一种基于频域分析的电磁超声测厚方法与流程

本发明属于电磁超声无损检测领域，更具体地，涉及一种基于频域分析的电磁超声测厚方法。

背景技术：

电磁超声，是无损检测领域出现的新技术，具有结构简单、无需耦合剂，能够适应一定的提离的优点，该技术利用电磁耦合方法激励和接收超声波。与传统的超声检测技术相比，它具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适于高温检测以及容易激发各种超声波形等优点。在工业应用中，电磁超声正越来越受到人们的关注和重视。电磁超声是处于交变磁场中的金属导体，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中收到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波，于此相反，由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示，我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声，在上述方法中，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的，电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。

目前，申请号为201610172021.0的发明专利申请公开了一种建立在数字采集电路系统基础上的电磁超声测厚方法；申请号为201510582587.6的发明专利申请公开了一种用两种确定频率脉冲的电磁超声测量金属材料厚度的方法，上述技术主要围绕电磁超声回波信号时域周期的获取进行，集中解决如何通过各种方法提取回波信号时间间隔，因为电磁超声换能效率低，因此受提离的影响大，并且电路噪声会对回波周期的测量造成影响，导致现有电磁超声仪器能做到的提离小，信号处理电路复杂。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于频域分析的电磁超声测厚方法，该方法通过将采集的感应信号依次进行重采样、整周期延拓、低通滤波、取正半周信号和快速傅里叶变换后，使其从时域转换到频域，从测量时间间隔转换到最终测量峰值频率的方式，该过程中不改变感应信号获取的途径，只是对信号处理方式进行了转换，且获得的频域信号分析对信号幅值要求较小，因此可以在不改变原有电路的基础上增大使用提离，提高检测精度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于频域分析的电磁超声测厚方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取同种材料的已知厚度的试件和待测厚度试件，分别进行下列步骤：

(a1)将电磁超声传感器激励线圈和接受线圈安装在已知厚度的试件/待测厚度试件上，所述电磁超声传感器激励线圈发出信号，采集所述接受线圈的感应电信号，将该感应电信号作为标定信号；

(a2)在所述标定信号上截取一段回波信号作为样本信号，将该样本信号依次进行重采样、整周期延拓、低通滤波、取正半周信号和快速傅里叶变换，以降低数据处理难度，提高频域分辨率和精度，将相互耦合的激励信号频率和回波信号频率在频域上分离，并获得所述样本信号对应的频谱图，在该频谱图中选取部分频段对应的频谱，获取其中频谱峰值对应的频率，其中，由所述已知厚度的试件获得的频率记为f0，由所述待测厚度试件获得的频率为f1；

(b)利用下列公式计算待测厚度试件的厚度：

d1＝df0/f1

其中，d是已知厚度的试件的厚度，d1是待测厚度试件的厚度。

进一步优选地，在步骤(a2)中，在所述标定信号上截取一段回波信号作为样本信号时，优选截取呈周期变化的回波信号作为样本信号。

进一步优选地，在步骤(a2)中，在所述标定信号上截取一段回波信号作为样本信号时，截取的回波信号的时间长度满足下列关系：

t1＞2d/v

其中，t1是截取的回波信号的时间长度，d是已知厚度的试件的厚度，2000m/s<v<8000m/s。

进一步优选地，在步骤(a2)中，所述重采样后的采样率fs满足下列关系：

fs＞2fe

其中，fe为激励频率。

进一步优选地，在步骤(a2)中，为保证信号完整性，所述低通滤波截至频率满足下列关系式：

fc＞fe

其中，fc是低通滤波器截止频率。

进一步优选地，在步骤(a2)中，整周期延拓数与要求频域分辨率满足下述关系式：

其中，δf为频域分辨率，n为整周期延拓数。

进一步优选地，在步骤(a2)中，获取所述已知厚度的试件的频率f0后，按照下列表达式计算电磁超声波的传播速度：

v0＝2df0

其中，v0是电磁超声波的传播速度。

进一步优选地，在步骤(a2)中，获取所述已知厚度的试件的频率f0后，按照下列表达式计算电磁超声波的传播速度：

v0＝2df0

其中，v0是电磁超声波的传播速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明是利用当电磁超声传感器在试件中产生的横波在试件上下表面反射时，试件表面周期性振动会切割磁感线产生感应电压，耦合到接收线圈中，在接收线圈中产生同周期的接收信号，而接收信号的周期与试件的厚度和超声波在试件中的波速有关的原理来测量未知厚度试件；

2、本发明提出的方法就是通过截取一段确定长度的回波信号，对信号在时域进行重采样、滤波、取正半周信号后再进行fft，然后在频域分析峰值对应频率，得到波速或试件厚度信息，本发明利用已知厚度的标准试件求出超声波在试件中传播的速度，然后利用传播速度和厚度之间的关系计算材料相同但未知厚度的待测试件的厚度信息，实现厚度测量，采用上述信号处理方法，将厚度信息从时域难以读取的周期变换到频域易读取的峰值，可以在回波信号较弱或噪声较大时也能得到试件厚度信息，并且在频域分辨率较高时提高了检测精度，减小了信号处理难度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于频域分析的电磁超声测厚方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的采集已知厚度的试件电磁超声测厚标定信号；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的已知厚度的试件在标定信号上截取的回波信号；

图4是图3的回波信号经过重采样、延拓后取其正半周的信号后的回波信号；

图5是图4所示信号fft后在一定频段内的频域信号及其峰值和对应频率；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的采集未知厚度试件电磁超声测厚标定信号；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的未知厚度试件在标定信号上截取的回波信号；

图8是图7回波信号经过重采样、延拓后取其正半周的信号作为回波信号；

图9是图8的信号fft后在一定频段内的频域信号及其峰值和对应频率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于频域分析的电磁超声测厚方法流程图，如图1所示，一种基于频域分析的电磁超声测厚方法，该方法包括以下步骤：

(1)将电磁超声传感器激励线圈和接收线圈安装在已知厚度的试件上，采集接收线圈的感应电信号，获取一组标定信号x0；

(2)取标定信号x0中开始激励一定时间t0后的回波信号作为数据起始点，截取时间长度为t1的回波信号作为样本信号x2，优选截取呈周期变化且幅值较大的回波信号作为样本信号,t0的选取由激励信号频率和试件材料决定，如根据检测需要，选取t0为30～150μs。截取时间长度t1＞2d/v，d为标定试件厚度，一般的，取2000m/s<v<8000m/s，如根据检测需要，t1可取10～500μs；

(3)对样本信号进行重采样、重采样后的采样率由激励频率决定，fs＞2fe，fs为重采样后采样率，fe为激励频率。将重采样后的信号进行整周期延拓、低通滤波和取正半周信号(将负值信号置零)得到x4。周期延拓数n与频域分辨率(1/nt1)有关，频域分辨率要求越高，周期延拓数越大，低通滤波截至频率应小于激励频率；

(4)对x4进行快速傅里叶变换(fft)获得频谱图，选择频段，读取频段内频谱峰值对应频率点f0，作为标定试件回波频率。频段选择时最大频率不得超过激励频率，最小频率必须大于0。根据f0和试件厚度d，可以得到波速v0＝2df0；

(5)将电磁超声传感器激励线圈和接收线圈放置在未知厚度的待测试件上，采集接收线圈内感应电压信号x1，对x1进行与x0相同的处理得到x3和x5，对x5进行fft后，选择频段，读取频谱峰值对应频率点f1，作为待测试件回波频率，频段选择与步骤(4)相同，可以采用下面两种方式求得试件厚度：

a.根据f1和v0，可以求得待测试件厚度d1＝v0/2f1。

b.如果已知波速v0，即可省略标定过程,直接求得d1＝v0/2f1。

以下结合本发明的内容提供一个实施例。

标准试件厚度为8mm，待测试件厚度为5.35mm，试件材料均为16mnr钢。传感器激励电压600v，激励频率为1mhz，传感器底端距离试件表面提离2mm。首先将传感器安装在8mm标准试件上，如图2所示，可以得到接收线圈感应电信号。取t0为70μs，t1为30μs，得到回波信号x2作为样本信号如图3所示，数据原始采样率为2.5ghz，为了减小数据处理量，进行重采样，将采样率降为25mhz，重采样后，将得到的信号进行10周期延拓和取正半周信号，得到如图4所示信号。对图4所示信号进行fft，选择频段为0.1mhz～0.35mhz，在该频段内得到的信号频谱和频谱峰值对应频率如图5所示。根据v0＝2df0，图中，可以读出f0为0.2mhz，算出波速v0为3200m/s。再将传感器放置在5.35mm厚待测试件上，采用相同的激励电压、激励频率和提离。得到的接收线圈信号如图6所示。同样取t0为70μs，t1为30μs，得到回波信号x3作为样本信号如图7所示，将数据采样率调整25mhz，同样对重采样后的信号进行10周期延拓和取正半周信号得到如图8所示信号。对图8所示信号进行fft，选择频段为0.1mhz～0.35mhz，得到频谱信号如图9所示，由图可知，在该频段内得到的信号频谱和频谱峰值对应点为f1＝0.2997mhz，根据d1＝v0/2f1，可得d1＝5.339mm，测量结果较为准确。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。