利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法

摘要

利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法，涉及焊接结构质量检测技术领域。本发明为解决现有焊缝超声检测中，单独采用频率编码信号激励时或相位编码信号激励时，都不能获得令人满意的检测结果的问题。本发明按以下步骤进行：编辑频率相位复合编码信号→导入信号发生器中→信号发生器发出频率相位复合编码脉冲信号→激励信号经功率放大器后加到超声检测探头上→探头将电信号转换为声信号加到被测试件上→超声波在试件中传播，遇界面反射→探头接收声信号并转换为电信号→超声采集卡接电信号→回波信号与相位编码信号失配滤波得到中间结果→中间结果与加窗的频率编码信号匹配滤波得到最终检测结果。本发明应用于焊接质量检测领域。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接结构质量检测技术领域，尤其涉及一种利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法。

背景技术

焊接结构在工业生产中有着广泛的应用，但是在焊接过程中常常会有缺陷产生，当带有缺陷的焊接结构作为承载、承压结构时，不利于安全生产。因此，需要对焊接结构进行无损检测。在无损检测领域中，超声检测被广泛地应用在焊缝内部缺陷检测中。焊缝超声检测中，需要能够发现缺陷，并对缺陷的尺寸和位置精确测量，因此需要提高焊缝超声检测结果的信噪比和时间分辨率。较高的信噪比有利于发现缺陷，避免缺陷淹没在噪声中；在声速已知的材料中，较高的时间分辨率对应较高的距离分辨率，较高的距离分辨率有利于根据检测结果更精确地计算缺陷的位置和尺寸。

在焊缝超声检测中，所用的探头一般频率较低、带宽较小，当采用常规窄脉冲激励信号时，其检测结果的时间分辨率较低、信噪比较低。当采用频率编码信号激励时，若探头频谱采用-6dB带宽，频率大于5MHz时，其检测结果的时间分辨率和信噪比较常规窄脉冲激励的有所提高，但是由于其检测结果的旁瓣水平较高，导致信噪比仍然处于较低水平；若探头频谱采用-6dB带宽，频率小于5MHz，其检测结果的时间分辨率较低，甚至低于常规窄脉冲激励信号的检测结果信噪比。当采用相位编码信号激励时，由于其检测结果的旁瓣水平较低，故其检测结果的信噪比较高，但是其检测结果的时间分辨率较低，低于常规窄脉冲激励信号的检测结果的时间分辨率。

发明内容

本发明为解决现有焊缝超声检测中，单独采用频率编码信号激励时或单独采用相位编码信号激励时，都不能获得令人满意的检测结果的问题，而提出利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法。

利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法，按以下步骤进行：

一、编辑频率相位复合编码信号；

二、将步骤一得到的频率相位复合编码信号导入信号发生器中；

三、信号发生器发出频率相位复合编码脉冲激励信号；

四、将步骤三得到脉冲激励信号经功率放大器放大后加到超声检测探头上；

五、超声检测探头将步骤四得到的放大后电信号转换为声信号加到被测试件上；

六、步骤五得到的声信号在试件中传播，遇界面发生反射；

七、超声检测探头接收反射声信号并将其转换为电信号；

八、超声采集卡接收来自超声检测探头的电信号；

九、步骤八得到的电信号与相位编码信号失配滤波得到失配滤波输出结果；

十、失配滤波输出结果与加窗的频率编码信号匹配滤波得到最终的检测结果。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明采用了适合焊缝超声检测用编码激励信号，该激励信号为相位编码信号与频率编码信号的复合，复合形式为在相位编码信号的每个码内，将其原有的单载频信号改为频率编码信号，该信号适用于低频率小带宽的焊缝超声检测用探头；

2、本发明所述方法获得的检测结果在时间分辨率和信噪比方面均高于单独使用频率编码信号、相位编码信号或常规窄脉冲信号激励方法获得的检测结果。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法，按以下步骤进行：

一、编辑频率相位复合编码信号；

二、将步骤一得到的频率相位复合编码信号导入信号发生器中；

三、信号发生器发出频率相位复合编码脉冲激励信号；

四、将步骤三得到脉冲激励信号经功率放大器放大后加到超声检测探头上；

五、超声检测探头将步骤四得到的放大后电信号转换为声信号加到被测试件上；

六、步骤五得到的声信号在试件中传播，遇界面发生反射；

七、超声检测探头接收反射声信号并将其转换为电信号；

八、超声采集卡接收来自超声检测探头的电信号；

九、步骤八得到的电信号与相位编码信号失配滤波得到失配滤波输出结果；

十、失配滤波输出结果与加窗的频率编码信号匹配滤波得到最终的检测结果。

本发明包括以下有益效果：

1、本实施方式采用了适合焊缝超声检测用编码激励信号，该激励信号为相位编码信号与频率编码信号的复合，复合形式为在相位编码信号的每个码内，将其原有的单载频信号改为频率编码信号，该信号适用于低频率小带宽的焊缝超声检测用探头；

2、本实施方式所述方法获得的检测结果在时间分辨率和信噪比方面均高于单独使用频率编码信号、相位编码信号或常规窄脉冲信号激励方法获得的检测结果。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，步骤一中所述的频率相位复合编码信号，采用相位编码信号与频率编码信号进行复合。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，步骤一中所述的频率相位复合编码信号，其复合形式为在相位编码信号的每个码内，将其原有的单载频信号改为频率编码信号。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一至三之一所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，步骤一中所述的频率相位复合编码信号，适用于低频率小带宽的焊缝超声检测用探头。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式二至四之一所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，步骤一中所述的，相位编码信号为二相Barker码信号、多相Barker码信号、伪随机码、最小旁瓣峰值码、M序列码、L序列码、Frank码或二相互补编码。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式二至四之一所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，步骤一中所述的频率编码信号为LFM信号、非线性调频信号、Costas码信号或Costas码信号。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式二至四之一所述的利用频率相位复合编码激励信号进行焊缝超声检测的方法的进一步说明，结合线性调频信号(LFM)与二相巴克码信号(Barker)，来具体说明步骤一和步骤十涉及的复合过程。

Barker码信号是一种典型的二相编码信号，由P个连续的子脉冲组成，子脉冲的宽度为T_P，总持续时间为P×T_P。其复包络可以写成：

μ(t)＝α(t)×e^jφ(t)(1)

其中，α(t)为信号包络，φ(t)为相位调制函数；

$>\alpha \left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{PT}}_P}}rect\left(\frac{t-{\mathrm{PT}}_P/2}{{\mathrm{PT}}_P}\right)---\left(2\right)$>

其中，rect()为矩形函数；

φ(t)＝φ_k＝0orπ(3)

Barker码信号的P有7种取值，分别为2、3、4、5、7、11、13，每一种取值对应的φk序列如表1所示。

表1不同P值对应的φ_k序列

单载频Barker码激励信号的表达式可写为：

$>S_{Bar\ker }\left(t\right)-\mu \left(t\right)\times e^{j2{\mathrm{\pi f}}_{0}t}---\left(4\right)$>

其中时宽为T_P，带宽为B，载波频率为f₀，调频斜率k＝B/T_P的LFM信号的复数表达式为：

$>S_{LFM}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T_P}}rect\left(\frac{t}{T_P}\right)\times e^{j2\pi (f_{0}t+{\mathrm{kt}}^2/2)}---\left(5\right)$>

将Barker码信号码内的单频信号改为LFM信号，初步得到复合编码信号(LFM+Barker)，结合公式4和公式5，其表达式为：

S_LFM+Barker(t)＝μ(t)S_LFM(t)(6)

将码内的LFM信号加Blackman窗，表达式为

S_{LFM+Barker+Blackman}(t)＝μ(t)×(S_LFM(t)×w(t))(7)

其中，w(t)为Blackman窗函数，S_{LFM+Barker+Blackman}(t)即为本发明所设计的频率相位复合编码信号，该信号在焊缝超声检测中，可以适应低频率小带宽的探头，利用其的检测结果时间分辨率与信噪比均较高。

S_{LFM+Barker+Blackman}(t)信号属于大时宽带宽积信号，需要经过脉冲压缩处理后才能得到高时间分辨率的检测结果。其脉冲压缩过程包含了两个部分：与S_Barker(t)的失配滤波、与S_LFM(t)×w(t)信号的匹配滤波。

本实施方式所述方法获得的检测结果在时间分辨率和信噪比方面均高于单独使用频率编码信号、相位编码信号或常规窄脉冲信号激励方法获得的检测结果。