专利名称：借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置和检测方法
技术领域：
本发明涉及借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置和检测方法。
背景技术：
在检测装置中，在被测装置中生成电磁信号。被测装置具有电导率。涡流在被测装置中形成并被提取。对裂纹附近涡流的变化进行分析。文献W02006/007826A1描述了对被测装置中的裂纹进行无损非接触式探测的装置。这种情况下，通过模-数转换器级联(stage)对试探信号进行扫描以从数字化信号形成解调数字测量信号。模-数转换器级由载波振荡频率的整数因子(whole fraction)触发。文献GB2457496A涉及借由涡流探测缺陷的系统。驱动器信号在测试对象中生成涡流。通过模-数转换器对测量信号进行数字化，随后将其解调。每一测量信号周期，都将四个或八个信号值数字化并将其解调。
发明内容
本发明的目的在于提供借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置和检测方法，其中分析的精确度得到了提高。借由权利要求1的主题和根据权利要求11的方法，可实现这一目的。进一步的改进和配置分别为从属权利要求的主题。在一个实施例中，借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置包括激励线圈、接收线圈、模-数转换器、滤波器布置以及解调器。可将激励信号发送至激励线圈以通过电磁交变场对被测装置产生作用。接收线圈被设计为生成作为被测装置中裂纹函数的线圈信号。模-数转换器的输入侧耦合至接收线圈。滤波器布置的输入侧耦合至模-数转换器，且滤波器布置被设计为带通滤波及降低扫描速率。解调器的输入侧耦合至滤波器布置的输出端。有利地，数字化地实施过滤和解调。因此，可以减少价格上较昂贵的模拟元件。从由模-数转换器提供的几个转换器输出信号值生成发送至解调器的一个解调器输入信号值。这种情况下，模-数转换器的转换器扫描速率可被设置的足够高从而线圈信号被过扫描。从而，实现了高精度地探测线圈信号。借由带通滤波和降低扫描速率可保持精确度，从而在解调器的输出端同样可以非常精确地确定出解调器输出信号。在一个实施例中，模-数转换器被设计为以转换器扫描速率提供转换器输出信号。滤波器布置被设计为以降低的扫描速率将转换器输出信号转换为解调器输入信号。降低的扫描速率是转换器扫描速率的R分之一，R为减缩因子。解调器被设计为对解调器输入信号进行解调。缩减因子是预先设定的。缩减因子是可调的。有利地，低速解调器是适宜的。在一个实施例中，滤波器布置包括带通滤波器，其输入侧耦合至模-数转换器且输出侧耦合至解调器。带通滤波器提供输入信号。在一个实施例中，滤波器布置被设计为从第一数P个输入信号值中仅选出一个用于降低扫描速率的解调器输入信号值。这种情况下，第一数P为整数且大于或等于I。通过选择第P个值，能够有效地降低扫描速率。在一个实施例中，第一数P小于缩减因子R。滤波器布置可被设计为多级式。滤波器布置的至少两个级被设计用于降低扫描速率。滤波器布置的一个级可实施对第P个值的选择。在一个实施例中，输入信号的扫描速率是激励信号的激励频率的M/N倍，M/N为一有理数。在第二数N个激励信号周期中，输入信号具有第一数M个值。第一数M和第二数N都是整数。第一数M和第二数N通常是不同的。在一个实施例中，滤波器布置包括输入滤波器，其输入侧耦合至带通滤波器且具有第一数M个低通滤波器布置。每一情况下，输入滤波器将第一数M个输入信号值中之一发送至第一数M个低通滤波器布置之一。解调器的输入侧耦合至输入滤波器的输出端。有利地，通过选择第一数M和第二数N，对线圈信号的分析具有高度的灵活性。相应于解调器扫描速率的输入信号的扫描速率具有上限。举例来说，如果选择了较高的激励频率值，则输入信号和激励信号之间的有理数比率被设置为使得在多个激励信号周期中仅有少量的输入信号值。然而，如果激励频率被设为低值，有理数比率可被设置为使得在几个周期中就有多个输入信号值。因此，检测装置可被设置为在任何选择的激励频率上，分析每一时间单元上尽可能多的输入信号值。由于解调器的扫描速率是激励频率的M/N倍，因而可通过改变激励信号各个相位角上的M/N因子来实施解调。因此，对线圈信号的分析就无需被限制为同上，例如，可仅在正弦激励信号的90°和270°上进行分析。这实现了高精度地分析线圈信号。有利地，独立于数字解调器来实施模-数转换器，缩写为AD转换器。对于第一数M和第二数N，仅考虑没有大于I的整数公因数的整数。在一个实施例中，第二数N大于I。因此，在两个或多于两个连续的激励信号周期中在激励信号不同的相位角上进行分析。在一个实施例中，第一数M大于I。因此，在第二数N个激励信号周期中至少分析两个值。例如,第一数M仅为奇数。激励信号可为正弦曲线。有利地，激励信号中谐波的比例非常低。在一个实施例中，借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测方法包括通过激励线圈用电磁交变场对被测装置产生作用。发送激励信号至激励线圈。此外，通过接收线圈生成作为被测装置中裂纹函数的线圈信号。通过对线圈信号的数字化提供转换器输出信号。通过具有带通滤波器特性并降低扫描速率地过滤转换器输出信号来生成解调器输入信号。通过解调器对解调器输入信号进行解调。有利地，以不同的速率执行数字化和解调。因此，在数字化期间可获得高的转换器扫描速率，从而可维持奈奎斯特-香农采样定理。通过带通滤波且降低扫描速率，可生成精确的解调输入信号。因此，可提供高度的灵活性以相应于激励频率选择扫描速率。从而可高度精确地分析线圈信号。有利地，能够使用低速运行的数字解调器来进一步地处理解调器输入信号。在一个实施例中，检测方法包括频率转换地进行数字解调。检测方法具有模解调。在一个实施例中，模-数转换器以转换器扫描速率执行数字化。转换器扫描速率至少为激励频率的两倍。因此，转换器扫描速率可设置为足够的高从而可避免线圈信号的欠扫描。
下文中，基于几个实施例的附图对本发明进行了详细的解释。功能与作用相同的元件、开关部分以及操作模块具有相同的附图标记。在任一下列附图中，如果或当元件、开关部分以及操作模块相应于其功能，则将不再对其进行赘述。其中:图1A至IC示出检测装置的一个典型实施例，图2示出检测装置的另一典型实施例，图3A和3B示出检测装置细节的典型实施例，以及图4A至4C示出在检测装置中发生的频谱的典型视图。
具体实施例方式附图1A示出检测装置的典型实施例。检测装置10包括信号处理器11，其具有信号发生器12。此外，检测装置10包括数-模转换器13和激励线圈14。信号发生器12的输出端连接至数-模转换器13的输入端。数-模转换器13的输出端耦合至激励线圈14。此外，检测装置10包括布置在数-模转换器13的输出端和激励线圈14之间的激励放大器
15。被测装置16布置在激励线圈14附近。另外，检测装置10具有接收线圈17和AD转换器21。接收线圈17实施为独立线圈。检测装置10实施独立通道检测方法。接收线圈17靠近被测装置16。接收线圈17的输出端耦合至AD转换器21的输入端。此外，检测装置10包括接收放大器20，其将接收线圈17耦合至AD转换器21。可通过信号处理器11设定接收放大器20的放大因子。检测装置10具有滤波器布置22，处于AD转换器21的下游。滤波器布置22包括处于AD转换器21下游的低通滤波器23。此外，滤波器布置22包括处于低通滤波器23下游的采样单元24。滤波器布置22还具有带通滤波器25。带通滤波器25的输入端连接至采样单元24。另外，滤波器布置22包括处于带通滤波器25下游的另一采样单元26。因而滤波器布置22包括两个顺序连接的滤波器23、25。滤波器布置22具有带通功能。另外，滤波器布置22具有低通功能。此外，滤波器布置22包括输入滤波器29。检测装置10具有解调器27。解调器27实施为数字解调器。输入滤波器29布置在带通滤波器25和另一采样单元26与解调器27之间。解调器27的信号输入端耦合至输入滤波器29的输出端。此外，滤波器布置22包括减法器31，其将输入滤波器29连接至解调器27。解调器27包括第一和第二乘法器32、33，其连接至信号输入端以及解调器27的两个解调器输入端28、28’。此外，解调器27包括解调器滤波器34和解调器采样单元35，其处于第一和第二乘法器32、33的下游。此外，检测装置10包括显示器38，其输入端耦合至解调器27。检测装置10包括时钟发生器39。时钟发生器39耦合至信号处理器11的时钟输入端、数-模转换器13的时钟输入端以及AD转换器21的时钟输入端。检测装置10包括模-数转换器布置18，简称为AD-转换器布置。该AD-转换器布置18包括AD转换器21以及滤波器布置22的一部分。该AD-转换器布置18具有低通滤波器23、采样单元24、带通滤波器25以及另一采样单元26。信号处理器11包括滤波器布置22的其他部分和解调器27。信号处理器11具有输入滤波器29和减法器31。时钟发生器32以时钟频率fCLK来提供一时钟信号CLK。时钟信号CLK被发送至AD-转换器布置18、数-模转换器13以及信号处理器11。因此，时钟信号CLK同步了 AD-转换器布置18、数-模转换器13以及信号处理器11的进程。信号发生器12以数字值的形式提供发生器信号SEG。数-模转换器13从发生器信号SEG生成数字-模拟-转换器信号SDA。通过激励放大器15放大数字-模拟-转换器信号SDA，且SDA作为激励信号SE被发送至激励线圈14。因此，发生器信号SEG向数字-模拟转换器13提供数字值的速率最多等于时钟频率fCLK。发生器信号SEG的值产生出正弦函数。这种情况下，在L个值之后，发生器信号SEG的值开始重复。激励信号SE具有激励频率fm。因此对于激励频率fm，适用fCLK=L*fm。L为整数。信号处理器11被设计为从多个预设的激励频率值fm中选择并设定一个激励频率值fm。可从接收线圈17上提取线圈信号SP。线圈信号SP被接收放大器20放大并作为放大的线圈信号SP’被发送至AD转换器22。AD转换器布置18从线圈信号SP或放大的线圈信号SP’生成输入信号SDE。输入信号为数字信号。为此，AD转换器21将放大的线圈信号SP’转换成转换器输出信号SW。AD转换器21以转换器扫描频率fa扫描放大的线圈信号SP’。转换器扫描频率fa等于时钟发生器31的时钟频率fCLK。以恒定的间隔扫描线圈信号SP。两次扫描时间之间的时间间隔为1/fa且是恒定的。转换器扫描频率fa独立于激励频率值fm且当激励频率fm发生变化时仍保持不变。滤波器布置22从转换器输出信号SW生成解调器输入信号SD。为此，通过低通滤波器23过滤转换器输出信号SW且通过采样单元24转换其扫描频率。采样单元24实施高扫描速率向低扫描速率的转换(down-sampling,下采样)。通过带通滤波器25过滤由此生成的信号且通过另一采样单元26再次转换其扫描频率。采样单元26同样实施高扫描速率向低扫描速率的转换。因此，由AD转换器布置18提供的输入信号SDE具有扫描频率fa’。输入信号SDE的扫描频率fa’小于转换器扫描频率fa。这种情况下，适用下式fa=Rl*fa’，其中Rl是第一缩减因子。第一缩减因子Rl为整数或有理数。这种情况下，Rl > I。信号处理器11通过控制线控制滤波器布置22，具体地控制采样单元24和带通滤波器25。输入信号SDE反映以同样的时间间隔生成的值。输入信号SDE的两个值之间的时间间隔为I/fa’。该时间间隔是恒定的。输入信号SDE被发送至输入滤波器29。输入滤波器29实施为低通滤波器。输入信号SDE的扫描速率fa’被选择为使得在第二数N个激励信号SE周期中出现第一数M个值。输入滤波器29以同相的方式过滤输入信号SDE。在输出侧,输入滤波器29通过具有短和/或长的时间常量的低通滤波提供了短期低通滤波器信号SK和长期低通滤波器信号SL0短期低通滤波器信号SK和长期低通滤波器信号SL被发送至减法器31。减法器31在其输出侧提供作为短期低通滤波器信号SK和长期低通滤波器信号SL之间的差的函数的解调器输入信号SD。解调器输入信号SD被供应至解调器27。
信号处理器11通过解调器输入端28、28’向第一和第二乘法器32、33以正弦值或余弦值的形式提供两个解调器信号DS、DS’。信号处理器11是以输入信号SDE的扫描频率fa’来提供正弦和余弦值。这种情况下，被发送至第一和第二乘法器32、33的正弦值和余弦值以激励频率fm形成正弦振荡和余弦振荡。因此，被发送至第一乘法器32的解调器信号DS的正弦值图相应于由信号发生器12提供的发生器信号SEG的相位响应。因此，解调器信号DS、DS’的解调频率为激励频率fm。第一乘法器32将解调器信号DS的正弦值与解调器输入信号SD相乘。而第二乘法器33将另一解调器信号DS’的余弦值与解调器输入信号SD相乘。由第一乘法器32提供的第一解调器输出信号SI和由第二乘法器33提供的第二解调器输出信号S2被解调器滤波器34过滤且被解调器采样单元降低了扫描频率，并作为第一和第二期望信号SN1、SN2被提供至解调器27的第一和第二期望信号输出端36、37。第一期望信号SNl反映了期望信号的虚数部分，而第二期望信号SN2反映了期望信号的实数部分。第一和第二期望信号SN1、SN2在显示器38上被描绘为点。这种情况下，点的X坐标相应于第一期望信号SN1，点的Y坐标相应于第二期望信号SN2。如果被测装置16有裂纹，则在时间上顺序产生的第一和第二期望信号SN1、SN2的值在显示器38上形成环状。然而，如果被测装置16在收发线圈14、17区域没有裂纹，则第一和第二期望信号SN1、SN2将在显示器38上生成靠近坐标原点的点。信号处理器11通过软件实施的方法运行输入滤波器29、减法器31及解调器27。信号处理器11执行实时处理输入信号SDE的方法。低通滤波器23、带通滤波器25以及解调器滤波器34被设计为有限脉冲响应滤波器，简称为FIR滤波器。输入滤波器29实施为无限脉冲响应滤波器，简称为IIR滤波器。在未示出的滤波器布置22的一可选实施例中，低通滤波器23和采样单元24集成为一个单元。在未示出的滤波器布置22的一可选实施例中，带通滤波器25和另一采样单元26组合为一个单元。在未示出的一可选实施例中，在时钟发生器39和AD转换器21之间设置分频器，其以整因子LI分配时钟频率fCLK。因此，下式适用:fCLK=fa*Ll。在未示出的一可选实施例中，以不同的方式将滤波器布置22分成AD转换器布置18和信号处理器11。在未示出的一可选实施例中，检测装置10包括滤波器组件，该组件包括滤波器布置22的至少一部分。例如，该滤波器组件可实施为输入滤波器29。在未示出的一可选实施例中，检测装置10包括设置在接收线圈17和AD转换器22的输入端之间的抗混滤波器。该抗混滤波器实施为接收低通滤波器。该滤波器可作为抗扫描干扰滤波器。图1B示出输入滤波器29的典型实施例，其可实施在根据图1A的检测装置中。输入滤波器29包括第一数M个低通滤波器布置40、41、42。第一低通滤波器布置40包括第一短期低通滤波器43和第一长期低通滤波器44。相应地，第二低通滤波器布置41包括第二短期低通滤波器和第二长期低通滤波器45、46。此外，输入滤波器29包括其它短期和长期低通滤波器。最后，第M个低通滤波器布置42包括第M个短期低通滤波器47和第M个长期低通滤波器48。另外,输入滤波器29包括输入开关49、输出开关50以及另一输出开关51。输入开关49将输入滤波器29的滤波器输入端30交替地耦合至第一、第二直至第M个低通滤波器布置40、41、42的输入端。第一低通滤波器布置40的输入端连接至第一短期低通滤波器43的输入端和第一长期低通滤波器44的输入端。这同样适用于第二直至第M个低通滤波器布置41、42。信号处理器11采用控制信号SC控制输入开关49以使得输入信号SED的第一数M个值中的第一低通滤波器布置40的第一值被发送、第二低通滤波器布置41的第二值被发送、一直到第M个低通滤波器布置43的第M个值被发送。对于输入信号SDE接下来的M个值，即在激励信号SE接下来的周期中，重复上述操作。短期低通滤波器43、45、47过滤输入信号的各个值，其时间常量比长期低通滤波器44、46、48的时间常量要短。短期低通滤波器43、45、47传送第一数Zl个激励信号SE周期。而长期低通滤波器44、46、48传送第二数Z2个激励信号SE周期。这种情况下，适用下式:Z1 < Z2。输出开关50交替地转换第一短期低通滤波器43的输出端、第二短期低通滤波器45的输出端及第M个短期低通滤波器47的输出端至减法器31的第一输入端。同步地，另一输出开关51交替地转换第一长期低通滤波器44的输出端、第二长期低通滤波器46的输出端及第M个长期低通滤波器48的输出端至减法器31的第二输入端。因此在减法器31的输出端，第一低通滤波器布置40的短期低通滤波器信号SK和长期低通滤波器信号SL之间的差作为解调器输入信号SD，且之后第二低通滤波器布置40直至第M个低通滤波器布置40两个值之间的差都是可用的。因此，输入滤波器29实施为对第一数M个输入信号SDE值的分相低通过滤。通过减法器31的减法运算，第一数M个输入信号SDE值中的每一个的平坦(even)分量被最小化，仅将交变含量传送至解调器27。有利地，通过输入滤波器29对第一数M个输入信号SDE值的同相低通过滤，获得了非常高的噪声抑制。在一可选实施例中，输入滤波器29实施为FIR滤波器。可选地，输入 滤波器29可设计用于降低扫描速率。短期和长期低通滤波器43至48可降低扫描速率。图1C示出通过输入滤波器29实施的谐波解调的图形描绘。由AD转换器布置18提供的输入信号SDE以幅度和相位的形式在此示出。举例来说，在这点上，示出第一数M=3，以及第二数N=I。在激励信号SE运行第二数N=I个周期时，AD转换器布置18提供第一数M=3个输入信号SDE值。这种情况下，第一数M个值的第一个值被发送至第一短期低通滤波器43和第一长期低通滤波器44。相应地，第一数M个值的第二个和第三个值被发送至第二低通滤波器布置41的第二短期和/或长期低通滤波器45、46，或第M个低通滤波器布置42的第M个短期低通滤波器47和第M个长期低通滤波器48。实例中，第一短期低通滤波器43输出端的短期低通滤波器信号SK可按下式计算:
SK'SK = SKw-SDE-^-，
2m其中SK是短期低通滤波器信号的现值，SK’是短期低通滤波器信号的先前值，SDE是输入信号的现值，以及M是第一数。输入信号SDE的扫描速率fa’与激励频率fm呈有理数比率。可根据下式计算有理数比率:
权利要求
1.一种借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置，包括: 激励线圈(14)，激励信号(SE)被提供至所述激励线圈以通过电磁交变场对被测装置(16)产生作用， 接收线圈(17)，以生成线圈信号(SP)，其为被测装置(16)中的裂纹的函数， 模-数转换器(21)，其输入侧耦合至接收线圈(17)， 滤波器布置(22 )，其输入侧耦合至模-数转换器(21)且被设计为用于带通滤波并降低扫描速率， 解调器(27)，其输入侧耦合至滤波器布置(22)的输出端。
2.根据权利要求1的检测装置，其中模-数转换器(21)被设计为以转换器扫描速率(fa)提供转换器输出信号(SW);滤波器布置(22)被设计为以降低的扫描速率(fa”)将转换器输出信号(SW)转换为解调器输入信号(SD)，其中所述降低的扫描速率是转换器扫描速率(fa)的R分之一，R为减缩因子，以及解调器(27)被设计为对解调器输入信号(SD)进行解调。
3.根据权利要求1或2的检测装置，滤波器布置(22)包括带通滤波器(25)，其输入侧耦合至模-数转换器(21)且输出侧耦合至解调器(27 )以提供输入信号(SDE )。
4.根据权利要求3的检测装置，滤波器布置(22)包括转换系统(29”)，其被设计为从第一数P个输入信号(SDE)值中仅选出一个值作为解调器输入信号值(SD)以降低扫描速率，其中第一数P为整数且大于I。
5.根据权利要求1-4之一的检测装置，其中在第二数N个激励信号(SE)周期期间，输入信号(SDE)具有第一数M个值，第一数M和第二数N为不同的整数，滤波器布置包括第一数M个低通滤波器布置(40、41、42)并被设计为在每种情况下第一数M个输入信号(SDE)值中之一被提供至第一数M个低通滤波器布置(40、41、42)中之一。
6.根据权利要求5的检测装置。其中第一数M个低通滤波器布置(40、41、42)中的至少一个包括短期低通滤波器(43、45、47)和长期低通滤波器(44、46、48)，长期低通滤波器的时间常量大于短期低通滤波器(43、45、47)的时间常量。
7.根据权利要求1至6之一的检测装置，包括带阻滤波器(57)，其输入侧耦合至解调器(27)。
8.根据权利要求1至7之一的检测装置，包括信号处理器(11)，其包括耦合至激励线圈(14)的信号发生器(12)，其中信号处理器(11)进一步地包括解调器(27)并被设计为以同相的方式向解调器(27)的解调器输入端(28、28’)提供解调器信号(05、05’)。
9.根据权利要求8的检测装置，包括数-模转换器(13)，设置在信号发生器(12)和激励线圈(14)之间。
10.根据权利要求8或9的检测装置，包括时钟发生器(39)，时钟发生器(39)的输出侧耦合至信号发生器(11)的时钟输入端和模-数转换器(21)的时钟输入端。
11.一种借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测方法，包括: 通过提供有激励信号(SE)的激励线圈(14)，采用电磁交变场对被测装置(16)产生作用， 通过接收线圈(17)生成作为被测装置(16)中的裂纹函数的线圈信号(SP)， 通过对线圈信号(SP)的数字化提供转换器输出信号(SW)，通过具有带通特性并降低扫描速率地过滤转换器输出信号(SW)来生成解调器输入信号(SD)，以及 通过解调器(27)对解调器输入信号(SD)进行解调。
12.根据权利要求11的检测方法，其中转换器输出信号(SW)具有转换器扫描速率(fa)，解调器输入信号(SD)具有降低的扫描速率(fa”)，其为转换器扫描速率(fa)的R分之一。
13.根据权利要求11或12的检测方法，其中通过带通滤波器(25)，从转换器输出信号(SW)中生成输入信号(SDE),或从转换器输出信号(SW)中导出的信号生成输入信号(SDE)。
14.根据权利要求13的检测方法,其中为降低扫描速率,在第一数P个输入信号(SDE)值中仅提供一个值作为解调器输入信号(SD)，其中第一数P为整数且大于I。
15.根据权利要求13或14的检测方法，其中输入信号(SDE)的扫描速率(fa’)为激励信号(SE)的激励频率(fm)的有 理数M/N倍，在第二数N个激励信号(SE)周期期间，输入信号(SDE)具有第一数M个值，且第一数M和第二数N为不同的整数。
全文摘要
一种借由涡流对被测装置中的裂纹进行无损探测的检测装置(10)，包括激励线圈(14)，激励信号(SE)被提供至所述激励线圈以通过电磁交变场对被测装置产生作用；接收线圈(17)，以生成线圈信号(SP)，其为被测装置(16)中的裂纹的函数；模-数转换器(21)，其输入侧耦合至接收线圈(17)；滤波器布置(22)，其输入侧耦合至模-数转换器(21)且被设计为用于带通滤波并降低扫描速率；以及解调器(27)，其输入侧耦合至滤波器布置(22)的输出端。
文档编号G01N27/90GK103217473SQ20131002693
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月18日 优先权日2012年1月20日
发明者H·伊利塞恩, W·布瑞 申请人:普乐福尼克·迪特·布什股份公司