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基于脉冲压缩的电磁超声测厚技术研究

王圣斌  
【摘要】:电磁超声技术因其非接触的特点在金属测厚领域具有很大潜力。但在高温、高压和高腐蚀等恶劣条件下,其信噪比急剧降低,采用传统方法已经很难提高信噪比。源自雷达领域的脉冲压缩技术是一种提升信噪比的有效方法,有望显著提升电磁超声信号信噪比。然而,目前适用于电磁超声测厚的脉冲压缩激励信号类型、波形参数尚不明确,各类激励信号的波形参数对电磁超声信号信噪比的影响规律尚不清晰。为了解决上述问题,进行了以下研究工作:为了设计用于电磁超声测厚的脉冲压缩激励信号,本文建立脉冲压缩电磁超声测厚模型。分析电磁超声测厚和脉冲压缩原理,确定脉冲压缩电磁超声测厚方案,并对方案中的发射电路、电磁超声测厚换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,简称EMAT)、接收电路和脉冲压缩算法分别建立模型。通过对铝块测厚的仿真,结果表明脉冲压缩提高了电磁超声测厚信号的信噪比。本文设计线性调频(Chirp)和非线性调频(Non-linear Frequency Modulation,简称NLFM)信号,以确定适用于电磁超声测厚的调频信号参数。分析Chirp信号的性质及其旁瓣抑制方法,分析抑制旁瓣对输出信噪比的影响。利用系统的频带特性设计NLFM信号。仿真结果表明,在相同的频带和脉冲时长下,NLFM信号测厚的脉冲压缩效果优于Chirp信号。本文设计常规二相编码信号和收发分离式二相编码信号,以确定适用于电磁超声测厚的二相编码类型和子波形参数。在二相编码和子脉冲波形设计的基础上,确定常规二相编码信号旁瓣抑制算法。结合设计收发分离式二相编码信号的特点,提出长编码信号测厚方法。仿真结果表明,常规二相编码信号的脉冲压缩效果不如NLFM信号,收发分离式二相编码信号适合采用低电压进行激励。本文设计并搭建基于脉冲压缩的电磁超声测厚系统,分别对调频和二相编码信号激励下的电磁超声测厚进行了实验研究,得到激励信号波形参数对信噪比的影响规律。验证各激励信号的信噪比提升效果,研究脉宽和频带对调频信号输出信噪比、编码长度和波形对二相编码信号输出信噪比的影响,得出调频信号和二相编码信号各自的适用场合。


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