【摘要】：由于電磁超聲換能器(EMAT)非線性高次諧波信號微弱且通常湮沒于基頻和噪聲信號中,EMAT高次諧波信號的提取對于提高EMAT納米級微結構缺陷非接觸原位檢測精度、降低檢測成本具有重要的作用。文中研究了脈沖激勵下EMAT微弱信號寬帶前置放大后時域和頻域信號特征,分析了EMAT接收信號超外差調頻放大方法以及非線性高次諧波信號幅值、相位提取的互相關鎖相檢波方法的理論基礎,并針對實測的EMAT信號進行了高次諧波提取分析。同時,研究了EMAT非線性高次諧波提取電路設計方法。研究結果對深入研究開發(fā)EMAT非線性檢測器具有重要的理論和實際意義。
【圖文】：

80InstrumentTechniqueandSensorJan.20161數(shù)字化超外差相敏檢波器基本原理1．1基本構成EMAT非線性高次諧波數(shù)字化檢測模塊主要由寬帶接收放大器(增益60～80dB)、A/D轉換器、數(shù)字化掃頻器、混頻器、中頻放大器、相敏檢測器等組成。其中，寬帶接收放大器由高通濾波器電路和前置放大電路2個電路模塊組成;相敏檢測器由參考信號發(fā)生器、移相器、相敏檢測器、低通濾波器組成。數(shù)字化超外差相敏檢測器基本構成如圖1所示。圖1EMAT非線性超外差相敏檢波器構成圖1．2基本工作原理在微型計算機內安裝有集成化DDS模塊和A/D模塊，通過程序控制DDS模塊產(chǎn)生周波數(shù)、頻率可調的TTL信號源，經(jīng)過功率放大器后驅動EMAT激勵線圈產(chǎn)生電磁超聲波，當被測試樣內部發(fā)生微結構變化時，超聲波發(fā)生非線性波形畸變，產(chǎn)生二次諧波和三次諧波等高次諧波，被寬帶EMAT接收線圈感應接收。非線性高次諧波信號非常微弱，往往湮沒在基波信號和噪聲信號中。EMAT接收調理電路為了更好的觀察到諧波信號，需要調節(jié)高通濾波器的參數(shù)，改變?yōu)V波器的截止頻率，濾除不需要的頻率信號，同時對微弱的諧波信號進行前置放大。設經(jīng)寬帶接收器濾波和前置放大后，電磁超聲波的信號為［8］:X(t)=Am(t)sin(2πfmt+φm)(1)式中:X(t)為一窄帶脈沖信號;fm為高通濾波器的截止頻率。將載波頻率移到中頻，然后進行中頻放大。由DDS模塊輸出一頻率為(fm+IF)的信號:Vs(t)=sin［2π(fm+IF)］(2)式中IF為中頻分量。將X(t)和Vs(t)混頻處理，則混頻器輸出信號為:V(t)=Am(t)2cos(2πIFt－φm)+Am(t)2cos［2π(fm+2IF)+φm］(3)設置低通濾波器的截止頻率，則V(t)經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號為:U0(t)=Am(t)2cos

所示。從圖2可知，EMAT基波信號主頻為1.25MHz，二次諧波2.5MHz和三次諧波信號3.75MHz的信號基本全部湮沒在基波和噪聲信號中。為了提取非線性高次諧波信號，設計截止頻率為2.5MHz的數(shù)字高通濾波器，以濾除低頻成分和部分低頻噪聲信號。經(jīng)數(shù)字化高通濾波器后EMAT接收器信號的時域和頻域圖，如圖3所示。從圖3可知，2.5MHz頻率以下的信號以及噪聲信號被有效的濾除，但2.5MHz諧波信號仍很微弱，，無法觀察。為此，設計一個截止頻率為2.5MHz低通濾波器，以濾除高頻成分。濾波后的信號和頻譜，如圖4所示。(a)時域(b)頻域圖2EMAT接收器時域和頻域信號從圖4可知，2．5MHz二次諧波以上的信號被有效的濾除，達到了濾波的效果。通過互相關理論對濾波以后的信號進行

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本文編號：2568217