专利名称：用于涡流信号的数字测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及利用数字信号处理技术测量涡流信号。
背景技术：
在无损涡流冲全测(eddy current testing)中，振荡器或其它信号 发生器产生交流(AC)驱动信号(例如，正弦波)，该驱动信号驱动位 于导电检测物体(test object)附近的涡流探头的线圈。探头线圏中 的驱动信号产生电》兹场，该电》兹场穿过导电检测物体并在该;险测物体中 感应涡流，这些涡流进而产生其自身的电磁场。驱动信号的频率以及检 测物体的材料性质(例如，电导率、导磁率等)决定特定电磁场穿透检 测物体的深度，其中低频信号比高频信号穿透得更深。对于大多探伤应 用，使用在lKHz到3MHz范围内的涡流探头频率。
由涡流生成的电》兹场在涡流:探头中生成返回信号(return signal )。 驱动信号与返回信号的比较可以提供关于检测物体的材料特性的信息，
包括在特定深度存在瑕疯或者其它缺陷。将涡流探头置于已知没有瑕疯 或缺陷的一段检测物体上导致生成可用来建立参考或零位信号(null signal)的返回信号。确定驱动信号和这个参考或零位信号之间的差别
(例如，相移)可建立参考数据，通过该参考数据可以对未知段的检测 物体进行后续测量。
未知段检测物体的这些后续测量可以通过如下过程进行沿检测物 体的表面滑动涡流探头，以及连续地监控驱动信号和由涡流电磁场所生 成的返回信号之间的差别。驱动信号和返回信号之间的差别与驱动信号 和参考或零位信号之间的差别的不一致，在这个意义上，这可以指示在 检测物体中的那个位置存在瑕疯或其它缺陷(或材料特性中的其它变 化)。为了帮助简化往往复杂的涡流响应，幅度和相位的变化往往显示 在阻抗平面图(系统电感与电阻的关系曲线)上。这样，操作员差异的 变化比如(提离时)探头和试件之间的距离会导致形成轨迹的斑点
(spot)的水平移动，而任何瑕疵的存在会造成该斑点垂直移动。无论 怎样，涡流检测的关键步骤是确定驱动信号和返回信号之间的差别(例 如，相移)。
在涡流检测中用于确定驱动信号和返回信号之间的差别的沖莫拟方法是众所周知的。在一种广泛使用的方法中， 一个或多个振荡器被用来生 成频率和幅度与驱动信号相同的正弦信号和余弦信号。每个正弦信号和 余弦信号在经过低通滤波器之后与返回信号进行混合或相乘，该返回信 号在混合或相乘之前已被放大。来自乘法器的每个合成信号含有相乘的 两个信号的和积与差积并且含有基于检测物体返回信号的差别信号
(difference signal)的幅度和相位信息。那些合成的信号然后被低 通滤波以去除所有除差频之外的任何低频谐波产物。在对合成信号进行 求和及放大之后，这些信号代表驱动信号和返回信号之间的差别的正交 信号，从中可以导出该差别信号的相位和幅度。正交信号被多路复用， 经过模数转换器，然后由计算机或其他处理器接收以分析信号并确定瑕 疯或其他缺陷的存在。
数字电路与模拟电路相比具有几个固有的优势，包括元件数量的减 少，这可能导致制造成本的降低以及消除或最小化由元件容差变化所引 起的潜在影响。给于这些优势，随着数字信号处理的出现，有人已用数 字电路来替代上述的模拟电路和操作。虽然这一变化可以改善此应用的 性能和成本，但数字电路仍然必须执行将返回信号与正弦及余弦信号相 乘以产生正交输出的计算，该正交输出然后被分析以确定差别信号的相 位和幅度。利用数字信号处理技术来执行涡流检测而无需将返回信号与 正弦及余弦信号相乘将会是有利的
发明内容
在本发明的一个实施例中，公开了 一种用于对才企测物体进行涡流才企 测的方法和设备，其包含以下步骤生成数字驱动信号，将所述数字驱 动信号转换成模拟驱动信号以驱动探头中的线圏；将所述探头置于检测 物体附近；接收由所述检测物体生成的电磁场，该电磁场生成模拟返回 信号；将所述模拟返回信号转换成数字返回信号；测量所述数字返回信 号的幅度；测量所述数字返回信号与数字驱动信号相比的相移；根据该 相移确定所述数字返回信号的相移角；根据数字返回信号幅度和所述相 移角，确定所述数字返回信号的正交分量；以及分析所述数字返回信号 的所述正交分量来确定所述检测物体的材料特性。
图1是用以执行涡流检测的数字电路的框图。
图2是涡流检测中典型的驱动信号和返回信号的曲线图。图3是涡流检测中返回信号的幅度和相移角的向量表示。
图4是用于显示涡流检测的结果的阻抗平面显示。
具体实施例方式
图1示出了利用数字信号处理技术执行涡流检测而采用的数字电路
的框图。数字信号发生器或波形合成器IO可以生成数字驱动信号100。 数字驱动信号IOO可以是单频信号或多频信号，这取决于是否要求检查 检测物体中的一个或多个深度或其他参数。如图l所示，数字驱动信号 IOO具有可测量的幅度(D) 102和选定的时间参考(T。) 其可用于 与数字返回信号200的稍后比较。该幅度可被测量为峰值或峰-峰值。 数字驱动信号1GQ然后经过数模转换器(DAC) 12,生成模拟驱动信号， 接着该模拟驱动信号经过低通滤波器14。滤波后的模拟驱动信号然后由 探头驱动器16接收，探头驱动器16驱动涡流探头18中的线圈(未示 出)。该涡流探头18生成电磁场，当邻近导电检测物体(未示出)放 置时，该电磁场渗透到检测物体内并在检测物体中感应涡流，该涡流进 而生成其自身的电磁场。
由涡流生成的电磁场在涡流探头18中生成;^莫拟返回信号。该模拟 返回信号由涡流探头18接收，然后由放大器20放大，经过模数转换器 (ADC)22,然后经过一个或多个带通滤波器24,生成数字返回信号200。 由于驱动信号的频率决定特定电磁场穿透检测物体的深度，所以就使用 多频驱动信号而言，可以用多个带通滤波器24隔离来自检测物体的不 同深度的数据或补偿提离(lift off)。数字器件可以用来提供带通滤 波器24的功能(即隔离感兴趣的频率或窄带频率)。正如数字驱动信 号100,特定频率或频带的数字返回信号200具有可测量的幅度(R)202 并且当与该频率或频带的数字驱动信号100的时间参考(T。) 104相比 时具有可测量的时移或相移(Ts) 204。该幅度可被测量为峰值或峰-峰 值。数字驱动信号IOO和数字返回信号200两者可以具有相同的周期(T) 106。
图3示出了数字返回信号200的幅度(R) 202和相移角(e) 206 的向量表示。如图1所示，时间及幅度测量器件26确定数字返回信号 200的幅度(R) 202和相移角(e) 206并且可以用包括FPGA、 DSP和其 他数字器件的若干数字器件中的任何一种来实现。数字返回信号200的 相移角(e) 206可以通过计算数字返回信号200的时移或相移(Ts ) 204与周期(T) 106的比值然后将该比值乘以360°而确定。数字返回信号 200的幅度(R) 202可以通过确定信号的峰值或峰-峰值而直接确定。
数字返回信号200的幅度(R) 202和相移角(e) 206可以以极坐 标形式直接处理或者可以转换成更常规的涡流方法的X, Y坐标。知道信 号的幅度和相角就能够计算该信号的正交(正弦和余弦)分量(X和Y )。 通过将幅度(R) 202分别乘以相移角(e) 206的佘弦和正弦，坐标转 换器28可以将数字返回信号200的幅度(R) 202和相移角(e) 206转 换成正交形式。
由于驱动信号的频率决定特定电磁场穿透检测物体的深度而低频
信号比高频信号穿透得更深，所以为了在检测物体中的多个深度执行涡 流检测，图1的数字信号发生器或波形合成器10可以以多个频率提供 数字驱动信号100。感兴趣的特定深度可以通过分析与该深度相应的频 率的数字返回信号200和数字驱动信号100而进行选择。可以通过提供 多个带通滤波器34、 44、 54和时间及幅度测量块36、 46、 56以为相关 频率确定数字返回信号200的幅度(R) 202和相移角(e) 206来执行 多频分析。数字返回信号200的测量的幅度(R) 202和相移角(e)206 -故传送到计算机或其他处理器40,在此它们一皮分析以确定在检测物体中 缺陷或瑕疯的存在或者材料特'性的其他变化。
在典型的涡流系统中，涡流测量的结果示于阻抗平面内和由用户观 看的显示器403上，如图4所示。这个显示器403可以是电脑屏或类似 设备。当涡流探头18移到检测物体上时，显示器403上的可视指示器 或斑点根据数字返回信号200的所测量幅度(R) 202和相移角(e) 206 而移动。由于显示器403具有余辉，所以可以观察到斑点的最新运动。 如前所述，在阻抗平面显示器403中，检测物体中的缺陷可以与涡流探 头18提离相区分，原因在于提离造成斑点的运动与由缺陷造成的运动 相正交。这一差别可以通过探头频率选择进行优化。在图4中，来自探 头18提离^r测物体的响应纟皮示为400。对缺陷的响应^皮示为401。
希望的是具有阻抗平面显示器403的固定位置(例如，中心)来代 表物体上没有瑕疯或缺陷的位置的涡流测量。为此，有必要生成这一位 置的模拟返回信号或数字返回信号，该信号称为零位信号。这个零位信 号或其测量值(例如，幅度和相移角或正交分量)可以;波存储并且从后 续生成的未知位置的模拟返回信号或数字返回信号中被有效地减去。这一减法可以用若干方式来完成，这些方式包括向后续生成的未知位置的
模拟返回信号或数字返回信号加入(inject)与零位信号相等且反向的 信号。
减去或加入零位信号可以在信号链中的任何点上完成。例如，如图 1所示，零位信号的幅度和相移角的正交分量被存储在参考存储器30 中。在后续的检测期间，利用减法器或加法器31、 32，从数字返回信号 200的幅度(R) 202和相移角(e) 206的正交分量中自动减去这些值。 可选地，与零位信号相等且反向的信号可以在由ADC 22转换之前被加 入到模拟返回信号。
也可以方便地调节所显示的数据以致提离造成斑点水平地移动而 缺陷造成斑点垂直地移动。这样，可以设定简单的阈值402,代表在报 告缺陷之前的最大可容许响应。数字返回信号200的幅度(R) 202和相 移角(e) 206的自动评估可以以这种方式执行。如果可视指示器或斑点 在垂直方向上超过阈值402,可以设定警报或者由计算机或其他监控电 路采取其他动作。为了调节显示器403以将对提离和缺陷的响应与X轴 和Y轴对齐，可以对数字返回信号200的相移角(e) 206加上或减去一 常数。这可以用相位旋转器件27对相移角(e) 206加上或减去一常数 来完成，如图1所示。
该书面说明利用示例来公开本发明(包括最佳模式)并且使本领域 任何技术人员能够实行并使用本发明。该发明可授予专利的范围由权利 要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类 其他示例具有不同于权利要求书的字面语言的结构元件或者如果此类 其他示例包括等效的结果元件而与权利要求书的字面语言无实质区别， 则此类其他示例意欲落入权利要求书的范围。
8部件列表
10 数字信号发生器
12 数模转换器(DAC)
14 低通滤波器
16 探头驱动器
18 涡流:探头
20 放大器
22 模数转换器(ADC)
24 带通滤波器
26 时间及幅度测量器件
28 坐标转换器
30 参考存储器
31 减法器
32 加法器
34 带通滤波器
36 时间及幅度测量器件
40 计算机
44 带通滤波器
46 时间及幅度测量器件
54 带通滤波器
56 时间及幅度测量器件
100数字驱动信号
102数字驱动信号幅度(D)
104数字驱动信号时间参考(T。)
106数字驱动信号/返回信号周期(T)
200 数字返回信号
202数字返回信号幅度(R)
204数字返回信号时移或相移(Ts)
206数字返回信号相移角(e)
400探头提离 401对缺陷的响应
402 阈值403 阻抗平面显示
权利要求
1、 一种用于对^r测物体进行涡流;险测的方法，其包含以下步骤 生成数字驱动信号；将所述数字驱动信号转换成模拟驱动信号，所述模拟驱动信号驱动 探头中的线圏；将所述探头置于所述检测物体附近；接收由所述检测物体生成的电磁场，所述电磁场生成才莫拟返回信号；将所述模拟返回信号转换成数字返回信号； 确定所述数字返回信号的幅度；根据与所述数字驱动信号相比所述数字返回信号的相移，确定所述 数字返回信号的相移角；根据所述数字返回信号幅度和所述相移角，确定所述数字返回信号 的正交分量；和分析所述数字返回信号的所述正交分量来确定所述检测物体的材 料特性。
2、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在阻抗平面上显示所述材料特性的可视指示器的步骤。
3、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述数字返回信号滤波以从所述数字返回信号中隔离第一频带的步骤。
4、 一种用于对检测物体进行涡流检测的设备，其包含 数字信号发生器，其中所述数字信号发生器生成数字驱动信号； 数模转换器，其中所述数^t转换器将所述数字驱动信号转换成^t拟驱动信号；探头，其中所述探头发射由所述模拟驱动信号生成的第一电磁场并 接收由所述检测物体生成的第二电磁场；模数转换器，其中所述转换器将由所述电磁场生成的模拟返回信号 转换成数字返回信号；时间及幅度测量器件，其中所述时间及幅度测量器件确定所述数字 返回信号的幅度，以及根据与所述数字驱动信号相比所述数字返回信号 的相移来确定所述数字返回信号的相移角；坐标转换器，其中所述坐标转换器根据所述数字返回信号幅度和所述相移角，确定所述数字返回信号的正交分量；和处理器，其用于分析所述数字返回信号的所述正交分量来确定所述 检测物体的材料特性。
5、 根据权利要求4所述的设备，进一步包括显示器，其中所述显 示器在阻抗平面上提供所述材料特性的可视指示器。
6、 根据权利要求4所述的设备，其中所述信号发生器是波形合成器。
7、 根据权利要求4所述的设备，进一步包括第一带通滤波器，其 中所述第一带通滤波器从所述数字返回信号中隔离第一频带。
8、 根据权利要求4所述的设备，其中所述时间及幅度测量器件是 完全可编程门阵列和数字信号处理器之一。
9、 一种用于对检测物体进行涡流检测的设备，其包含 用于生成数字驱动信号的装置；用于将所述数字驱动信号转换成模拟驱动信号的装置，所述模拟驱 动信号驱动探头中的线圏；用于将所述探头置于所述检测物体附近的装置；用于接收由所述检测物体生成的电磁场的装置，所述电磁场生成模 拟返回信号；用于将所述模拟返回信号转换成数字返回信号的装置；用于确定所述数字返回信号的幅度的装置； 用于根据与所述数字驱动信号相比所述数字返回信号的相移来确定所述数字返回信号的相移角的装置；用于根据所述数字返回信号幅度和所述相移角来确定所述数字返 回信号的正交分量的装置；和用于分析所述数字返回信号的所述正交分量来确定所述检测物体 的材料特性的装置。
全文摘要
本发明涉及用于涡流信号的数字测量的方法和设备。公开了一种用于对检测物体进行涡流检测的方法和设备，其包含以下步骤生成数字驱动信号，将所述数字驱动信号转换成模拟驱动信号以驱动探头中的线圈；将所述探头置于检测物体附近；接收由所述检测物体生成的电磁场，该电磁场生成模拟返回信号；将所述模拟返回信号转换成数字返回信号；测量所述数字返回信号的幅度；测量所述数字返回信号相对所述数字驱动信号的相移；根据该相移确定所述数字返回信号的相移角；根据数字返回信号幅度和所述相移角，确定所述数字返回信号的正交分量；以及分析所述数字返回信号的所述正交分量来确定所述检测物体的材料特性。
文档编号G01N27/90GK101311715SQ200810109110
公开日2008年11月26日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者J·M·库费, M·H·费多 申请人:通用电气检查技术有限合伙人公司