声磁传感器及其频谱检测技术研究
磁声发射无损检测方法研究进展
摘 要 ： 声发 射 法是无损检 测领 域的一 门新 学科 ， 磁 具有 很 大的发展 潜力 。简要 介 绍 了磁 声发射现 象
及 其应 力检 测机理 ； 从检 测 系统 构成 、 测机理 分析 以及应 用 ３个方 面详 细 阐述 了磁 声发射 检测 方 检 法的研 究进展 ； 总结 了该方 法存在 的问题 以及 研 究方 向。
ａ 适 用于在 斜井 、 向井 、 ） 定 丛式井 和海上 油井
［］ 石 油 矿 场 机 械 ，０ ４ ３ （ 刊 ） ８１ ． Ｊ． ２ ０ ．３ 增 ：－０
使用， 尤其 适 于气 油 比高的油井 。
王 增 进 ．国 内外 斜 井 举 升 工 艺 现 状 ［ ］ 石 油 钻 采 工 Ｊ．
磁 声 发 射无 损检 测 方 法研 究进展
王 金凤 樊 建春 仝 ， ， 钢 。莫 ， 菲 钱 金 强。 ，
（． 国石 油 大 学 （ 京 ） 电工 程 学 院 ， 京 １ ２ ４ ；． 里 木 油 田分 公 司 工 程 技术 部 ， 尔 勒 ８ １ ０ ） １中 北 机 北 ０２９２塔 库 ４ ００
Ｗ ＡＮＧ ｉ － ｅ ｇ ， Ｊ ｎ ｆ ｎ ＦＡＮ Ｊ ａ — ｈ ｎ ， ｎ ｎ 。 Ｍ ｏ Ｆ ｉ ， ａ ｉ － ｉ ｎ 。 ｉ ｎ ｃ ｕ Ｔｏ ｇ Ｇａ ｇ ， ｅ Ｑｉｎ Ｊｎ ｑ ａ ｇ
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磁性无损检测技术中的信号处理技术
磁性无损检测技术中的信号处理技术磁性无损检测技术（简称磁无损技术）是一种利用电磁感应原理来检测材料内部缺陷的技术。
在该技术中，信号处理技术起着至关重要的作用，它决定了磁无损技术的检测灵敏度和可靠性。
本文将重点介绍磁性无损检测技术中的信号处理技术，包括信号获取、滤波、特征提取和缺陷识别等方面的内容。
一、信号获取在磁无损技术中，信号获取是首要步骤。
通常情况下，通过激励线圈在被测材料表面产生交变磁场，被检测材料中的缺陷会对磁场产生影响，进而引起感应线圈中的感应电流，最终形成检测信号。
信号获取的关键是要保证激励线圈和感应线圈之间的磁场传感效率，从而获取到清晰的磁无损信号。
为了提高信号的获取效率，可以通过改变激励线圈的频率、电流大小等参数来提高交替磁场的强度和分辨率，从而获取更加清晰的磁无损信号。
还可以采用多通道信号获取技术，通过多个感应线圈同时获取信号，以提高信号的灵敏度和分辨率。
通过合理的信号获取手段，可以获取到高质量的磁无损信号，为后续的信号处理提供了良好的基础。
二、滤波信号获取后的磁无损信号往往包含了大量的噪声信号，为了提取出有效的缺陷信息，需要对信号进行滤波处理。
常见的滤波方法包括低通滤波、带通滤波和高通滤波等。
低通滤波主要用于剔除高频噪声，使信号更加平滑，从而便于观察信号的整体趋势。
带通滤波则用于提取有效信号，有效的缺陷信号通常分布在一定的频率范围内，通过带通滤波可以选择出目标频率范围内的信号。
高通滤波则主要用于剔除低频噪声，使得信号更加清晰。
通过合理选择滤波方法和参数，可以有效地将噪声信号剔除，提取出有效的缺陷信号。
三、特征提取在信号处理的过程中，特征提取是非常重要的一环。
通过对信号进行特征提取，可以提取出与缺陷特征相关的参数，如振幅、相位、频率等，从而为后续的缺陷识别提供重要的信息。
通常情况下，常用的特征提取方法包括时域分析和频域分析。
时域分析主要是通过对信号进行时序分析，提取出信号的振幅、波形等特征参数；而频域分析则是对信号进行频谱分析，提取出信号的频率、谐波分量等特征参数。
GMR磁传感器信号检测技术研究
因此GMR磁传感器信号检测技术研究具有重要意义。国内对低噪 声前置放大电路及稳态信号检测算法研究比较多，但是将两者 有效的结合起来研究的较少，本文在分析国外研究动态的基础 上，对其关键技术展开了研究。
论文主要工作如下：研究了低噪声前置放大技术。从结构设计 出发，从静态工作点调节机理、共模抑制比增强、等效输入噪 声电压密度控制等方面研究了输入级设计原理，并且通过 Multisim软件对所设计的电路进行系统的仿真，达到了设计要 求。
GMR磁传感器信号检测技术研究
1/f噪声是GMR磁传感器的主要噪声源，严重限制了GMR磁传感器 的低频性能，本研究团队依托国家自然基金提出了基于磁力线 聚集垂动调制技术的磁传感器结构，能有效克服1/f噪声影响， 大幅提高GMR磁传感器的分辨力。GMR磁传感器要达到分辨力pT 级的检测指标，其检测电路需要实现1ppm的检测分辨率。
ห้องสมุดไป่ตู้
应用多抽样率信号处理理论设计窄带FIR滤波器，研究了窄带滤 波器中各级滤波器频谱特性，解决了直接FIR滤波器设计阶次过 高而难以实现问题，设计了一个的满足实际需求数字锁相放大 器。最后进行三部分实验，包括低噪声放大电路测试、三种不 同信号检测算法性能测试，以及检测系统性能测试，实验验证 了低噪声放大电路设计合理性以及信号检测算法的有效性。
研究了基于频谱校正技术的检测算法。对三角自卷积窗进行最 小二乘拟合，从理论上分析随机噪声背景下三角自卷积窗和矩 形窗的谱分析能力及各自的优缺点，提出了一种基于滑动平均 窗频谱校正算法。
最后通过仿真实验对三种频谱校正检测算法进行了幅值测量误 差和频率测量误差评估。研究了基于数字锁相放大器的检测算 法。
磁性无损检测技术中的信号处理技术
磁性无损检测技术中的信号处理技术磁性无损检测技术是一种基于电磁感应原理的检测方法，广泛应用于工业和科学研究领域。
在磁性无损检测中，信号处理技术发挥着重要的作用，可以提取和分析检测信号中的有用信息，并用于检测缺陷的识别和评估。
1. 信号采集：磁性无损检测中需要采集目标物体产生的磁场信号。
通常使用高斯计或磁感应线圈等磁场传感器进行信号采集。
采集到的信号一般是微弱的，需要进行增益和滤波处理。
2. 信号增益：由于目标物体产生的磁场信号很微弱，为了提高信噪比，信号需要进行增益处理。
增益可以通过放大器电路实现，提高信号的幅度，使得信号更容易被检测和分析。
3. 信号滤波：磁性无损检测中的信号常常受到噪声的干扰，需要对信号进行滤波处理，去除噪声和干扰成分。
常见的滤波方法有低通滤波、高通滤波、带通滤波等。
4. 数据处理：经过采集、增益和滤波之后，磁性无损检测中的信号可以表示为一个数据序列。
接下来需要对数据进行处理，如傅里叶变换、小波变换等，以提取信号的频谱和时间域信息。
5. 缺陷识别和评估：通过分析处理后的信号，可以判断目标物体中是否存在缺陷，以及缺陷的类型、位置和大小等信息。
常用的方法包括阈值判别、模式识别和统计分析等。
6. 数据可视化：为了更直观地展示磁性无损检测的结果，需要将处理后的数据可视化，如绘制成图像、曲线、等值线等形式。
这样可以使得操作人员更容易理解和分析检测结果。
磁性无损检测技术中的信号处理技术在提高检测精度和效率方面起到了至关重要的作用。
它不仅可以对原始信号进行增益和滤波处理，提高信号质量，还可以通过分析处理后的信号提取出有用的信息，并用于缺陷的识别和评估。
在实际应用中，信号处理技术的发展和应用将进一步提高磁性无损检测技术的可靠性和准确性，推动其在更多领域的应用。
生物感应式磁声成像的研究现状
Ｍａ Ｚ ｈ ｅ ｎ Ｓ ｕ ｎ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ
（ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｃ
Ｗａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ
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３ ５ 卷 ６ 期 ２ ０ １ ６年 １ ２月
中 国 生
物 医 学
工 程
学
报
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Ｖｏｅ ｎ ｄ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｉ ｃ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ．Ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｐ ａ ｔ ｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ
3重建组织电导率代传统的基于脉冲激励的成像方式并进行了验证matmi应用多物理场藕合的方式通过组织实验27实验结果表明这种成像方式能够在提高信产生的超声信号重建组织的声源和电导率避免了以电场或者磁场作为重建数据的缺点使重建图像噪比的同时减小所需的峰值平均功率比而且能够降低成像系统的复杂程度为便携式成像系统的设在具有高对比度的同时也获得了较高的空间分辨计奠定了基础
磁性无损检测技术中的信号处理技术
磁性无损检测技术中的信号处理技术磁性无损检测技术是一种利用电磁感应原理对材料内部缺陷进行检测的技术，广泛应用于金属材料的品质检测、生产过程中的质量控制和安全评估等领域。
信号处理技术在磁性无损检测中是关键技术之一，其主要目的是从杂讯和背景信号中提取有用的信号，并对信号进行分析和处理，以获得更准确的缺陷信息。
1. 信号增强技术在磁性无损检测中，由于材料内部环境复杂，环境噪声和背景信号干扰严重，对于微弱信号的检测极其困难。
因此，信号增强技术成为信号处理中的重要技术之一。
常用的信号增强技术包括：(1) 滤波技术：采用数字滤波器对信号进行预处理，可以去除高频噪声和低频漂移等不必要的信号，使信号变得清晰明了。
(2) 平滑技术：将信号进行平滑处理，即在较小的时间或空间范围内取信号平均值，消除瞬时波峰和毛刺等信号噪声。
(3) 增益控制技术：通过调节放大器的增益来放大信号，使其达到足够大的幅值，便于后续处理。
2. 特征提取技术特征提取技术是从信号中提取有意义的特征参数，以描述和区分不同信号、不同材料的差异。
常用的特征参数包括幅度、相位、频率、功率谱、脉冲宽度等。
通过分析这些特征，可以得到不同材料内部的不同特征缺陷的信息。
3. 缺陷定位技术在磁性无损检测中，缺陷的定位是非常重要的。
缺陷定位技术的目的在于确定缺陷的空间位置和大小，从而更准确地评估缺陷的程度和危害性。
缺陷定位技术包括时间域和频域定位技术两类。
(1) 时间域定位技术：时间域定位技术是通过计算信号的到达时间差来测量缺陷的位置，常用的时间域定位算法包括：双点法、塞曼-达菲方法、互相关法等。
(2) 频域定位技术：频域定位技术是将信号转换为频域信号，通过计算信号的相位差、时延、功率谱等特征参数来实现缺陷定位，常用的频域定位算法包括：互谱法、卡曼滤波法、Wigner-ville分布等。
4. 缺陷识别和分类技术缺陷识别和分类技术是将检测到的缺陷进行分析处理，判断缺陷的类型、位置、大小等，从而确定缺陷的危害程度。
磁性无损检测技术中的信号处理技术
磁性无损检测技术中的信号处理技术磁性无损检测技术是一种基于电磁感应原理的无损检测技术。
在检测过程中，一定强度的磁场通过被检测材料，磁场的变化情况将被传感器采集，通过信号处理技术进行分析，从而确定被测物体的内部缺陷情况。
信号处理技术在磁性无损检测技术中起着非常重要的作用，直接影响着检测结果的准确性和可靠性。
由于磁性无损检测技术的基本原理是电磁感应，因此其信号特点具有一定的共性。
主要表现在以下几个方面：（1）信号具有低频特性。
在巡检对象中引入磁场后，缺陷附近的磁场将受到影响，导致信号的谐波分量较少，信号主要受到周围磁场变化的影响。
（2）信号噪声较多。
在磁性无损检测中，由于测量环境的复杂性，信号会受到各种噪声的影响，例如磁场漂移、感应信号受电力线干扰等，这些噪声会对信号的采集和分析造成干扰。
（3）信号幅度较小。
由于磁场的强度很小，因此信号幅度较小，需要进行放大处理才能更好地进行分析。
（1）滤波处理在信号处理过程中，由于信号的特点复杂，往往会受到各种干扰噪声的影响，因此需要通过滤波技术对信号进行处理，减少噪声干扰的影响。
常用的滤波方法包括数字滤波器、模拟滤波器等。
（2）放大处理由于磁性无损检测信号幅度较小，因此需要对信号进行放大处理。
常用的方法包括模拟放大、数字放大等。
（3）信号采集处理在信号采集过程中，需要采取一定的采样频率，以保证信号的完整性和准确性。
常用的采样处理方法包括开环采样、封闭式采样等方法。
（4）数据处理在信号采集后，需要进行数据处理，从而得出相应的检测结果。
常用的数据处理包括傅里叶变换、小波变换、矩阵分析等方法。
总之，磁性无损检测信号处理技术在整个检测过程中起着非常重要的作用。
合理地采用信号处理技术能够提高检测效果，减少误判率，为后续的检测工作提供有力的支持。
融合的力量：感应式磁声无损检测技术
与常规检测方法不同的是，MAT-MI不仅能检测出缺陷的几何形态和位置，而且能够对被测试件及其缺陷进行“功能性”成像，获得试件内部的电导率分布情况，从而及时、准确地发现缺陷并对其进行定位，尤其适用于对金属板材的快速、大面积的非接触性检测。
生物领域感应式磁声成像技术2005年，美国明尼苏达大学将磁感应技术和超声断层扫描成像技术进行融合，提出了一种新型的生物功能性成像方法———感应式磁声成像技术。
该技术通过静磁场和脉冲交变磁场同时对成像目标进行电磁激励，利用超声换能器采集由被测组织所产生的磁声信号，对磁声信号进行分析计算，便可用于重建生物组织内部的电导率分布。
该技术兼具生物电阻抗成像的高对比度和超声断层扫描成像的高空间分辨率(理论分辨率可达0.3mm)的优势，可避免屏蔽效应，在乳腺癌筛查以及肝功能成像等领域的可行性已得到了验证。
1.成像原理图1 MAT-MI成像原理示意将待测生物组织置于均匀分布的静磁场中，在环形线圈中通入脉冲激励电流，使其在组织内部产生一个与静磁场方向平行的时变磁场，进而在组织内部感应出与激励电流同频率的涡流。
同时，在静磁场的作用下，感应涡流在组织内部产生频率相同的洛伦兹力，从而引起待测组织内部带电粒子的周期性局部振动，并以超声波的形式向外传播，形成磁声信号。
利用超声换能器在组织周围采集磁声信号并转换成声压信号，再对其进行放大、滤波和存储等处理后，即可重建出反映生物组织生理功能变化的电导率分布图。
2.正问题的研究现状MAT-MI正问题是指在已知组织电磁特性的前提下，根据静磁场、脉冲交变磁场以及边界条件进行多物理场的耦合，获得组织表面的初始声压分布。
图2 MAT-MI正问题流程图正问题可分为电磁场正问题和声场正问题两部分：前者由感应涡流与静磁场相互作用，引起生物组织内部带电粒子的周期性局部振动，形成振动声源；后者由振动声源形成包含电磁特性信息的磁声信号并向外传播，从而引起组织内部声压的变化。
磁声耦合声信号幅频特性的实验研究
摘要：研 究激励源特征 与磁声信号之间 的关系，探究 被测样本激励 信号与激发声信 号频率的对应 关系。
建立磁 声信号检测 实验系统，采用不同幅度 及频率的单 周期正弦脉 冲为激励信 号，以铜导线 为被测样本 ，检
测电磁激励产生的声信号；采用短时傅立叶变换s T丌加移动平滑矩形窗时频法分析激励电流及声信号的
生our物nal医学工程≯究 …“ l of Bi ome di ca l En gi n eer i ng Re sea r c h
)…： 1。～6
2013。32{1J our na
木
磁 声耦 合 声信 号 幅 频特 性 的实 验 研究
刘志朋△，马任，张顺起，朱珍珍，殷涛，王延群
( 中国医学科学院北京协和医院生 物医学工程研究所，天津300192)
中图分类号：R318
文献标识码：A 文章编号：1672- 6278( 2013) 01- 0001- 06
Exper i ment al St udy on Ampl i t ude Fr equenc y of Acoust i c
Si gna l Exc i t ed by Coupl i ng Ma gnet o——a coust i c Fi e l d
无损检测技术中的声传感检测方法
无损检测技术中的声传感检测方法声传感检测方法在无损检测技术中起着重要的作用。
无损检测技术是一种不破坏材料本身、不影响材料使用性能的测试方法，用于评估材料的质量、完整性和性能。
声传感检测方法利用声波在材料中传播的特性，通过检测声音的反射、散射或传播而分析材料的特征。
声传感检测方法的一种常见应用是超声波检测。
超声波是一种高频声波，频率通常在20kHz至1GHz之间。
超声波在材料中传播的速度和声音反射、散射等特性可以提供材料中缺陷和损伤的信息。
超声波检测广泛应用于金属、陶瓷、复合材料等材料的质量检验和结构健康监测中。
超声波检测方法主要包括传统超声波检测、相控阵超声波检测和全波场超声波检测。
传统超声波检测通常使用单个传感器，将超声波传播到材料中并接收回波信号。
这种方法简单直观，但对材料缺陷的分辨率有限。
相控阵超声波检测利用多个传感器阵列，通过对每个传感器的发射和接收时间进行控制，可以形成不同方向和焦点的声束。
相控阵超声波检测可以提高检测的分辨率和灵敏度。
全波场超声波检测利用大量传感器，可以捕获材料内全部的超声波信号，并利用数学算法对信号进行处理和重构，提供更丰富的检测信息。
除了超声波检测，还有其他声传感检测方法应用于无损检测技术中。
例如，声发射检测利用材料内部的声音发射信号来评估材料的损伤程度和破坏机理。
声发射检测广泛应用于钢结构、混凝土桥梁等工程结构的健康监测。
此外，声发射检测也可用于瓦斯管道、核电站等领域的泄漏检测。
噪声分析是一种利用声音的频谱和统计特性进行检测和识别的方法。
通过分析声音信号的频谱特征和统计特性，可以判断材料的质量、结构和工况。
声传感检测方法在无损检测技术中具有广泛的应用前景。
这些方法不仅可以检测材料的缺陷、裂纹和损伤，还可以评估材料的性能和结构健康状况。
声传感检测方法具有非接触、快速、准确、可靠等优点，适用于各种材料和结构的检测需求。
随着传感技术和信号处理算法的不断发展，声传感检测方法将在无损检测技术中发挥更重要的作用。
基于信号处理技术的声波传感器研究
基于信号处理技术的声波传感器研究声波传感器是一种通过接收和处理声波信号来探测周围环境的传感器。
它可以广泛应用于工业生产、军事、医疗等领域。
随着科技的不断发展，基于信号处理技术的声波传感器逐渐得到了广泛的关注和应用。
一、声波传感器的基本原理声波传感器是一种利用声波的反射、干涉等原理来探测物体的存在、位置、运动等特征的装置。
声波传感器的主要组成部分包括发射器、接收器和信号处理电路。
发射器是用来产生声波信号的器件，接收器则是用来接收反射回来的声波信号。
信号处理电路则是用来对接收到的声波信号进行滤波、放大等处理。
二、基于信号处理技术的声波传感器的研究随着信号处理技术的不断发展，基于信号处理技术的声波传感器逐渐成为了研究热点。
它利用数字信号处理技术，对传感器接收到的信号进行数字化处理，可大幅度提高传感器的灵敏度、精度和可靠性。
例如，现在的声波传感器采用了多点接收的技术，将声波信号从多个方向接收，从而可以更准确地定位物体。
此外，基于信号处理技术的声波传感器还可以应用于噪声控制方面，通过对噪声信号进行分析和处理，可以减小噪声对信号的影响。
三、声波传感器的应用案例1. 工业自动化声波传感器可以用于支持工业机器人的运动控制，以保证机器人与周围环境的安全距离。
此外，声波传感器还可以用于物料检测、水位检测、液位检测等工业自动化应用。
2. 车载辅助系统声波传感器可以用于车载辅助系统，如备车雷达，安全气囊触感式触发等。
它可以帮助进一步改善车辆的行驶安全性，提高驾驶舒适度。
3. 医疗健康声波传感器还可以用于医疗健康，如智能健康手环和智能药盒。
智能健康手环通过使用超声波传感器，可监测用户心率、血氧、血压等健康数据。
智能药盒则可通过声波传感器来检测药品的状态，辨识药品类型并提醒服用。
四、发展趋势及前景随着技术的不断创新，声波传感器也将不断获得新的发展机遇。
未来，同时结合其他传感器和实时应用算法开发，声波传感器的应用前景将越来越广泛。
基于声表面波技术的磁场传感器设计与分析
基于声表面波技术的磁场传感器设计与分析磁场传感器一直在人类生产生活中起着着非常重要的作用,随着更多的特殊应用场景如无源、高温等的需要,旧的磁场传感器已经逐渐不能够满足人们的需要,需要进行新型磁场传感器的设计研究工作。
因此本课题利用声表面波技术的传感器具有抗干扰能力强、无线无源等优点,进行了基于声表面波技术的磁场传感器的设计工作。
为了设计基于声表面波技术的磁场传感器,首先分别研究了声表面波、巨磁阻抗和磁致伸缩技术。
声表面波技术部分研究了声表面波的激励与传播机制和制造工艺,特别对本课题使用的声表面波换能器进行了深入研究;巨磁阻抗技术部分重点研究了非晶微丝的巨磁阻抗特性,进行了理论分析并搭建测试平台进行了测试;磁致伸缩技术部分重点研究了铽镝铁合金的磁致伸缩特性,制备了实验需要的铽镝铁合金薄膜并进行了表征。
在上面研究的基础之上,设计了结合声表面波、巨磁阻抗和磁致伸缩技术的两款磁场传感器:巨磁阻抗声表面波磁场传感器及其组合传感器和磁致伸缩巨磁阻抗磁场传感器。
设计过程中根据最基本的原理,吸收其他研究人员相近的研究内容和成果,并对相应的磁敏感材料单元进行了优化设计。
为了检验磁场传感器的设计效果,搭建了实验测试平台,进行了磁场传感器实验测试工作。
使用矢量网络分析仪对声表面波芯片进行参数的测试得到磁场传感器的性能参数。
最终通过将声表面波技术分别与巨磁阻抗技术和磁致伸缩技术结合,本课题研究设计了两款新型的基于声表面波技术的磁场传感器,充分利用了声表面波器件高频、无源的优势和非晶微丝、铽镝铁合金对于磁场变化的敏感性特点。
巨磁阻抗声表面波磁场传感器的测试表明,此传感器在磁场范围处于0至2.0 Oe之间时,输入反射系数的增大和磁场强度的增大之间接近于线性关系,其可以进行一维和二维的低强度磁场检测;磁致伸缩声表面波磁场传感器的测试表明,此传感器可用于二维高强度磁场检测。
与现有的声表面波磁场传感器相比,本课题设计并实验的这两款传感器的性能相近但工作频率更高、尺寸更小。
医学感应式磁声电导率成像方法研究
模块 设计
1
数据存储模块 采集驱动模块
2
3
4
NI Scope示波器驱动是NI公司提供的八类可互换的虚拟仪器 高速数据流 TDMS文件以二进制形式存储数据,文件很小，读 IVI规范驱动之一 ,使用该驱动函数可以实现程序与硬件接口的不 写速度可达 600MB/s, 适合用来存储海量数据 ,可满足磁声成像这种 相关。此外 ,NI Scope提供了规范和标准 API函数和 DAQ驱动程序 TDMS文件除了可以存储信号数据外 ,还可以为 库,实时系统的需要。 能够将仪器的功能完整封装 ,让用户更快更容易地开发系统。 每个信号添加附加息 TDMS文件可以被 在LabVIEW 程序框图中:,文件、组、通道等。同时 打开“测量I/O”可看到“NIScope”工 EXCEL 打开，能够满足后期复杂算法的格式需求。TDMS的写操 具包 ,选择初始化、水平方向设置、竖直方向设置、通道设置、触 作如图所示。 ,可以自定义PXIe-5122驱动程序。该系统设置 发方式设置等函数 偏移量为零,外部触发采样模式,采样频率和采样记录长度由输入 控件控制,采样的通道名称默认为“channel0”,实现连续采样。
使用超声换能器将接受到的磁声信号输入到pxie5122采集卡的模拟通道对采集到的信号去脉冲响应后经bandpass滤波器滤波去除噪声对滤波后的信号进行hilbert变换提取信号的包络利用阈值检测控件判断信号的有效性采集到的双环磁声信号实验步骤对采集到的信号去脉冲响应后经bandpass滤波器滤波去除噪声对滤波后的信号进行hilbert变换提取信号的包络利用阈值检测控件判断信号的有效性采集到的双环磁声信号使用超声换能器将接受到的磁声信号输入到pxie5122采集卡的模拟通道实验利用脉冲信号发生器输出一个脉宽小于1s重复频率为20hz的脉冲信号在激励线圈内产生约200a的脉冲电流而激发出脉冲磁场
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磁传感器的谐振频率及其灵敏度情况 。对传感器实施激 振有 2种方法 :一种是以固定激振频率激励传感器 ,通过 检测接收装置输出信号的幅值可以判断传感器是否满足 使用要求 ;另一种是扫频激励 ,通过接收装置输出信号可 以得到扫频范围内的频谱 ,进而可以知道声磁传感器的 谐振频率和振幅大小 。
作为 该 技 术 的 典 型 代 表 产 品 声 磁 防 盗 传 感 器 ( acoustomagnetic surveillance marker) ,在零售业具有十分 庞大的市场 ,美国 Sensormatic公司已经产业化 ,但国内无
为了减小传感器的结构尺寸 ,振动元件可以采用轻 而薄的带材 ,偏磁元件紧贴于其附近 ,偏磁元件通常采用 半硬磁性材料 ,被磁化后具有一定的剩磁 。图 1 为一声 磁防盗传感器结构示意图 。
图 1 声磁传感器结构 Fig. 1 Acoustomagnetic sensor structure
声磁传感器通常就是利用其磁力共振原理工作的 。 在实际应用中 ,传感器固定于被检测的对象上 ,当该被测 对象经过特定区域时 ,声磁传感器发出磁力共振机械振 动信号 ,通过检测该信号的频率及信号幅度即可辨识被 测对象 。因此 ,在被测对象经过的特定区域 ,应该既有产 生交变磁场的发射装置 ,也有检测传感器机械振动振幅 的的接收装置 。如图 2所示 。
无阻尼振幅 , m; B 为传感器在偏磁场中的长度变化量 ,
m; x ( t) 为振动元件振动响应值 , m。
可以看出 ,振子片自由振动的振幅按指数规律衰减 ,
衰减的速率取决于阻尼系数 ,振子片的实际共振频率为
ω d
=
ω n
1 - ζ2
比无阻尼共振频率低 , 偏低的程度也取决于阻尼 。
由声磁传感器结构特点可知 ,传感器振动元件的无阻尼
信号 ,而该信号通常都在几十 kHz兹的超声波范围内 ,声 磁传感器因此得名 。
2 声磁传感器结构与应用系统组成
声磁传感器中的磁性元件在外部磁场的作用下能够 产生磁致伸缩效应 ,材料在外部磁场作用下体现为拉伸 还是收缩取决于材料本身的性质 ,而与外部磁场的极性 无关 。因此 ,当外部磁场产生过零交变时 ,磁性材料长度 的变化频率将是外部交变磁场频率的 2 倍 ,这里定义为 倍频效应 ,即激励与响应之间频率不再相等 ,而产生了倍 频 。为了消除倍频效应 ,可以考虑为振动元件提供一个 偏磁场 ,并且偏磁场大于交变激励磁场的最大值 ,两个磁 场叠加 ,使叠加后的磁场始终在一个方向上有大小变化 , 而不产生极性的变化 ,这样磁性材料的磁致伸缩频率就 与激励磁场的频率相同了 。由此可知 ,声磁传感器在结 构上 ,不仅要有能够产生磁致伸缩效应的振动元件 ,还要 有为该元件提供适当偏磁场的偏磁元件才能正常工作 。 由于偏磁场对共振频率有直接影响 ,因此确保偏磁元件 与磁性振动元件之间的相对位置关系至关重要 。
第 29卷 第 5期 2008年 5月
仪器仪表学报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol129 No15 M ay 2008
声磁传感器及其频谱检测技术研究 3
吴海彬
(福州大学机械工程及自动化学院 福州 350108)
摘 要 : 声磁传感器基于材料的磁致伸缩效应 ,当对其施加交变磁场激励信号 ,并且交变激振信号的频率与材料的固有频率相 等时 ,材料将产生磁力共振 。接收装置检测到材料由于共振而产生的声波信号 ,并经过处理得到声磁传感器的共振频率及响应 幅值 。由此 ,可以研制应用于物品识别 、电子防盗等领域各种不同功能的声磁传感器 。其基本结构组成包括偏磁元件 、振动元 件及壳体等 。影响该类传感器灵敏度与精度的主要因素有振动元件的结构参数 、偏磁元件的剩磁场 ,以及振动元件材料的物理 性质等 。 关键词 : 声磁 ; 传感器 ; 磁致伸缩 中图分类号 : TH39 文献标识码 : A 国家标准学科分类代码 : 460. 4033
实际长度误差 、振动元件的材料组分以及偏磁场的大小 。
3. 3 振动元件长度对共振频率的影响
传感器的共振频率与振动元件的长度有直接关系 , 而且呈非线性关系 。振子片长度越长 ,传感器的共振频 率就越低 。振动元件不同的设计长度 ,同样微小长度的 变化 (主要由机械加工误差造成 )对传感器共振频率的 影响程度是不同的 ,图 3是振动元件长度误差为 0. 1 mm 时 ,不同长度的振动元件其共振频率误差的变化情况 。 对于振动元件设计长度为 36 mm 的声磁传感器 , 0. 1 mm 长度误差造成共振频率偏移 200 Hz。
d
3. 5 偏磁场对声磁传感器共振频率的影响
偏磁场的大小对声磁传感器谐振频率点及对应的振 幅有直接影响 ,偏磁场达到某一值时 ,其振幅达到最大 。 设计声磁传感器时 ,通常就是调整相关参数使传感器处 于谐振频率点时其振幅达到最大 ,这样灵敏度最高 。如 声磁防盗传感器 ,实验发现在偏磁场为 6 ～6. 5Oe时 ,振 动元件的谐振振幅达到最大 ,而此时谐振频率为 58 kHz。
3. 1 声磁传感器的自由振动
ห้องสมุดไป่ตู้
声磁传感器在受到某一初始交变磁场激励后 ,其磁 性材料将产生自由振动响应 ,根据振动及控制理论可知 :
x ( t) = B + A ·e-ζ·ωn·t sin (ωn 1 - ζ2 t +φ)
式中
:
ζ为振动元件阻尼比
;
ω n
为振动元件无阻尼固有
角频率 , rad / s; φ为振动元件相位差 , rad; A 为振动元件
Abstract: B ased on magnetostrictive mechanism of magnetic m aterials, acoustom agnetic sensor w ill p resent magneto2 mechanic resonate phenomenon, when it is put on alternating m agnetic field, and the frequency of the alternating magnetic field is same to inherent frequency of sensor. The sound wave signal em itted by sensor because of magneto2 mechanic resonance is detected by receiving equipm ents, and the resonance frequency and corresponding sw ing peak value can be p icked up after p roper disposal. So, various different sensor can be developed to use such as for article identified, electronic surveillance, etc. The sensor is m ade u Pof bias unit, vibrating unit and carapace. The factors affecting sensitivity and p recision of sensor are mainly consist of structure param eters, physical characters of vibrating unit, remanence of bias unit, etc. Key words: acoustomagnetic; sensor; magnetostrictive
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仪 器 仪 表 学 报
第 2 9卷
度 、材料弹性模量及体密度等因素有关 ,因此有 :
dfg
1 = - 2L2
E ·dL + 1
D
4L
1 ·dE - 1
ED
4LD
E ·dD D
式中 : dfg 为谐振频率的变化量 , Hz;其他参数同上 。 理论与实验发现 ,影响精度的主要因素是振动元件的
Research of acoustomagnetic sen sor and its frequency spectrum detection technology
W u Haibin
( College of M echan ica l Eng ineering and A u tom a tion, Fuzhou U n iversity, Fuzhou 350002, Ch ina)
的影响程度 。如表 1所示为振动元件设计长度 36 mm 的 声磁传感器 ,长度误差对共振频率的影响 。
3. 4 阻尼对声磁传感器共振频率的影响
对于声磁传感器的振动元件 ,其阻尼由 2 部分组成 : 一是振动元件的内阻尼 ,体现在振子片不与任何物体接 触时 ,其激振后的自由振荡也呈逐渐衰减趋势 ;二是振子 片与盒体接触产生的阻尼 ,由摩擦产生 。两者综合作用 就决定了振动元件自由振动时振幅衰减的速率 ,以及自 由振动时振动元件的实际振动频率 ω 。
发射装置通常是由线圈和驱动电路组成 ,驱动电路 用于为线圈提供一个交变电流 ,这样线圈就产生了交变 磁场 。由于接收装置的作用是检测磁性材料的机械振动
图 2 声磁传感器的应用系统 Fig. 2 App lication system of acoustomagnetic sensor
3 声磁传感器数学建模
收稿日期 : 2007205 Received Data: 2007205 3 基金项目 :福建省自然科学基金 (2006J0025) 、福州大学科技发展 (XJJ20501)资助项目
第 5期
吴海彬 :声磁传感器及其频谱检测技术研究
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论从原材料 、制作工艺及制造设备等方面均未起步 ,也未 见相关研究报道 。本文分别从理论与实验研究出发 ,深 入研究声磁传感器工作机理 ,建立了其数学模型 ,详细阐 述了影响声磁传感器灵敏度的主要因素 ,研制开发了声 磁传感器频谱检测系统 ,最后给出了自制声磁传感器的 频谱响应曲线 。