電磁超聲特征信號(hào)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉素貞，李麗濱，張闖，張嚴(yán)偉，楊慶新

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津工業(yè)大學(xué) 電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

電磁超聲特征信號(hào)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉素貞1，李麗濱1，張闖1，張嚴(yán)偉1，楊慶新2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津工業(yè)大學(xué) 電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

針對電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)轉(zhuǎn)換效率低、信號(hào)微弱、信噪比低的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了包括電磁超聲換能器在內(nèi)的，由低噪前置放大器、寬帶接收器以及基于虛擬儀器的正交鎖相放大等構(gòu)成的電磁超聲檢測系統(tǒng)。對比了傳統(tǒng)EMAT結(jié)構(gòu)與新的EMAT結(jié)構(gòu)磁通密度的不同，通過提高偏置磁場的強(qiáng)度提高EMAT的換能效率；分析了前置放大器、寬帶接收器、電磁超聲換能器的頻率響應(yīng)特性；研究了相敏檢波器中低通濾波器的階數(shù)、濾波器類型以及截止頻率對電磁超聲回波信號(hào)檢測的影響，并對鋁板進(jìn)行了缺陷檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、分析和存儲(chǔ)，同時(shí)能夠提高信號(hào)的信噪比和分辨率。

電磁超聲換能器；信噪比；前置放大；寬帶接收；正交鎖相放大

0 引 言

電磁超聲檢測技術(shù)因具有無需耦合劑、檢測效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬管材、板材等材料的缺陷檢測以及測厚領(lǐng)域[1-3]；但與此同時(shí)，電磁超聲檢測技術(shù)因存在電磁超聲換能器轉(zhuǎn)換效率低、信號(hào)微弱以及信噪比低等問題，限制了該技術(shù)進(jìn)一步推廣。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作：文獻(xiàn)[4]用選頻放大和鎖相放大的方法將湮沒在噪聲中的電磁超聲信號(hào)提取出來，但當(dāng)超聲信號(hào)的頻率改變時(shí)，需調(diào)整選頻放大電路的調(diào)諧頻率，而且采用模擬電路搭建的選頻放大電路對負(fù)載和信號(hào)源的參數(shù)以及環(huán)境的變化十分敏感；文獻(xiàn)[5]采用多級(jí)放大衰減和濾波的方法實(shí)現(xiàn)對電磁超聲信號(hào)的降噪處理，但對信噪比較低的回波信號(hào)降噪效果不明顯；文獻(xiàn)[6-7]研究了電磁超聲換能器線圈結(jié)構(gòu)以及阻抗匹配的問題，使換能器獲得了更大的功率，在一定程度上使回波信號(hào)增強(qiáng)；文獻(xiàn)[8-10]研究了靜態(tài)偏置磁場、提離距離等因素對電磁超聲換能器靈敏度的影響；文獻(xiàn)[11-14]對曲折線圈進(jìn)行了優(yōu)化，使得換能器的效率得到了提高，回波信號(hào)得到了增強(qiáng)；文獻(xiàn)[15]對電磁超聲換能器進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用電磁超聲換能器對皮米級(jí)位移的檢測。

在上述研究的基礎(chǔ)上，為了更有效地對電磁超聲特征信號(hào)進(jìn)行提取，對電磁超聲特征信號(hào)的提取方法進(jìn)行了研究并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件電路方面，設(shè)計(jì)了電磁超聲換能器、低噪前置放大器、寬帶接收器；在信號(hào)處理方面，采用示波器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接通訊的方法，將示波器采集的數(shù)據(jù)送入LabVIEW SignalExpress 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對電磁超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、分析和存儲(chǔ)。通過硬件和軟件相結(jié)合的方法提高電磁超聲檢測系統(tǒng)的抗干擾能力、檢測精度和檢測效率。

1 電磁超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于正交鎖相放大的電磁超聲檢測系統(tǒng)如圖1所示。利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生Tone-Burst信號(hào)，將Tone-Burst信號(hào)送入功率放大器，放大后的激勵(lì)信號(hào)通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使得激勵(lì)端的EMAT獲得更大的功率，從而在鋁板中激發(fā)出超聲波。接收端的EMAT將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過前置放大器、寬帶接收器、低通濾波器之后經(jīng)過A/D采樣，通過USB將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)的LabVIEW SignalExpress數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，調(diào)用Labview的Vi子程序，對接收到的信號(hào)進(jìn)行正交鎖相放大和濾波，最終經(jīng)過矢量運(yùn)算得到電磁超聲波信號(hào)的幅值和相位，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖1 基于正交鎖相放大的電磁超聲檢測系統(tǒng)Fig.1 EMAT system based on orthogonal lock-in amplifier

1.2 檢測系統(tǒng)的硬件電路

1.2.1 電磁超聲換能器

電磁超聲換能器主要由磁鐵和線圈構(gòu)成，為了在試件中激勵(lì)出表面波，換能器采用曲折線圈結(jié)構(gòu)。接收線圈與激勵(lì)線圈選用由PCB板制作的雙層雙分裂的線圈，頂層與底層通過過孔串聯(lián)。在激勵(lì)端，并排的兩根導(dǎo)線中的電流方向一致，可以等效為一根獨(dú)立的導(dǎo)線，但總的電流要比無分裂時(shí)要大，線圈結(jié)構(gòu)如圖2(a)、圖2(b)所示。另外，采用雙層的線圈結(jié)構(gòu)，使得總的等效電流比單層時(shí)進(jìn)一步增大，進(jìn)而使得激勵(lì)線圈的換能效率進(jìn)一步提高。在接收端，由于雙層雙分裂接收線圈中的感應(yīng)電壓為串聯(lián)，可以提高接收感應(yīng)電壓的幅值，增強(qiáng)接收線圈的靈敏度。

圖2 電磁超聲換能器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of EMAT

靜態(tài)偏置磁場對電磁超聲換能器的影響很大，電磁超聲換能器接收到信號(hào)的電壓幅值與磁場強(qiáng)度的平方成正比，提高偏置磁場的磁場強(qiáng)度能夠很大程度上提高換能器的效率進(jìn)而提高電磁超聲波信號(hào)的幅值。為了提高偏置磁場的磁場強(qiáng)度，采用如圖2(d)所示的電磁超聲換能器結(jié)構(gòu)，通過一塊銜鐵將兩塊釹鐵硼永磁體連接起來，將換能線圈放置在兩塊永磁體連接處的正下方，并通過多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics對電磁超聲換能器中永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行了三維有限元仿真。其中，單個(gè)永磁體的尺寸為40 mm×20 mm×10 mm；鋁板的尺寸為60 mm×50 mm×5 mm；永磁體距鋁板的距離為0.6 mm。

圖3為鋁板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的有限元仿真結(jié)果，其中，圖3(a)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的EMAT鋁板中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，圖3(b)為新結(jié)構(gòu)的EMAT鋁板中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

通過圖3(a)可以看出，鋁板中的磁感應(yīng)強(qiáng)度對稱分布，在永磁體的邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，在永磁體的中間位置磁感應(yīng)強(qiáng)度比較均勻，但是幅值較小。

圖3 鋁板中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.3 Magnetic field distribution of aluminium plate

通過圖3(b)可以看出，鋁板中的磁感應(yīng)強(qiáng)度同樣也是對稱分布，兩塊永磁體連接處正下方的鋁板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，隨著離對稱軸距離的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減?。辉趦蓧K永磁體連接處正下方10 mm的范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B>0.65 T，且水平分量的磁場占主要成分。

1.2.2 低噪前置放大器

對于微弱信號(hào)檢測系統(tǒng)，前置放大器是引入噪聲的主要部件之一。根據(jù)弗里斯公式，整個(gè)檢測系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)。因此，系統(tǒng)可檢測的最小信號(hào)也主要取決于前置放大的噪聲[16]。

本文設(shè)計(jì)的前置放大器框圖如圖4所示。由于傳統(tǒng)的差動(dòng)放大電路可以認(rèn)為是共發(fā)射極電路，將傳統(tǒng)的差動(dòng)放大電路與共基極電路組合就能夠?qū)崿F(xiàn)渥爾曼化，組成渥爾曼差動(dòng)放大電路。渥爾曼差動(dòng)放大電路集成了共發(fā)射極放大電路與共基極放大電路的優(yōu)點(diǎn)，能夠增大輸入阻抗，消除米勒效應(yīng)，拓展高頻范圍的頻率特性[17]。

圖4 前置放大器框圖Fig.4 Preamplifier block diagram

設(shè)有M個(gè)噪聲性能相同的晶體管并聯(lián)，每個(gè)晶體管的等效輸入噪聲電壓和噪聲電流分別為VN和IN，則并聯(lián)后的等效輸入噪聲電壓和噪聲電流[18]分別為：

(1)

(2)

圖6為寬帶接收器在輸入為5 mV時(shí)繪制的幅頻特性曲線，通頻帶為：

fBW1=fH1-fL1=1.429 6 MHz。

(3)

式中：fL1為400 Hz；fH1為1.43 MHz。

輸入信號(hào)的頻率在240 Hz至3 MHz的范圍內(nèi)，前置放大器的增益能夠保持在40 dB以上，在4 MHz時(shí)，也能達(dá)到約為38 dB的增益，能夠滿足電磁超聲檢測的需求。

圖5 前置放大器Fig.5 Preamplifier circuit

圖6 前置放大器的幅頻特性曲線Fig.6 Amplitude-frequency curve of preamplifier

1.2.3 寬帶接收器

將放大電路、濾波電路以及電阻衰減網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)建寬帶接收器，其增益可調(diào)。其中電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的作用有兩個(gè)：第一，配合放大電路選擇合適的放大增益，合理的增益分配能夠一定程度上提高信號(hào)的信噪比；第二，將接收信號(hào)進(jìn)行一定程度的衰減，能夠起到一定的降噪效果。在第一級(jí)放大之后加入一個(gè)2階LC高通濾波器，在第三級(jí)放大之前加入一個(gè)5階LC低通濾波器。其中電阻衰減網(wǎng)絡(luò)選用對稱π型結(jié)構(gòu)，輸入輸出阻抗均設(shè)置為50 Ω，與放大電路相匹配，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。圖7為寬帶接收器的框圖。

圖7 寬帶接收器Fig.7 Broadband receiver

圖8為所設(shè)計(jì)的寬帶接收器在輸入信號(hào)為5 mV時(shí)的幅頻特性曲線，通頻帶為：

fBW2=fH2-fL2=15.464 MHz。

(4)

式中：fL2為36 kHz；fH2為15.5 MHz。

圖8 寬帶接收器的幅頻特性曲線Fig.8 Amplitude-frequency curve of preamplifier of Broadband receiver

在100 kHz至10 MHz的范圍內(nèi)，寬帶接收器增益比較穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)信號(hào)的接收放大。

2 檢測系統(tǒng)的信號(hào)處理

為提高電磁超聲信號(hào)的信噪比和分辨率，運(yùn)用鎖相放大的方法對回波信號(hào)進(jìn)行處理，鎖相放大能夠得到與輸入有用信號(hào)成正比的直流信號(hào)，而噪聲頻率成分則被低通濾波器濾掉，其作用相當(dāng)于一個(gè)Q值無限大的帶通濾波器，對于檢測湮沒在噪聲中的已知頻率信號(hào)具有良好的檢測效果。同時(shí)為避免基本鎖相放大器需要對參考信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整的麻煩，采用正交鎖相放大器，可對幅值和相位變化的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)檢測。

正交鎖相放大器的關(guān)鍵部分是相敏檢波器，采用數(shù)字相敏檢波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬檢波器，可以避免諸多問題，如正交相位誤差、增益不平衡、LO-RF泄露以及模擬檢波后的直流信號(hào)容易受失調(diào)電壓、低頻噪聲等因素的影響等。同時(shí)，為了提高正交鎖相放大器在處理干擾方面的能力，在相敏檢波器之前加一個(gè)低通濾波器進(jìn)行預(yù)濾波來限制通頻帶，由于一般情況下電磁超聲信號(hào)不超過5 MHz，所以選用截止頻率為5 MHz的5階LC低通濾波器。

經(jīng)過相敏檢波器之后的信號(hào)幅值和相位分別為：

(5)

(6)

式中，VI與VQ分別為混頻后的信號(hào)通過低通濾波器之后得到的同相輸出信號(hào)與正交輸出信號(hào)。

3 電磁超聲檢測實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用一發(fā)一收的方式用表面波對含有缺陷的鋁板進(jìn)行檢測，被檢測鋁板的尺寸為500 mm×200 mm×5 mm，在鋁板中間有一通孔，在通孔的一側(cè)有一15 mm×1 mm×5 mm的人工裂紋，圖9為電磁超聲檢測實(shí)驗(yàn)連接圖。

實(shí)驗(yàn)中選用4匝雙分裂的曲折線圈，鋁板中表面波的波速v約為2 910 m/s，所設(shè)計(jì)的線圈線間距為λ=0.727 5 mm，λ為表面波波長，則最佳激勵(lì)頻率的理論值為2 MHz，用3個(gè)周期的正弦Tone-Burst信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。

圖10為采集到的原始波形，波包a為主沖擊干擾；波包b出現(xiàn)在主沖擊之后大約46 μs的時(shí)刻，為電磁超聲直達(dá)波；波包c(diǎn)出現(xiàn)在主沖擊之后大約74 μs的時(shí)刻，為缺陷回波；波包d出現(xiàn)在主沖擊干擾之后大約92 μs的時(shí)刻，為端面回波。

圖9 電磁超聲檢測實(shí)驗(yàn)連接圖Fig.9 Connection diagram of EMAT system

圖10 電磁超聲原始信號(hào)Fig.10 Original signal of electromagnetic acoustic

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)換能線圈的頻率響應(yīng)特性，對換能線圈進(jìn)行了掃頻測量，頻率范圍為1.4 MHz至2.6 MHz，步長為0.1 MHz，將直達(dá)波的峰峰值作為測量的有效幅值。通過圖11可以看出，激勵(lì)頻率為2 MHz時(shí)，獲得最大幅值，與理論值吻合。

圖11 換能線圈的頻率響應(yīng)曲線Fig.11 Amplitude-frequency curve of EMAT

在進(jìn)行正交鎖相放大處理時(shí)，需要將經(jīng)過正交相敏檢波之后的電磁超聲信號(hào)送入低通濾波器將直流信號(hào)以外的無用信號(hào)濾除掉，濾波器的類型、截止頻率以及階數(shù)會(huì)對實(shí)驗(yàn)造成不同程度的影響。如果濾波器的階數(shù)太高，會(huì)增加運(yùn)算量，引起嚴(yán)重的相位延遲。如果濾波器的階數(shù)太低，雖然運(yùn)算量小、相位延遲小，但是濾波效果不理想。截止頻率太低會(huì)造成有用信號(hào)的失真，相反，截止頻率太高會(huì)導(dǎo)致噪聲信號(hào)濾除不干凈。

因此，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，試驗(yàn)中最終選用具有最大平坦的群延遲(線性相位響應(yīng))的貝塞爾型線性低通濾波器，階數(shù)為6，截止頻率為70 kHz。圖12為經(jīng)過正交鎖相放大之后的波形，可以看出，正交鎖相放大可以將噪聲中有用的電磁超聲信號(hào)特征提取出來，從而獲取比較平滑、信噪比高的波形。

圖12 正交鎖相放大后波形Fig.12 Output waveform of orthogonal lock-in amplifier

表1為缺陷以及端面位置的定位結(jié)果，每個(gè)波包相對于主沖擊所傳播距離為△S=△t×v，其中，v為表面波的波速；△t為相應(yīng)的波包與主沖擊之間時(shí)間差。表1中的△S1和△S2分別表示不同波包所對應(yīng)傳播距離的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果和精確測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果和實(shí)際的結(jié)果比較一致(相對誤差在3%以內(nèi))，本實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)能夠成功地實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位。

表1 缺陷以及端面位置的定位Table 1 Location of flaw and end plane position

4 結(jié) 論

對電磁超聲特征信號(hào)的提取進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，為提高電磁超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率，對永磁體和線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了具有低噪、高共模抑制比性能的前置放大器以及具有增益可調(diào)的寬帶接收器，與上位機(jī)軟件相結(jié)合構(gòu)成了電磁超聲特征信號(hào)檢測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采取硬件和軟件相結(jié)合的方法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較好的檢測精度，能夠提高電磁超聲回波信號(hào)的信噪比和分辨率，實(shí)現(xiàn)了對電磁超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)在線處理，極大地提高了檢測效率。

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(編輯：張 楠)

Designofcharacteristicsignalsdetectingsystemforelectromagneticultrasonic

LIU Su-zhen1，LI Li-bin1，ZHANG Chuang1，ZHANG Yan-wei1，YANG Qing-xin2

(1.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China; 2.Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

To solve the problem of low transduction efficiency,weak signal and low signal-to-noise ratio (SNR) in electromagnetic acoustic transducer (EMAT) system,the detection system was designed,including EMAT,low noise preamplifier,broadband receiver and the orthogonal phase-locked amplifier based on the LabVIEW.The difference between the traditional EMAT structure and the new EMAT structure flux density was compared,by increasing the intensity of the bias magnetic field can improve the efficiency of EMAT; The frequency response characteristic of preamplifier,broadband receiver and EMAT were analyzed.The impact of the order,filter type and cut-off frequency of the low pass filter,to detect the ultrasonic echo signal was studied.Results indicate that the system can achieve the goal of real-time acquisition,storage and analysis of electromagnetic ultrasonic echo signal and improve the SNR and resolution of signals.

EMAT; SNR; preamplifier; broadband receiver; orthogonal broadband receive

10.15938/j.emc.2017.09.014

TG 115.28

:A

:1007-449X(2017)09-0103-07

2016-03-03

國家自然科學(xué)基金(51307043)；河北省自然科學(xué)基金(E2016202260)；天津市自然科學(xué)基金(16JCYBJC19000)

劉素貞(1969—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌雠c磁技術(shù)；李麗濱(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測技術(shù)；張 闖(1982—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測技術(shù)；張嚴(yán)偉(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測技術(shù)；楊慶新(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌雠c磁技術(shù)。

劉素貞