EMAT非线性高次谐波提取方法与电路设计

发布时间：2019-12-01 03:56

【摘要】：由于电磁超声换能器(EMAT)非线性高次谐波信号微弱且通常湮没于基频和噪声信号中,EMAT高次谐波信号的提取对于提高EMAT纳米级微结构缺陷非接触原位检测精度、降低检测成本具有重要的作用。文中研究了脉冲激励下EMAT微弱信号宽带前置放大后时域和频域信号特征,分析了EMAT接收信号超外差调频放大方法以及非线性高次谐波信号幅值、相位提取的互相关锁相检波方法的理论基础,并针对实测的EMAT信号进行了高次谐波提取分析。同时,研究了EMAT非线性高次谐波提取电路设计方法。研究结果对深入研究开发EMAT非线性检测器具有重要的理论和实际意义。
【图文】：

构成图,超外差,相敏检波器,构成图

80InstrumentTechniqueandSensorJan.20161数字化超外差相敏检波器基本原理1．1基本构成EMAT非线性高次谐波数字化检测模块主要由宽带接收放大器(增益60～80dB)、A/D转换器、数字化扫频器、混频器、中频放大器、相敏检测器等组成。其中，宽带接收放大器由高通滤波器电路和前置放大电路2个电路模块组成;相敏检测器由参考信号发生器、移相器、相敏检测器、低通滤波器组成。数字化超外差相敏检测器基本构成如图1所示。图1EMAT非线性超外差相敏检波器构成图1．2基本工作原理在微型计算机内安装有集成化DDS模块和A/D模块，通过程序控制DDS模块产生周波数、频率可调的TTL信号源，经过功率放大器后驱动EMAT激励线圈产生电磁超声波，当被测试样内部发生微结构变化时，超声波发生非线性波形畸变，产生二次谐波和三次谐波等高次谐波，被宽带EMAT接收线圈感应接收。非线性高次谐波信号非常微弱，往往湮没在基波信号和噪声信号中。EMAT接收调理电路为了更好的观察到谐波信号，需要调节高通滤波器的参数，改变滤波器的截止频率，滤除不需要的频率信号，同时对微弱的谐波信号进行前置放大。设经宽带接收器滤波和前置放大后，电磁超声波的信号为［8］:X(t)=Am(t)sin(2πfmt+φm)(1)式中:X(t)为一窄带脉冲信号;fm为高通滤波器的截止频率。将载波频率移到中频，然后进行中频放大。由DDS模块输出一频率为(fm+IF)的信号:Vs(t)=sin［2π(fm+IF)］(2)式中IF为中频分量。将X(t)和Vs(t)混频处理，则混频器输出信号为:V(t)=Am(t)2cos(2πIFt－φm)+Am(t)2cos［2π(fm+2IF)+φm］(3)设置低通滤波器的截止频率，则V(t)经过低通滤波器后，输出信号为:U0(t)=Am(t)2cos

接收器,信号,滤除

所示。从图2可知，EMAT基波信号主频为1.25MHz，二次谐波2.5MHz和三次谐波信号3.75MHz的信号基本全部湮没在基波和噪声信号中。为了提取非线性高次谐波信号，设计截止频率为2.5MHz的数字高通滤波器，以滤除低频成分和部分低频噪声信号。经数字化高通滤波器后EMAT接收器信号的时域和频域图，如图3所示。从图3可知，2.5MHz频率以下的信号以及噪声信号被有效的滤除，但2.5MHz谐波信号仍很微弱，，无法观察。为此，设计一个截止频率为2.5MHz低通滤波器，以滤除高频成分。滤波后的信号和频谱，如图4所示。(a)时域(b)频域图2EMAT接收器时域和频域信号从图4可知，2．5MHz二次谐波以上的信号被有效的滤除，达到了滤波的效果。通过互相关理论对滤波以后的信号进行

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