一种数字化多频涡流信号处理方法与流程

1.本发明属于核电检测领域，特别涉及一种数字化多频涡流信号处理方法。

背景技术：

2.涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法，它适用于导电材料。当把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的变化，会导致涡流的变化，利用这种现象判定导体性质、状态的检测方法，称为涡流检测。涡流检测技术被广泛应用于核电厂，如蒸汽发生器传热管、冷凝器钛管、反应堆中子通量测量指套管、反应堆压力容器主螺栓/主螺母、反应堆压力容器顶部贯穿件、控制棒束组件(rcca)、控制棒驱动机构(crdm)密封焊缝等的检测。
3.由于单频涡流技术的局限性，对许多复杂重要构件的检测，如蒸汽发生器传热管的在役检测，邻近的支撑板、管板等结构部件会产生很强的干扰信号，用单频涡流很难准确地检出管子的缺陷。多频涡流检测技术采用几个频率同时激励检测线圈，通过传感器可同时采集到检测中的多组信号，对这些信号进行混频处理可有效地抑制多个干扰因素。核电厂设备及部件的涡流检测采用多频率涡流检验技术。根据被检对象的实际情况，通常会使用两种或更多的检测频率，各种频率均有其定位或检测方面的用途。在常见的蒸汽发生器传热管涡流检验中，一般采用5种频率进行数据采集。在数据分析过程中，还将对不同频率的信号加以综合处理，用于某些特定的用途。
4.众所周知，传统的模拟涡流信号处理技术，采用振荡器产生交变电流流过置于导电体上的线圈，在线圈周围形成交变磁场，并在导体表面形成涡流；当检测线圈位置发生变化时，由于线圈所处位置下面存在缺陷，导体形状、尺寸或材料电磁特征有所变化，都会引起涡流的大小发生改变并通过二次磁场作用于检测线圈，使线圈阻抗发生变化，从而引起检测信号变化；检测信号经过放大、滤波后传至硬件检波电路，硬件检波电路完成对频率信号的解析，得出检测线圈上检测信号的相位和幅值，从而完成模拟涡流信号的处理。
5.随着现代化步伐的加快，核电厂对涡流检测技术的要求越来越高。在电子、材料学科、计算机技术、信号处理技术、缺陷识别技术的发展与融入等方面，涡流检测技术正在不断取得新的发展、新的应用，当前正处于数字化信息时代，数字信号处理技术成为最前沿的发展技术之一，对涡流信号数字化处理正是这种背景下发展出来的更先进的涡流信号处理技术。数字化涡流信号处理方法与模拟涡流信号处理方法相比，主要有如下优势：数字化信号发生器易于实现将多个不同频率、不同幅值的频率信号叠加在一起形成多频激励信号；数字化方法电路结构简洁、所需模拟电路元器件少、功耗低、电路温漂小，稳定性及可靠性更高；数字电路噪声少，抗干扰能力强，具有很高的信噪比，可以检测到其他同类产品不能检测到的微小缺陷。如何将多频涡流信号数字化应用到涡流探伤结果的分析评定中是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种数字化多频涡流信号处理方法，其将信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。
7.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于，它包括以下步骤：
8.a.设置若干组涡流检测频率组合；
9.b.将不同频率组合产生的频率的正弦信号转化成数字化正弦波信号；
10.c.将数字化后的正弦波信号通过公式∑icos(2πfit+φi)进行叠加处理；
11.d.对完成叠加的第一数字信号进行dac转换，变成模拟正弦波信号；
12.e.对模拟正弦波信号进行放大形成用于驱动涡流探头的激励信号；
13.f.利用产生的激励信号作用于涡流探头上的检测线圈进而产生反馈信号；
14.g.对反馈信号进行模数转换获得第二数字信号，对第二数字信号进行解析获得各个不同频率信号，并单独计算每个频率信号的实部虚部；
15.h.根据解析出的频率信号的实部虚部对涡流探伤结果的分析、评定。
16.优化的，所述步骤e后对激励信号进行滤波。
17.优化的，在所述激励信号滤波后需对滤波后的信号进行放大。
18.优化的，步骤g中，在获得第二数字信号后，对第二数字信号做离散傅里叶变换，得出各个频率信号在频域中所对应的实部虚部(ri，zi)，其中(ri，zi)对应于不同频率下检测线圈阻抗的变化。
19.本发明的有益效果在于：
20.1.本方法据中的电子噪声更少，具有很高的信噪比，可以检测到微小缺陷；
21.2.本方法采用dds(把一系列数字信号通过d/a转换器转换成模拟信号的数字合成技术)技术产生激励信号，具有低成本、低功耗、高分辨率和转换速度快等优点，能够将信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节；
22.3.本方法最多可支持多种不同频率的激励信号同时工作，实现对不同深度缺陷的同时检测，大大提高了检测效率；
23.4.本方法采用dft(离散傅里叶变换)技术，把检测信号从时间域变换到频率域，实现对多频复合信号中各个不同频率实部虚部的计算。其中，对数字信号进行dft运算是通过纯软件算法实现，无需硬件检波电路。无硬件检波电路意味着数据中的电子噪声更小。
附图说明
24.图1是数字化涡流信号处理方法示意图；
25.图2多频信号叠加示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
27.数字化多频涡流信号处理方法具体包括以下步骤：
28.a.首先通过cpu设置涡流检测所需的频率组合。根据被检对象的不同特性，需要设置不同的频率组合。本发明支持同时设置1～5组频率组合，每个频率均可单独配置其频率、相位和幅值。
29.b.如图1所示，频率信号参数配置完成后，本发明通过dds技术将不同频率的正弦信号转化成数字化正弦波，完成对每个正弦波的数字化处理。
30.c.接着对数字化后的正弦波信号通过公式进行叠加处理，需要注意的是，对数字信号进行叠加处理时，需通过对的调整，避免出现不同频率信号波峰叠加在一起引起信号幅值超量程的问题。
31.d.接着对完成叠加的数字信号进行dac转换变成可用的模拟正弦波信号。
32.e.经过dac转换后的模拟信号驱动能力弱，需要经过功率放大器(power amplifier)增强驱动能力，从而形成能够驱动涡流探头的激励信号。
33.f.激励信号作用于涡流探头上的检测线圈，检测线圈靠近被检工件时，该工件表面感应出涡流同时产生与原磁场方向相反的磁场，部分抵消原磁场，导致检测线圈电阻和电感变化。若金属工件存在缺陷，将改变涡流场的强度及分布，使线圈阻抗发生变化，进而导致反馈信号发生变化。这些变化可通过监测线圈阻抗的变化而探测到。检测线圈上产生的反馈信号本身含有很多高频杂波，通过图2所示的低通滤波器(lpf)后能够有效滤除这些干扰信号，提升检测信号的质量。检测信号幅值一般只有十几mv，容易出现衰减。当检测信号衰减到一定程度，就会变成无效信号。因此，如图1所示，本发明在检测电路中加入合适的幅值放大器(amplifier)，实现了对检测信号幅值的放大，从而进一步提高检测信号质量及抗干扰能力。
34.g.放大后的检测信号经模数(ad)转换后变成数字信号。该数字信号为多频叠加信号，包含了被检对象的缺陷信息。需要对此数字信号进行解析，即分离出各个不同频率信号，并单独计算每个频率信号的实部虚部。解析方法为将多频检测数字信号在设定的频点(f1～f5)做dft离散傅里叶变换，得出各个频率信号在频域中所对应的实部虚部(ri，zi)，其中(ri，zi)对应于不同频率下检测线圈阻抗的变化。
35.h.将解析出的(ri，zi)数值传至cpu供专业的涡流检测分析人员完成对涡流探伤结果的分析、评定，实部虚部对应于涡流检测线圈的幅值相位，利用涡流检测线圈的幅值相位来分析探伤。当探头处于介质均匀无伤的导体中，检测线圈的幅值相位相对稳定。当涡流探头通过有缺陷的部位时，会引起检测线圈幅值相位的变化，缺陷越大变化越大。分析人员正是通过对实部虚部的变化，实现对涡流探伤结果的分析、评定，该分析、评定过程可参考由机械工业出版社出版的《涡流检测》一书，分析、评定过程非本发明重点，在此不做赘述。
36.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。

技术特征：

1.一种数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于，它包括以下步骤：a.设置若干组涡流检测频率组合；b.将不同频率组合产生的频率的正弦信号转化成数字化正弦波信号；c.将数字化后的正弦波信号通过公式∑
i
cos(2πf
i
t+φ
i
)进行叠加处理；d.对完成叠加的第一数字信号进行数模转换，变成模拟正弦波信号；e.对模拟正弦波信号进行放大形成用于驱动涡流探头的激励信号；f.利用产生的激励信号作用于涡流探头上的检测线圈进而产生反馈信号；g.对反馈信号进行模数转换获得第二数字信号，对第二数字信号进行解析获得各个不同频率信号，并单独计算每个频率信号的实部虚部；h.根据解析出的频率信号的实部虚部对涡流探伤结果的分析、评定。2.根据权利要求1所述的数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于：所述步骤e后对激励信号进行滤波。3.根据权利要求2所述的数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于：在所述激励信号滤波后需对滤波后的信号进行放大。4.根据权利要求1所述的数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于：步骤g中，在获得第二数字信号后，对第二数字信号做离散傅里叶变换，得出各个频率信号在频域中所对应的实部虚部(ri，zi)，其中(ri，zi)对应于不同频率下检测线圈阻抗的变化。

技术总结

本发明公开了一种数字化多频涡流信号处理方法，其特征在于，它包括以下步骤：a.设置若干组涡流检测频率组合；b.将不同频率组合产生的频率的正弦信号转化成数字化正弦波信号；c.将数字化后的正弦波信号通过公式∑

技术研发人员：

黄松华 汪双印 雷屹坤 唐博 陈建 王小刚 沈绍宾 张洋 束家龙

受保护的技术使用者：

苏州热工研究院有限公司 中国广核集团有限公司 中国广核电力股份有限公司

技术研发日：

2022.08.30

技术公布日：

2022/11/29