì)采集回來(lái)的的回波信號(hào)進(jìn)行波形調(diào)整包括計(jì)算實(shí)際的波速；衰減補(bǔ)償；幅值百分比調(diào)整選取一個(gè)已知的信號(hào)作為參考信號(hào)，一般選用端面信號(hào)或者是琺瑯信號(hào)。如果是端面信號(hào)，則設(shè)為100%,若為法浪信號(hào),則設(shè)為85%,其他信號(hào)按照參考信號(hào)轉(zhuǎn)化成百分?jǐn)?shù)表不；波形調(diào)整完成之后進(jìn)行波形識(shí)別，波形識(shí)別分成兩步進(jìn)行第一步是利用幅值進(jìn)行粗略的判斷焊縫和缺陷的幅值為4% 15%，琺瑯為85%左右，斷面為100% ;第二步是利用相位進(jìn)一步判斷信號(hào)為焊縫或者是缺陷。由于缺陷和焊縫的幅值大小差不多，所以單從幅值上難以區(qū)分缺陷和相位。如果將起始信號(hào)的相位設(shè)為正，那么焊縫信號(hào)的相位正，缺陷信號(hào)為負(fù)。區(qū)分各種信號(hào)之后，將缺陷信號(hào)標(biāo)記為“D”，焊縫信號(hào)標(biāo)記為“W”;最后生成結(jié)果圖，保存在計(jì)算機(jī)中用于分析。所述的探頭部分由線圈12、線圈適配器13和磁致伸縮帶材14組成。磁致伸縮帶材14用環(huán)氧樹(shù)脂粘在或機(jī)械方式直接耦合在檢測(cè)管道上并進(jìn)行磁化，產(chǎn)生一個(gè)周向的偏置磁場(chǎng)；線圈12包在磁致伸縮帶材14的外面可以為2個(gè)線圈，也可以用一個(gè)線圈，本實(shí)例采用一個(gè)線圈的方式，在收激勵(lì)信號(hào)時(shí)為發(fā)送元件，在接收回波時(shí)為接收元件使用，通過(guò)線圈適配器13與功率放大模塊10相連，接收激勵(lì)信號(hào)單元7發(fā)出的經(jīng)過(guò)放大的脈沖時(shí)產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)磁場(chǎng)；激勵(lì)磁場(chǎng)和偏置磁場(chǎng)是正交的，由魏德曼效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波由此耦合到管道上。線圈12通過(guò)線圈適配器13與前置放大模塊11的輸入端相連，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波在管道上傳播遇到缺陷時(shí)，一部分波會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，由于逆魏德曼效應(yīng)，線圈12中能夠感應(yīng)出微弱的模擬電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭轉(zhuǎn)波的聲電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)放大前置放大模塊11、模擬濾波后進(jìn)入回波信號(hào)處理單元9，然后由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16進(jìn)行處理并將缺陷顯示。如圖I所示，本實(shí)用新型包括工業(yè)便攜箱I、主機(jī)面板2、嵌入式控制系統(tǒng)、探頭部分、蓄電池5、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16。工業(yè)便攜箱I底層的左上角安裝有蓄電池5，底層其他空間安裝嵌入式控制系統(tǒng)，蓄電池5給嵌入式控制系統(tǒng)供電；其上層安裝主機(jī)面板2，主機(jī)面板2與蓄電池5、嵌入式控制系統(tǒng)相連；其箱體內(nèi)左側(cè)面安裝有筆記本適配器，給筆記本電腦供電；箱體右側(cè)板安裝220V電源插頭4和兩個(gè)航空插頭3，220v電源插頭4用于蓄電池5充電和筆記本適配器充電，兩個(gè)航空插頭3為分別發(fā)射插頭和發(fā)射/接收插頭與探頭部分連接，由主機(jī)面板2上的模式開(kāi)關(guān)選擇控制。如圖2所示，主機(jī)面板2的左側(cè)安裝有工作信號(hào)燈6，顯示嵌入式控制系統(tǒng)和蓄電池5的工作狀態(tài)和故障信息；右下角是電源開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)的通斷電；左下角安裝模式開(kāi)關(guān)，控制檢測(cè)的航空插頭的選擇，當(dāng)模式開(kāi)關(guān)為脈沖回波時(shí)，航空插頭3為發(fā)射插頭，當(dāng)模式開(kāi)關(guān)為一發(fā)一收時(shí)，航空插頭3為發(fā)射/接收插頭；中間是筆記本電腦扎帶用來(lái)固定筆記本電腦。如圖3所示，所述的嵌入式控制系統(tǒng)包括由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7、信號(hào)時(shí)序控制單元8和回波信號(hào)處理單元9組成的信號(hào)控制與處理模塊，功率放大模塊10和前置放大模塊11 ;信號(hào)控制與處理模塊中的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7經(jīng)信號(hào)時(shí)序控制單元8和回波信號(hào)處理單元9連接后，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7經(jīng)功率放大模塊10與探頭部分中的線圈適配器13連接連接，回波信號(hào)經(jīng)前置放大模塊11和回波信號(hào)處理單元9連接。如圖7所示，所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7包括型號(hào)為EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模塊、THS3062模塊，接收FPGA傳送來(lái)的由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16的設(shè)置激勵(lì)信號(hào)并在時(shí)序控制單元8作用下產(chǎn)生兩路相位相差1/4周期的激勵(lì)信號(hào)，其輸出端與功率放大模塊10的輸入端相連，采用導(dǎo)波方向控制技術(shù)，產(chǎn)生兩路相位差為1/4周期的正弦激勵(lì)脈沖，使導(dǎo)波向加強(qiáng)方向傳播，避免了其反方向的幾何特征信號(hào)對(duì)駁回波信號(hào)的干擾，激勵(lì)脈沖的幅值可根據(jù)要求設(shè)置；頻率為4 250ΚΗΖ、1Ηζ分辨率；脈沖為每秒I 16脈沖；如圖8所示，所述的回波信號(hào)處理單元9的兩路回波信號(hào)的輸入端與前置放大模塊11的輸出端連接，經(jīng)過(guò)AD9254模塊的處理后由FPGA經(jīng)過(guò)USB數(shù)據(jù)接口傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16中，功能是將經(jīng)過(guò)前置放大模塊11進(jìn)行聲壓變換并放大的兩路回波模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行時(shí)頻濾波，然后由FPGA經(jīng)過(guò)USB數(shù)據(jù)接口傳送給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16將結(jié)果存儲(chǔ)顯示。如圖9所示，F(xiàn)PGA通過(guò)USB數(shù)據(jù)接口與上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16連接，傳遞數(shù)據(jù)，信號(hào)時(shí)序控制單元8采用FPGA中的信號(hào)時(shí)序控制單元，其功能是控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元和回波信號(hào)處理單元之間的時(shí)序，兩路正弦激勵(lì)脈沖的延時(shí)以及兩路A/D轉(zhuǎn)換之間的延時(shí)。檢測(cè)過(guò)程中，同一組探頭要完成信號(hào)激勵(lì)和接收的雙重任務(wù)，這就需要信號(hào)時(shí)序控制單元8來(lái)控制激勵(lì)脈沖信號(hào)單元7和回波處理信號(hào)單元9的工作時(shí)序不同，由于采用導(dǎo)波方向控制，A/D轉(zhuǎn)換之間同樣相差1/4周期。如圖10所示，所述的前置放大模塊11有相同的兩路，均包括三個(gè)AD817放大電路和由兩個(gè)ADA4898組成的帶通濾波器，回波信號(hào)由SIGIN輸入，通過(guò)AD817進(jìn)行三級(jí)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩塊ADA4898模塊即U2A、U2B組成的帶通濾波器，濾波后由輸出端O輸出，輸出端與回波處理單元9的輸入端連接，功能是將兩路微弱的回波電壓信號(hào)(電壓峰值約為幾毫伏)放大成適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓(-2V至+2V)，并對(duì)回波電壓信號(hào)進(jìn)行模擬濾波，其增益程控可調(diào)，由于導(dǎo)波會(huì)隨著傳播距離的增長(zhǎng)而衰減，采用時(shí)間可控增益技術(shù)，即前置放大模塊的增益隨著時(shí)間的推移而增大，可以補(bǔ)償導(dǎo)波的衰減。如圖11所示，所述的功率放大模塊10有相同的兩路，激勵(lì)信號(hào)單元7的輸出端與其輸入端連接，信號(hào)由輸入端W輸入，首先經(jīng)過(guò)AD817模塊即U4,電壓被放大；AD817模塊即U5、U6分別作為同相、反相單位增益放大器，把經(jīng)過(guò)U4后放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一路差分信號(hào)輸出至LM3886模塊即U7、u9，作為差分功率放大級(jí)，把U5、U6輸出的差分信號(hào)功率放大后從輸出端LN、LP輸出驅(qū)動(dòng)線圈12，功能是將兩路正弦激勵(lì)脈沖(電壓峰值低于3. 5V)放大成施加到探頭部分的線圈12的功率脈沖信號(hào)(峰峰值80v)，其工作頻率為4 250KHz。如圖4所示為導(dǎo)波方向控制原理圖，由于導(dǎo)波會(huì)向管道的兩側(cè)傳播，在導(dǎo)波檢測(cè)中往往關(guān)注某一方向的幾何特征，其反方向的幾何特征信號(hào)會(huì)對(duì)回波信號(hào)造成干擾。為了減少這種干擾，本實(shí)用新型采用了導(dǎo)波方向控制技術(shù)，在激勵(lì)和接收導(dǎo)波時(shí)減小非檢測(cè)方向信號(hào)，加強(qiáng)檢測(cè)方向信號(hào)。如圖4a所示，激勵(lì)導(dǎo)波時(shí)，為了使導(dǎo)波向加強(qiáng)方向傳播，控制第二路激勵(lì)信號(hào)f2相對(duì)于第一路激勵(lì)信號(hào)fl延時(shí)1/4周期，線圈12的第I部分與線圈12的第2部分間隔為1/4周長(zhǎng)。此時(shí)，激勵(lì)信號(hào)fl、f2在加強(qiáng)方向?qū)?yīng)的導(dǎo)波分量fl'、f2'的相位差A(yù)cK以及在減弱方向?qū)?yīng)的導(dǎo)波分量fl"、f2"的相位差A(yù) Cj5 "可按以下方法計(jì)算加強(qiáng)方向A(J)'=W -4)2' =k(xl' ~x2' ) + w(tl_t2)式中jl'、<j5 2' fl' ,f2'相位角；xl'、x2':線圈12的第I部分與線圈I的2部分相對(duì)加強(qiáng)方向參考點(diǎn)的
距離；tl、t2 :fl、f2相對(duì)參考時(shí)刻的時(shí)間；k:波數(shù)；角頻率。顯然，Xl'-X2' = |/U1-/2 = -故A ￠, =0。此時(shí)，導(dǎo)波在加強(qiáng)方向得到加強(qiáng)。
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減弱方向A 小"=(J) I "-小2" =k(xl" -x2" ) + co (tl~t2)式中￠1"、小 2 " :fl "、f2 "相位角；xl"、x2":線圈12的第I部分與線圈12的第2部分相對(duì)減弱方向參考點(diǎn)的距離；tl、t2 :fl、f2相對(duì)參考時(shí)刻的時(shí)間；k:波數(shù)；角頻率。顯然，xl〃 -x2〃 = -X,t\-t2 = \T，故Af = 。此時(shí)，導(dǎo)波在減弱方向得到減弱。
442類(lèi)似的，如圖4b所示，接收回波時(shí)，為了使特定方向(敏感方向)的導(dǎo)波被接受，控制第一路回波信號(hào)rl相對(duì)于第二路回波信號(hào)r2延時(shí)1/4周期，線圈12的第I部分與線圈12的第2部分間隔為1/4波長(zhǎng)。此時(shí)，敏感方向回波信號(hào)rl、r2的相位差以及非敏感方向回波信號(hào)rl、r2的相位差A(yù) 0)"可按以下方法計(jì)算敏感方向AO' = Ol' 2' =k(Xl' ~I2' ) + co (T1-T2)式中Ol1 , 02' :rl、r2 相位角;[0059]Xl'、12':線圈12的第I部分與第2部分相對(duì)敏感方向參考點(diǎn)的距離；Tl、T2 rUr2相對(duì)參考時(shí)刻的時(shí)間；1^:波數(shù)；(0:角頻率。MS，Xr-X2' = b，n-r2 = -jr^AcD' =O0 此時(shí)，回波信號(hào) rl、r2 疊加后
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得到加強(qiáng)。非敏感方向ΛΦ' = ΦΙ' -Φ2/ =k(Xl' -12' ) + ω(Τ1_Τ2)式中ΦΙ'、Φ2' :rl、r2 相位角;Xl'、X2':線圈12的第I部分與第2部分相對(duì)敏感方向參考點(diǎn)的距離；T1、T2 :rl、r2相對(duì)參考時(shí)刻的時(shí)間；1^:波數(shù)；(0:角頻率。M,^k,XV-X2' = -λ,T\-T2 = -T ΛΦ" =0。此時(shí)，回波信號(hào) rl、r2 疊加后
44
得到減弱?；夭ㄐ盘?hào)的延時(shí)可以通過(guò)由信號(hào)時(shí)序控制單元8控制A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)；如圖5所示，采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻濾波，避免了傳統(tǒng)傅立葉變換的功率譜不能反映頻率隨時(shí)間的變化的缺點(diǎn)，短時(shí)傅立葉變換是通過(guò)時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來(lái)描述信號(hào)在不同時(shí)間和頻率的能量密度，非常適合對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的分析。信號(hào)處理的步驟是首先用窗函數(shù)來(lái)截取信號(hào)，假定信號(hào)在窗內(nèi)是平穩(wěn)的，采用傅立葉變換來(lái)分析窗內(nèi)信號(hào)，以便確定在那個(gè)時(shí)間存在的頻率，然后沿著信號(hào)移動(dòng)窗函數(shù)，得到信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系。在得到短時(shí)傅里葉變換之后，設(shè)定一個(gè)頻率能量的閾值，將閾值以下的頻率濾掉，然后經(jīng)過(guò)短時(shí)傅里葉反變換得到濾波后的信號(hào)。如圖6所示，本實(shí)例中管道構(gòu)件為4. Im長(zhǎng)，其上有3個(gè)缺陷，分別為2個(gè)橫向缺陷和I個(gè)鉆孔，具體位置如圖所示，磁致伸縮帶材可以用鐵鎳合金、鎳鈷合金、鐵鈷合金，本實(shí)例采用鐵鈷合金。圖12是本實(shí)例濾波后的最終結(jié)果圖。具體實(shí)施步驟如下I)將磁致伸縮帶材14本例中為鐵鈷合金，耦合在被測(cè)管道15上面，并進(jìn)行磁化產(chǎn)生一個(gè)周向的偏置磁場(chǎng)；2)鐵鈷合金條固定好后，將線圈12繞在其上面并通過(guò)線圈適配器13與工業(yè)便攜箱I的航空插頭2相連，系統(tǒng)上電，主機(jī)面板2的模式開(kāi)關(guān)選擇為脈沖回波；3)由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16設(shè)定激勵(lì)信號(hào)的幅值為3V、頻率64K，脈沖個(gè)數(shù)為3，設(shè)置好后由usb數(shù)據(jù)接口傳給激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元7，在信號(hào)時(shí)序控制單元8的作用下產(chǎn)生兩路相位差為1/4周期的正弦激勵(lì)脈沖，經(jīng)功率放大模塊10放大后施加給探頭部分的線圈12，產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)磁場(chǎng)；激勵(lì)磁場(chǎng)和偏置磁場(chǎng)是正交的，由魏德曼效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波在管道15中傳播，遇到缺陷后發(fā)生反射，產(chǎn)生回波傳播回線圈12，由逆魏德曼效應(yīng)，線圈中感應(yīng)出回波信號(hào)的兩路模擬電壓信號(hào)，4)采用導(dǎo)波方向控制技術(shù)，激勵(lì)信號(hào)單元7兩路相位差為1/4周期的正弦激勵(lì)脈沖，線圈12的第I部分與第2部分間隔為1/4導(dǎo)波波長(zhǎng)[0080]5)兩路模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大模塊11放大，由回波信號(hào)處理單元9進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻濾波，然后讀入上位機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示;6)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16將采集到的波形進(jìn)行分析識(shí)別和判斷，確定被測(cè)構(gòu)件的缺陷，缺陷的部位、數(shù)量、大小、類(lèi)別等狀況，實(shí)際檢測(cè)波形如圖12所示，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī) 中。圖12中負(fù)方向的端面信號(hào)遠(yuǎn)比正反向的端面信號(hào)小，可以證明，本實(shí)用新型完全能完成導(dǎo)波方向控制，實(shí)現(xiàn)單方向的檢測(cè)，且對(duì)于2%以上的缺陷檢測(cè)效果明顯。
權(quán)利要求1.一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于包括上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(16)，嵌入式控制系統(tǒng)和探頭部分；嵌入式控制系統(tǒng)中的信號(hào)控制與處理模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(16)連接，探頭部分中的線圈適配器(13)與嵌入式控制系統(tǒng)中的 功率放大模塊(10)和前置放大模塊(11)連接，探頭部分中的磁致伸縮帶材(14)用環(huán)氧樹(shù)脂粘在或機(jī)械方式直接耦合在檢測(cè)管道(15)上并進(jìn)行磁化，線圈(12)包在磁致伸縮帶材(14)的外面與線圈適配器(13)與功率放大模塊(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的嵌入式控制系統(tǒng)包括由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元(7)、信號(hào)時(shí)序控制單元(8)和回波信號(hào)處理單元(9)組成的信號(hào)控制與處理模塊，功率放大模塊(10)和前置放大模塊(11);信號(hào)控制與處理模塊中的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元(7)經(jīng)信號(hào)時(shí)序控制單元(8)和回波信號(hào)處理單元(9)連接后，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元(7)經(jīng)功率放大模塊(10)與探頭部分中的線圈適配器(13)連接，回波信號(hào)經(jīng)前置放大模塊(11)和回波信號(hào)處理單元(9)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元(7)包括型號(hào)為EP4CE115F29C7N的FPGA、AD9765模塊、THS3062模塊；接收FPGA傳送來(lái)的由上位機(jī)處理系統(tǒng)(16)的設(shè)置激勵(lì)信號(hào)并在信號(hào)時(shí)序控制單元(8)作用下產(chǎn)生兩路相位相差1/4周期的激勵(lì)信號(hào)，其輸出端與功率放大模塊(10)的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的信號(hào)時(shí)序控制單元(8)采用FPGA上的信號(hào)時(shí)序控制單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的回波信號(hào)處理單元(9)的兩路回波信號(hào)的輸入端與前置放大模塊(11)的輸出端連接，經(jīng)過(guò)AD9254模塊的處理后由FPGA經(jīng)過(guò)USB數(shù)據(jù)接口傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的前置放大模塊(11)有相同的兩路，均包括三個(gè)AD817放大電路U8、U10、Ull和由兩個(gè)ADA4898組成的帶通濾波器，回波信號(hào)由SIGIN輸入，通過(guò)AD817進(jìn)行三級(jí)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩塊ADA4898模塊即U2A、U2B組成的帶通濾波器，濾波后由輸出端O輸出，輸出端與回波信號(hào)處理單元(9)的輸入端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀，其特征在于所述的 功率放大模塊(10)有相同的兩路，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元(7)的輸出端與其輸入端連接，信號(hào)由輸入端W輸入，首先經(jīng)過(guò)AD817模塊即U4電壓被放大；AD817模塊即U5、U6分別作為同相、反相單位增益放大器，把經(jīng)過(guò)模塊U4后放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一路差分信號(hào)輸出至LM3886模塊即U7、u9，作為差分功率放大級(jí)，把U5、U6輸出的差分信號(hào)功率放大后從輸出端LN、LP輸出驅(qū)動(dòng)線圈(12)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)儀。本實(shí)用新型包括上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，嵌入式控制系統(tǒng)和探頭部分；嵌入式控制系統(tǒng)中的信號(hào)控制與處理模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，探頭部分中的線圈適配器與嵌入式控制系統(tǒng)中的功率放大模塊和前置放大模塊連接，探頭部分中的磁致伸縮帶材用環(huán)氧樹(shù)脂粘在或機(jī)械方式直接耦合在檢測(cè)管道上并進(jìn)行磁化，線圈包在磁致伸縮帶材的外面與線圈適配器與功率放大模塊連接。與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，通過(guò)時(shí)頻濾波技術(shù)，對(duì)檢測(cè)到的波形進(jìn)行濾波分析，從而增大信噪比，使缺陷信號(hào)更易識(shí)別。本實(shí)用新型可對(duì)埋于介質(zhì)(土壤、水泥、巖土等)中的管道構(gòu)件或架空的鋼纜吊桿、鋼纜等進(jìn)行檢測(cè)，定位缺陷的位置和大小。
文檔編號(hào)G01N29/36GK202362276SQ20112052313
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者俞哲旦, 吳瑤, 唐志峰, 楊斌, 江亦寧, 鄭俊翔, 駱蘇軍, 魏愛(ài)玉 申請(qǐng)人:杭州浙大精益機(jī)電技術(shù)工程有限公司