双频涡流检测中微弱信号的二维信息提取

1 引 言

    双频涡流检测技术是电磁无损检测技术之一,它广泛地应用于飞机、舰船、核电站等军、民用设施的无损检测。双频涡流检测线圈的阻抗变化中携带了有关被测试件的信息, 它所引起的信号幅值和相位的变化共同反映了缺陷的大小及深浅。目前阻抗分析法仍是电磁无损检测中应用最广的一种方法[1],它能够有效地获取二维 ( 幅度和相位) 综合信息,具备较高的缺陷检测可靠性。正交矢量型锁相放大器正是提取二维信息的有效方法, 它能够实现不同频率信号的有效分离和对幅度、相位信号的正确提取, 是双频涡流检测的关键技术之一。

2 锁相放大器的原理

    锁相放大器检测微弱信号采用的是互相关原理。互相关函数的定义描述了某一时刻 t 的瞬时值x( t) 与另一时刻y( t+τ) 的瞬时值的依赖关系:

从式( 2) 看出, 两个同频的周期信号相互相关, 既保留了同频, 又保留了相位信息。非同频的周期信号是不相关的, 因此可以将同一频率的参考信号与被测信号进行互相关处理, 而干扰信号或其他频率的信号就可以得到消除, 实现信号分离和相位提取。

这就是锁相放大器的基本原理[2], 如图 1。

3 正交矢量型锁相放大器的原理和实现

3.1 硬件实现

    正交矢量型锁相放大器是基于矢量分解原理、实现提取二维信息的电子电路。双频涡流检测线圈的阻抗是一个矢量复阻抗, 包括互相垂直的电抗和电阻两个分量, 可表示为 Z=R+W_i。正交矢量型锁相放大器的两个输出分别对应 R 和 W 分量, 它实质上可看作是由两个锁相放大器 ( LIA) 构成的。由于双频涡流检测中需要进行频率分离和二维信息提取, 因此需要里两个正交矢量型锁相放大器,硬件原理图如图 2。

    参考信号 y( t) 采用与被测信号同频同步的正弦波, y′( t) 由 y( t) 通过一个 90°的模拟或数字移相器获得, 相敏检波器由乘法器实现。s( t) 、y( t) 和 y(′ t)经过乘法器后输入到低通滤波器中, 低通滤波器相当于一个积分过程, 将和频分量滤除掉, 对正交矢量型锁相放大器 1, 可以得到[3-4]:

3.2 软件实现

    在双频涡流检测中涉及到被测信号的频率分离和二维信息提取, 正交矢量型锁相放大器需要两个, 因此需要提供四个采集通道, 两个高精度 90°移相网络, 四个乘法器, 四个低通滤波器。再加上前期信号调理需要的前置放大器和带通滤波器等, 硬件的耗费比较大, 精度要求比较高。因此可以考虑在PC 中用软件的方法实现图 2 中的硬件功能。

    系统框图如图 3。