CN101981442B - 用于涡电流测量的相敏检测的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
公开使用涡电流检测缺陷的方法。该方法包括：使用由驱动信号驱动的涡电流探头在测试材料中激发涡电流；在该测试材料中检测感生涡电流；使用模数转换器将该检测到的信号转换为整数值；以及向或从两个累加器中的每个增加或减去该生成的整数值或不采取动作，使得一个累加器产生与检测的信号的一个部分成比例的值并且另一个产生与检测的信号的另一个部分成比例的值，并且使用这些值以检测缺陷的存在。
Description
背景技术
涡电流(EC)仪器典型地用于检测缺陷(例如在通常由金属制成的导电结构中的裂缝和减薄(thinning)等)或测量例如电导率和磁导率等材料性质，其进而与硬度和材料结构有关。所有这些通过监测磁感生涡电流的大小和相位中的变化而观察到。产生交变磁场的驱动线圈一般靠近试件提供以在试件中感生电流。缺陷的存在扰乱循环涡电流。涡电流可以通过拾取它们的磁场或通过测量驱动线圈的阻抗变化来感测。
存在许多设置用于感生和感测涡电流，但在几乎每种情况下都需要测量感测的信号和驱动信号之间的相位和振幅关系。这可以数字地或通过使用模拟方法进行。通常由于缺陷引起的在感测的信号中的变化较小并且电噪声可能掩盖测量。在一些情况下必须去除由于结构的其他部分(例如支撑物等)引起的对信号的影响。这通常使用多频驱动电流进行，其中频率中的一个或多个对缺陷灵敏并且其他频率仅仅很大程度上受支撑结构影响。
为了获得良好的检测率，该仪器必须具有对单和多频信号两者的良好的振幅和相位鉴别。图1示出这样做的一个方式。接收的信号1分别乘以正弦函数2和余弦函数3，接着是低通滤波器4以获得实数5和虚数6部分。这些然后可以直接在数据的复数阻抗平面视图中使用或具有少许附加计算，相位和振幅数据可以从这些数字获得。
信号的相乘使用模拟乘法器容易执行或可以使用例如FPGA等快速处理装置数字地进行。数字方法具有信号一旦已经数字化则没有偏移和相位误差的优势。在模拟***中，在单独的实数和虚数信号处理途径中使用的物理分量将具有小的差别，其导致可以是温度和时间依赖的误差。
US4,207,520公开多频数字涡电流检查***。从测试线圈接收的涡电流信号被滤波以选择期望的信号，其变成数字信号并且传到用于处理的计算机，并且提供涡电流检查的结果。
US6,734,669公开涡电流信号的数字解调。数字正弦和余弦函数被产生并且与数字化的接收的信号相乘。该涡电流信号通过用低通滤波器滤波混合的信号而隔离。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供有使用涡电流检测缺陷的方法，该方法包括：
使用涡电流探头在测试材料中激发涡电流；
在测试材料中检测感生的涡电流；
使用模数转换器将检测到的信号转换为整数值；以及
向或从两个累加器中的每个增加或减去生成的整数值或不采取动作，使得一个累加器产生与实数部分成比例的值并且另一个产生与虚数部分成比例的值。这些值用于检测缺陷的存在。
本发明的实施例提供具有数字方法内在优势的方法，该数字方法具有模拟切换方法的简单性。不像使用乘法接着是低通滤波的现有方法，我们的方法是仅使用对累加器的加和减的单步过程并且能够进行而不需要浮点运算，仅使用简单的整数数学。
该方法的简单性意味它可以以非常快的速率执行并且如果需要的话它可以使用较少耗电和较低成本逻辑进行并且因此也适合于电池电力操作。
大多数FPGA装置具有有限数量的乘法器。空间中的大多数被门占用，这些门可以容易地设置用于简单加法运算和存储，因此良好地适合于实现本发明的示例。
每个生成的整数值根据累加器标志的状态增加到每个累加器或从每个累加器减去。
该标志的状态(加、减或不采取动作)是预先限定的并且形成重复序列(repeated series)的一部分。
每个累加器具有它自己的预先限定的重复序列。累加器中的每个的重复序列除了一个关于另一个偏移四分之一循环之外是相同的。
根据本发明的第二方面，提供有用于使用涡电流检测缺陷的设备，该设备包括：
用于在测试材料中检测感生涡电流的检测器；
用于将检测到的信号转换为整数值的转换器；以及
用于向或从两个累加器中的每个增加或减去生成的整数值的控制器，使得累加器产生指示缺陷是否存在的值。
附图说明
现在将仅通过示例参照附图描述本发明的实施例，其中
图1图示现有技术仪器的振幅和相位鉴别；
图2图示本发明的实施例的示例；
图3图示本发明的实施例的更详细的示例；
图4a和4b示出第一组采样位置的表格和对应波形；
图5a和5b示出第二组采样间隔的第二表格和对应波形；
图6a和6b示出第三组采样间隔的第三表格和对应波形；
图7图示从实数部分和虚数部分到振幅和相位值的转换；以及
图8a、8b、9a和9b示出来自本发明的实施例与常规仪器相比的直方图比较结果。
具体实施方式
图2示出实施本发明的涡电流仪器10。在该示例中驱动信号由振荡器20生成的一个或多个正弦波合成。该数字合成的驱动信号传到数模转换器和低通滤波器30并且用于通过适合的探头40在试件中激发涡电流。
从试件感生的涡电流然后使用感测装置检测。该感测装置可包括在激发线圈或多个线圈中感测电流或可以是二次磁场感测装置，例如一个或多个线圈、GMR或霍尔效应传感器等，其中该感测装置可结合进激发探头40或可以与它分开。
感测的信号然后通过被传递通过适合的信号调节器50而被调节。该信号调节器50典型地执行放大、预滤波和在要求高缺陷检测率的一些情况下的扣除参考信号中的一个或多个。
该调节的信号然后转换为整数值(在该示例中使用模数(A/D)转换器60)。波形发生器20、模数转换器60和随后的使用控制器90的解调可各自由相同的时钟信号驱动以确保它们同步。
由模数转换器60生成的整数值向两个累加器71、81中的每个增加或从两个累加器71、81中的每个减去70、80(由控制器90控制)。每个累加器71、81设置成提供由模数转换器60生成的预定数量的整数的移动平均。控制器90确定并且控制生成的整数是增加到还是从每个累加器71、81累计量中减去或者是关于特定生成的整数是否不采取动作。控制器90设置使得一个累加器71设置成提供与感测的信号的实数部分成比例的输出值并且另一个累加器81设置成提供与感测的信号的虚数部分成比例的值。主时钟(没有示出)确保波形生成20、模数转换60和随后的解调70、71、80、81、90是彼此同步的。
如果驱动信号包含一个以上频率成分，那么可对频率成分中的每个重复电路10并且控制器90设置成根据选择的频率成分控制加、减或无动作。
每个驱动信号频率的实数和虚数部分可以显示为复数阻抗平面，当使用时，其作为时间的函数或作为位置的函数供操作者检测缺陷。检测缺陷的能力可通过减去参考值(其从在试件的无缺陷部分上做出的测量而获得)或通过适合的校准而提高。
如果需要的话，驱动信号频率中的每个的相位和振幅数据可以从实数和虚数部分计算用于适当地提供给操作者。
后面更详细地论述控制器90关于累加器71、81中的每个针对生成的整数值是进行加、减还是不采取动作。每个生成的整数值根据累加器标志的状态增加到每个累加器或从每个累加器减去。该标志的状态(加、减或不采取动作)是预先限定的并且形成重复序列的一部分。每个累加器71、81具有它自己的预先限定的重复序列。累加器中的每个的重复序列是相同的，所不同的是累加器81的序列关于累加器71的序列偏移四分之一循环。
图3示出控制器90、累加器71、81和数据缓冲器91的优选示例。实数和虚数部分中的每个通过向或从实数累加器71和虚数累加器81根据各自的“实数标志”和“虚数标志”的状态增加或减去从模数转换器60接收的数据而获得。每个标志的状态(加、减或不采取动作)通过适合的逻辑生成。该逻辑设置标志以根据标志缓冲器72、82(其存储形成每个累加器71、81的循环的加、减或不采取动作标志的序列)加、减或不采取动作。
在控制器90内的控制逻辑设置标志缓冲器72、82中的每个内的标志以当生成的整数值待增加到累加器71、81时加、当生成的整数值待从累加器71、81减去时减或设置使得既不发生增加也不发生减去。
每个累加器71、81在预定数量的生成的整数值或测量点上生成移动平均。选择用于移动平均的精确数量的生成的整数值取决于许多因素，其包括但不限于探头驱动信号的频率、时钟频率和要求的噪声抑制水平。例如，如果移动平均设置成使用200个生成的整数值，提供各自能够存储200个加、减或“无动作”标志的循环标志缓冲器72、82并且提供具有200个存储单元的循环字节缓冲器91以存储生成的整数值。当每个从模数转换器60生成的整数值增加到每个累加器71、81或从每个累加器71、81减去时，它还存储在字节缓冲器91中并且缓冲指针(pointer)92递增到下一个位置。第二指针93(在前面的一个存储单元)指向末端值，并且该值从每个累加器71、81去除。去除涉及执行与起初完成的相反运算，即如果生成的整数值起初增加到累加器71、81，则现在减去它。如果该值起初从累加器71、81减去，则现在增加它。如果没有采取动作，那么不采取动作逆转它。为了这样做，加、减和“无动作”标志存储在循环标志缓冲器72、82中，其与用于存储生成的整数值的字节缓冲器91相似。代替使用标志缓冲器72、82，加、减和“无动作”标志可使用适合的计数器(没有示出)重新生成，其可以是优选的，因为它使用较少逻辑，降低硬件成本和功耗。
图4a、4b、5a、5b、6a和6b图示如何确定加、减和“无动作”标志。如上文说明的，每个标志缓冲器72、82包含加和减和可能地“无动作”标志的循环。每个循环包括一个或多个加的至少一个序列和一个或多个减的至少一个序列，可能还具有“无动作”标志。每个生成的整数值增加到每个累加器71、81或从每个累加器71、81减去以形成移动平均。累加器中的每个的重复序列除了累加器81的序列关于累加器71的序列偏移四分之一循环之外是相同的。这在下文的示例中图示。
图4b图示“实数”正弦信号和“虚数”正弦信号。如可以看到的实数正弦信号从虚数正弦循环移动四分之一循环或90°。对应于整数值由模数转换器60生成时的点的采样点可以任何方便的间隔选择。在图4a和图4b的示例中生成的整数值在45°、135°、225°和315°采样。如可以看到的，实数和虚数标志取决于对应的实数和虚数正弦信号在该特定采样角度是正或负而选择为“加”或“减”。
图5a和5b图示与在图4a和4b中相同的数量的采样点，不同在于在该示例中样本在0°、90°、180°和270°处采集。如可以看到的，当实数或虚数正弦信号穿过横轴时采集的样本不生成加或减标志。在该情况下反而生成“不采取动作”标志(在图5a的表格中的0)，从而指示在该采样点生成的来自模数转换器60特定生成的整数值既不增加到累加器也不从累加器减去。
图6a和6b提供产生甚至更精确和准确结果的更多采样值。
在图4a、5a和6a中的每个表格的底部提供校正因子。这可以用于通过除以样本数然后乘以校正因子而计算信号的真实实数和虚数部分。实数部分的校正因子通过将对应于在单正弦循环中的测量点位置的绝对正弦值求和并且除以点数而获得。虚数部分的校正因子通过将对应于在单正弦循环中的测量点的绝对余弦值求和并且除以点数而获得。在大多数情况下生成的实数和虚数值直接由操作者使用以检测缺陷，一般通过将这些值在观察屏上显示。然而，感测的信号的振幅和相位可从如在图7中图示的实数和虚数部分确定。因为实数部分100和虚数部分110是正交矢量，合成振幅120可通过应用毕达哥拉斯法则通过确定实数部分100和虚数部分110的平方和的平方根计算。感测的信号的相位角130通过计算虚数部分110除以实数部分100的反正切确定。
尽管可以在驱动信号的每个正弦循环中采集任意数量的样本点，已经发现使用驱动信号的每个循环中整数数量的样本点和由累加器平均的整数数量的正弦循环产生更好结果。已经发现特别当驱动信号的每正弦循环采集较少样本时使用整数数量的样本点是优选的。
如上文说明的，模数转换器60与驱动波形20同步以提供一致结果是优选的。
如上文说明的，在一些情况下用多重同时驱动频率进行测量是优选的。在该情况下，可提取驱动频率中的每个的实数和虚数部分。当多重同时驱动频率使用时，频率优选地选择成使得较高的频率不是较低频率的奇整数倍，即不是1∶3、1∶5等。已经发现避免较低频率的奇整数倍提供更好结果。这认为是傅立叶谐波的结果。当使用多重驱动频率时，发现当对于每个驱动频率生成相同数量的整数值时获得更好结果并且在每个情况下值的数量代表正弦循环的整数数量。
图8a和8b图示使用根据本发明的方法(图8a)的相位测量与使用常规方法的来自相同样本的测量相比的比较。同样，图9a示出使用根据本发明的实施例的方法的振幅测量结果，而图9b示出使用常规方法的来自相同样本的振幅结果。如可以看到的，结果的质量是等同的。然而，本发明的示例的方法的简单性使它能够以更快的速率执行并且使它能够在使用较少功耗和较低成本逻辑的硬件上进行并且因此适合与电池电力操作一起使用。
已经发现当结果被抵偿时获得较好的结果。抵偿是其中从测量中减去来自没有缺陷的试件的部分的信号的过程。该差额信号然后可以放大，更好地利用模数转换器60从提高检测率。实际上，抵偿可以通过使用适当的差动探头或通过将抵偿信号加入信号调节电子设备50获得。备选地，信号可通过来自模数转换器60的输出的数字减法而抵偿。
可对上文描述的示例做出许多变化，同时仍然落入本发明的范围内。例如，代替在图3中示出的标志缓冲器72、82，可使用其他逻辑或适合的计数器。
Claims (12)
1.一种使用涡电流检测缺陷的方法，所述方法包括：
使用由驱动信号驱动的涡电流探头在测试材料中激发涡电流；
在所述测试材料中检测感生涡电流；
使用模数转换器将所检测到的信号转换为整数值；以及
根据所检测信号的对应实数部分和虚数部分在对应于生成所述整数值的每个时的采样点的采样角度是正、还是负、还是穿过零，来向或从实数累加器和虚数累加器中的每个增加或减去所生成的整数值、或不采取动作，使得所述实数累加器产生与所述检测的信号的实数部分成比例的值并且所述虚数累加器产生与所述检测的信号的虚数部分成比例的值，并且使用这些值检测缺陷的存在。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个生成的整数值根据累加器标志的状态增加到每个累加器或从每个累加器减去，该标志的状态，即加、减或不采取动作根据所检测信号的对应实数部分和虚数部分在对应于生成所述整数值的每个时的采样点的采样角度是正、还是负、还是穿过零来预先限定并且形成重复序列的一部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中每个累加器具有它自己的预先限定的标志重复序列，所述累加器中的每个的重复序列除了一个关于另一个偏移四分之一循环之外是相同的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中整数值的整数数量由所述模数转换器在所述驱动信号的每个正弦循环中生成。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述累加器在所述驱动信号的整数数量的正弦循环上生成移动平均。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述模数转换器由与所述驱动信号同步的时钟驱动。
7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中涡电流使用以多个同时的驱动频率驱动的涡电流探头在测试材料中激发。
8.如权利要求7所述的方法，其中较高的频率选择成使得它们不是较低频率的奇整数倍。
9.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中涡电流使用以多个顺序驱动频率驱动的涡电流探头在测试材料中激发。
10.一种用于使用涡电流检测缺陷的设备，所述设备包括：
用于在测试材料中检测感生涡电流的检测器；
用于将所检测到的信号转变为整数值的模数转换器；以及
控制器，用于根据所检测的信号的对应实数部分和虚数部分在对应于生成所述整数值的每个时的采样点的采样角度是正、还是负、还是穿过零，来向或从实数累加器和虚数累加器中的每个增加或减去所生成的整数值、或不采取动作，使得所述实数累加器产生与所检测的信号的实数部分成比例的值并且所述虚数累加器产生与所检测的信号的虚数部分成比例的值，并且使用这些值以检测缺陷的存在。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述控制器设置成根据每个累加器的标志的状态而关于每个生成的整数值进行加、减或不采取动作，每个标志的状态根据所检测信号的对应实数部分和虚数部分在对应于生成所述整数值的每个时的采样点的采样角度是正、还是负、还是穿过零来预先限定并且形成重复序列的一部分。
12.如权利要求11所述的设备，其中每个累加器具有它自己的预先限定的标志重复序列，所述累加器中的每个的标志重复序列除了一个关于另一个偏移四分之一循环之外是相同的。
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