非鐵磁性金屬材料螺旋線圈電磁超聲換能器接收效率場(chǎng)路耦合分析

石文澤，吳運(yùn)新, 3，龔海, 3，張濤，譚良辰, 韓雷

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非鐵磁性金屬材料螺旋線圈電磁超聲換能器接收效率場(chǎng)路耦合分析

石文澤1, 2，吳運(yùn)新1, 2, 3，龔海1, 2, 3，張濤1, 2，譚良辰1, 2, 韓雷1, 3

(1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083;3. 中南大學(xué)有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙， 410083)

針對(duì)電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer, EMAT)接收信號(hào)十分微弱的問(wèn)題，建立包括螺旋線圈EMAT換能過(guò)程和接收等效電路的場(chǎng)路耦合有限元模型；分析阻抗匹配參數(shù)、線圈導(dǎo)線直徑、前置放大器的輸入阻抗和銅背底至線圈間距對(duì)EMAT接收效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)線圈導(dǎo)線直徑為0.25 mm，前置放大器輸入阻抗為1 kΩ，銅背底至線圈距離為0.5 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)接收橫波信號(hào)幅值可以提高3倍以上；場(chǎng)路耦合分析方法能夠綜合考慮接收電路的輸出增益和接收EMAT的換能效率，可以更準(zhǔn)確地指導(dǎo)EMAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電磁超聲換能器；螺旋線圈；場(chǎng)路耦合；接收效率；有限元方法

電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer, EMAT)可以在金屬材料中通過(guò)電磁耦合非接觸的方式發(fā)射和接收超聲波，與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)技術(shù)相比，它具有無(wú)接觸性、環(huán)保性和較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等突出特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于石油管道、鍋爐、列車輪軌、金屬板材連鑄、斜拉索橋等高溫、高速、在線等惡劣環(huán)境中[1?3]。然而，電磁超聲存在換能效率低的問(wèn)題，特別是接收EMAT對(duì)環(huán)境噪音極為敏感，信噪比低，極大限制了電磁超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用。為了提高電磁超聲接收信號(hào)的信噪比，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量工作，主要包括：1) 從EMAT換能機(jī)理出發(fā)，建立電磁超聲檢測(cè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，用于提高EMAT的換能效率，如KALTENBACHER等[4?5]重點(diǎn)研究了EMAT的換能原理，通過(guò)解析法和數(shù)值分析法建立了EMAT檢測(cè)過(guò)程模型；KANG等[6?7]建立了曲折線圈EMAT發(fā)射過(guò)程的二維和三維有限元模型，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；劉素貞等[8]建立了三維曲折線圈EMAT檢測(cè)過(guò)程有限元模型，并側(cè)重對(duì)其聲場(chǎng)特性進(jìn)行了分析；黃鳳英等[9?10]從永磁鐵磁路設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)靜偏磁場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；DUTTON等[11]對(duì)偏置磁場(chǎng)的形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，顯著提高了EMAT的換能效率。2) 從電路硬件設(shè)計(jì)和降噪算法上提高接收超聲信號(hào)的信噪比，如：BOONSANG等[12]設(shè)計(jì)了低噪音前置放大器，用EMAT來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量；HIRAC等[13]設(shè)計(jì)了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，用于提高激發(fā)功率和線圈的接收效率；劉素貞等[14?15]設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電磁抗干擾電路和噪音抑制算法，用于抑制電磁噪音。3) 從場(chǎng)路耦合的角度建立電磁超聲檢測(cè)過(guò)程模型，用于對(duì)EMAT進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如JIAN等[16]結(jié)合激勵(lì)充放電電路，建立了表面波發(fā)射EMAT模型，分析了用于產(chǎn)生超聲的電磁耦合機(jī)制。關(guān)于EMAT，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其開路感生電壓。例如，王淑娟等[1, 17]通過(guò)有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法研究了接收線圈形式和參數(shù)對(duì)線圈開路感生電壓的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者很少考慮接收線圈的等效阻抗、阻抗匹配參數(shù)等因素對(duì)電磁超聲接收電路的影響，并很少在此基礎(chǔ)上對(duì)接收EMAT系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)路耦合分析和設(shè)計(jì)。接收EMAT的開路感生電壓與線圈的等效阻抗存在一定的關(guān)系。接收線圈的等效阻抗隨著導(dǎo)線直徑的減小而增大，開路感生電壓也隨之而增加，但增大的線圈等效阻抗必然影響電磁超聲接收電路的輸出特性，因此，有必要結(jié)合線圈等效阻抗對(duì)電磁超聲接收電路的影響，對(duì)接收EMAT系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析和設(shè)計(jì)。同時(shí)，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，由于提離距離(探頭與被測(cè)試樣之間的距離)、激勵(lì)頻率和被測(cè)試樣的電學(xué)參數(shù)的影響，接收線圈的等效阻抗會(huì)發(fā)生改變，給阻抗匹配元件參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整帶來(lái)困難，很難使阻抗完全匹配[18]，因此，有必要分析阻抗不匹配對(duì)EMAT系統(tǒng)接收效率的影響。為此，本文作者以非鐵磁性金屬材料鋁作為對(duì)象，建立基于螺旋線圈EMAT換能過(guò)程和電磁超聲接收等效電路的場(chǎng)路耦合有限元模型，分析阻抗匹配參數(shù)、線圈導(dǎo)線直徑、前置放大器輸入阻抗和銅背底至線圈距離對(duì)EMAT系統(tǒng)接收效率的影響規(guī)律，并采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 接收EMAT場(chǎng)路耦合建模

1.1 場(chǎng)路耦合建模流程

接收EMAT場(chǎng)路耦合有限元建模流程如圖1所示，包括接收EMAT換能過(guò)程有限元模型和電磁超聲接收等效電路模型。首先，采用COMSOL軟件建立接收EMAT換能過(guò)程有限元模型，計(jì)算不同EMAT幾何參數(shù)時(shí)接收線圈的開路感生電壓和等效阻抗，然后，將上述2個(gè)參數(shù)聯(lián)合阻抗匹配元件參數(shù)和前置放大器輸入阻抗等參數(shù)作為電磁超聲接收等效電路模型的輸入量，最后經(jīng)計(jì)算得出等效電路的輸出電壓即前置放大器輸入端的取樣電壓。

圖1 接收EMAT場(chǎng)路耦合建模流程

1.2 接收EMAT換能過(guò)程有限元建模

1.2.1 接收EMAT換能機(jī)理及其控制方程

常見的接收EMAT主要由永磁鐵或者電磁鐵、線圈和待測(cè)試樣組成。對(duì)于非鐵磁性金屬材料，EMAT的工作機(jī)理為洛侖茲力。螺旋線圈EMAT的接收過(guò)程示意圖如圖2所示。當(dāng)激勵(lì)EMAT在試件表面產(chǎn)生橫波并沿厚度方向傳播至底面時(shí)，由于聲阻抗突變而發(fā)生超聲波反射，沿著相反的方向傳播；當(dāng)?shù)竭_(dá)試件表面時(shí)，會(huì)引起試樣表面粒子的振動(dòng)，在永磁鐵提供的軸向靜偏磁場(chǎng)相互作用下，在試件的表面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電流密度s。動(dòng)態(tài)電流密度會(huì)在試件上方產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，從而在接收線圈中感生出電動(dòng)勢(shì)V，作為超聲信號(hào)被接收。

圖2 螺旋線圈電磁超聲換能機(jī)理示意圖

永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)為1個(gè)有源無(wú)旋度的量，為此可以用1個(gè)標(biāo)量函數(shù)的梯度表示：

式中：m為標(biāo)量磁位。麥克斯韋方程和永磁體的本構(gòu)關(guān)系可表示為[19]

式中：為磁媒介的相對(duì)磁導(dǎo)率；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；r為磁體內(nèi)的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。聯(lián)立式(1)，(2)和(3)可得

對(duì)于被均勻磁化的永磁體，體磁荷密度為0，面磁荷密度可以利用m表示，永磁體表面與其他媒介的分界面的邊界條件為[20]

式中：s為試樣表面切割磁感線形成的動(dòng)態(tài)電流密度；為被測(cè)試樣的電導(dǎo)率；為被測(cè)試樣中內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)的速度。

被測(cè)試樣和接收線圈區(qū)域應(yīng)該滿足的控制方程為[21]

式中：為試樣表面等效面積；k為試樣表面截面區(qū)域。在對(duì)于接收線圈s=0、永磁鐵或銅背底、空氣等無(wú)源電流輸入?yún)^(qū)域中，滿足的控制方程為

線圈中的導(dǎo)體內(nèi)感生電場(chǎng)強(qiáng)度為

通過(guò)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)感生電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行線積分，可以求解線圈中某一點(diǎn)的導(dǎo)體上的電壓：

式中：為接收線圈的長(zhǎng)度。則EMAT接收線圈上輸出的電壓可通過(guò)對(duì)上述求導(dǎo)得到的點(diǎn)導(dǎo)體上的電壓求解平均值得到，有

式中：為接收線圈的截面區(qū)域。

1.2.2 接收EMAT換能過(guò)程有限元建模

以接收線圈的開路感生電壓和等效阻抗為研究對(duì)象，并以此作為電磁超聲接收等效電路的輸入量，考慮線圈導(dǎo)線直徑和銅背底至線圈距離作為影響因素，二維軸對(duì)稱EMAT結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖3所示。

接收EMAT主要參數(shù)取值如表1所示。針對(duì)脈沖回波式EMAT，為了提高接收超聲信號(hào)的信噪比，銅背底可以用于隔離磁鐵中產(chǎn)生的超聲信號(hào)，避免干擾有用接收的超聲信號(hào)。

圖3 接收EMAT幾何參數(shù)示意圖

表1 接收EMAT探頭的主要參數(shù)

根據(jù)式(6)，將靜偏磁場(chǎng)求解所得靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度和被測(cè)試樣磁導(dǎo)率以及質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度的乘積作為試樣表面的源電流密度。如圖3所示，在試樣表面區(qū)域給定1個(gè)隨時(shí)間變化的源電流密度信號(hào)，用來(lái)模擬超聲橫波傳播到集膚層時(shí)引起試樣內(nèi)部振動(dòng)，在外加偏置磁場(chǎng)作用下形成動(dòng)態(tài)電流，可以采用下式表示：

在EMAT接收過(guò)程有限元模型中，在鋁試樣、永磁鐵、線圈和空氣域采用最大尺寸為0.3 mm的網(wǎng)格單元。對(duì)于試樣或者銅背底、線圈導(dǎo)線和磁鐵相應(yīng)的集膚層必須進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在3倍集膚深度內(nèi)采用9個(gè)網(wǎng)格單元。為了保證計(jì)算穩(wěn)定性，相鄰單元尺寸增長(zhǎng)率設(shè)為1.2。當(dāng)默認(rèn)相對(duì)容差和絕對(duì)容差分別為0.010和0.001時(shí)，最大計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)1×10?8s，有限元計(jì)算結(jié)果收斂。永磁鐵、銅線圈、銅背底和鋁試樣的電學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型中材料電學(xué)參數(shù)

1.3 電磁超聲接收等效電路模型

考慮傳輸導(dǎo)線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(包括電容或電感)的等效電阻L，電磁超聲接收等效電路如圖4所示。接收線圈被等效成具有內(nèi)阻抗E的電壓源，i為接收線圈的開路感生電壓。由于接收線圈的等效電抗相對(duì)其等效電阻不可忽略，因此，很難保證接收線圈能夠?qū)h(huán)境中感生獲取的電場(chǎng)能量完全轉(zhuǎn)移到前置放大器輸入端，需要在接收線圈與前置放大器之間構(gòu)造1個(gè)L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以使前置放大器輸入端獲取接收最大功率。針對(duì)能量傳輸最大化傳輸?shù)囊螅ǔ２捎霉曹椘ヅ溥@種阻抗匹配方式。

圖4 電磁超聲接收等效電路

其中，j為復(fù)數(shù)單位。在通常情況下，前置放大器的輸入阻抗虛部可以忽略不計(jì)，即p≈0，則接收等效電路的輸出增益為

式中：a和b為阻抗匹配元件的阻抗；E和E為線圈等效阻抗的實(shí)部和虛部；p為前置放大器輸入阻抗的實(shí)部；L為傳輸導(dǎo)線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(包括電容或電感)的等效電阻。

其共軛阻抗匹配條件為

根據(jù)共軛匹配條件，阻抗匹配元件參數(shù)為

此處，定義為

當(dāng)在接收線圈和前置放大器之間加入的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為完美阻抗匹配時(shí)，在前置放大器輸入端能夠獲取最大的功率輸入，接收等效電路的輸出增益幅值為

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了評(píng)價(jià)EMAT系統(tǒng)的接收效率，所搭建的EMAT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖5所示。由RPR4000電磁超聲主機(jī)為激勵(lì)EMAT探頭提供大功率促發(fā)音驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)低阻抗激勵(lì)線圈與高阻抗功放輸出端之間的阻抗匹配，保證脈沖功放的輸出功率盡可能轉(zhuǎn)移到激勵(lì)線圈上。接收端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)低阻抗接收線圈與前置放大器的高阻抗輸入端之間的匹配。接收線圈接收到的微弱超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器和窄帶濾波器進(jìn)行信號(hào)放大和降噪，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡中轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并送入安裝有LabVIEW的計(jì)算上進(jìn)行信號(hào)分析和處理。

3）落實(shí)地方責(zé)任。鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府是組織開展農(nóng)村危房改造工作的責(zé)任主體，負(fù)責(zé)本行政區(qū)域內(nèi)危房改造工作的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、督促指導(dǎo)和負(fù)責(zé)具體實(shí)施。

以非鐵磁性鋁板(長(zhǎng)×寬×高為400 mm×400 mm×100 mm)作為檢測(cè)對(duì)象，采用一發(fā)一收模式，接收EMAT探頭和激勵(lì)EMAT探頭分別放置在鋁板的兩端，并按照中心線對(duì)齊。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激勵(lì)EMAT探頭的幾何參數(shù)(線圈外徑為20 mm，線圈導(dǎo)線直徑為0.25 mm)、激勵(lì)端阻抗匹配參數(shù)(匹配電感和電容分別為0.7 μH和11.5 nF)、功率參數(shù)(均方根峰值功率為5 kW，激勵(lì)頻率為1 MHz)和提離距離(0.1 mm)均保持不變。其中，傳輸導(dǎo)線和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的等效電阻L為0.5 Ω。根據(jù)接收線圈的計(jì)算等效阻抗，利用式(17)和式(18)，并?。?，計(jì)算最佳阻抗匹配參數(shù)，然后繞制相應(yīng)的電感和選擇相應(yīng)的匹配電容，并保證偏差在10%以內(nèi)。

圖5 EMAT接收效率分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析前置放大器輸入阻抗對(duì)實(shí)驗(yàn)接收超聲信號(hào)的影響，采用南京鴻賓微弱信號(hào)檢測(cè)中心生產(chǎn)的低噪音、高頻電壓性前置放大器HB-842，在0.5~2.0 MHz頻率范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)增益1 000倍的信號(hào)放大功能。信號(hào)輸入端對(duì)應(yīng)的輸入電阻可以分別設(shè)置為50 Ω和1 kΩ。

接收EMAT場(chǎng)路耦合有限元模型由接收EMAT換能過(guò)程有限元模型和電磁超聲接收等效電路模型組成，因此，需要采用實(shí)驗(yàn)方法分別對(duì)兩者的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 接收EMAT換能過(guò)程有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元方法求解接收線圈感生電壓的準(zhǔn)確性，采用阻抗分析儀測(cè)量導(dǎo)線直徑為0.35 mm的接收線圈在磁鐵和試樣存在時(shí)的等效阻抗，如表3所示(其中，i為復(fù)數(shù)單位)。從表3可知：線圈等效阻抗的仿真值與測(cè)量值之間相對(duì)誤差的絕對(duì)值不超過(guò)10%。

表3 不同頻率下接收線圈等效阻抗ZE的仿真值與實(shí)測(cè)值

2.3 電磁超聲接收等效電路模型驗(yàn)證

當(dāng)保證接收EMAT的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的匹配電容，比較歸一化的電磁超聲接收等效電路的輸出增益與EMAT實(shí)驗(yàn)接收橫波幅值的變化趨勢(shì)，可以驗(yàn)證等效電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)線圈導(dǎo)線直徑為0.25 mm，并將前置放大器輸入阻抗設(shè)為50 Ω，阻抗匹配電感調(diào)整為0.7 μH時(shí)，改變匹配電容，所得輸出增益和橫波幅值變化曲線如圖6所示。由圖6可見：輸出增益和橫波幅值隨匹配電容的變化趨勢(shì)較吻合。

圖6 接收等效電路輸出增益和實(shí)驗(yàn)接收橫波幅值隨匹配電容的變化趨勢(shì)

3 結(jié)果與討論

3.1 阻抗匹配參數(shù)對(duì)接收效率的影響

針對(duì)不同匹配電感b，調(diào)整匹配電容a，所得電磁超聲等效電路輸出增益如圖7所示。從圖7可見：當(dāng)匹配電感為最佳值0.8 μH且不采用匹配電容時(shí)，接收等效電路的輸出增益降為最佳匹配時(shí)的36%；當(dāng)匹配電感偏離其最佳匹配值時(shí)，需要重新匹配電容才能獲取最大輸出增益；當(dāng)實(shí)際匹配電感偏小或偏大時(shí)，相應(yīng)的匹配電容應(yīng)該調(diào)小或調(diào)大，才能獲得最佳輸出增益。因此，實(shí)現(xiàn)接收線圈與前置放大器輸入端之間的精確阻抗匹配，可以有效提高EMAT系統(tǒng)的接收 效率。

Lb/μH：1—0.2；2—0.4；3—0.8；4—1.2；5—1.6。

根據(jù)與50 Ω輸入阻抗的前置放大器進(jìn)行阻抗匹配的要求，采用式(17)和式(18)計(jì)算不同導(dǎo)線直徑線圈所需的阻抗匹配參數(shù)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，選定對(duì)應(yīng)導(dǎo)線直徑為0.25，0.35和0.5 mm的線圈最佳匹配電容分別為11.0，17.5和23.5 nF，由于對(duì)應(yīng)的匹配電感相差不大，故統(tǒng)一匹配電感為0.7 μH。按照一定的比例(0～200%)調(diào)節(jié)匹配電容，得到不同導(dǎo)線直徑線圈所接收到的橫波幅值如圖8所示。從圖8可見：精確的阻抗匹配參數(shù)有利于提高EMAT系統(tǒng)的接收效率。匹配電容過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致接收效率降低。例如，對(duì)于導(dǎo)線直徑為0.35 mm的接收線圈，無(wú)匹配電容時(shí)接收到的橫波幅值僅為最佳匹配時(shí)的41%。

dc/mm：1—0.25；2—0.35；3—0.50。

3.2 線圈導(dǎo)線直徑和放大器輸入阻抗對(duì)接收效率的影響

在精確阻抗匹配條件下，線圈導(dǎo)線直徑和前置放大器輸入阻抗對(duì)EMAT系統(tǒng)的接收效率的影響如表4所示。從表4可知：隨著接收線圈導(dǎo)線直徑增大，接收線圈的等效阻抗和開路感生電壓?jiǎn)握{(diào)減小。這是因?yàn)楫?dāng)線圈外徑一定時(shí)，線圈的匝數(shù)隨著導(dǎo)線直徑減小而增加，使得用于感應(yīng)空氣中動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度增加，從而有利于增大接收線圈的開路感生電壓，但線圈導(dǎo)線直徑減小將導(dǎo)致電磁超聲接收等效電路的輸出增益減小，因此，有必要綜合考慮接收線圈的開路感生電壓和接收等效電路的輸出增益這一矛盾，選取合適的導(dǎo)線直徑。隨著線圈導(dǎo)線直徑增大，等效電路的輸出電壓先增加后減小，拐點(diǎn)出現(xiàn)在直徑0.15 mm處。當(dāng)導(dǎo)線直徑大于0.15 mm時(shí)，接收等效電路的輸出電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其原因是：一方面，導(dǎo)線直徑增加導(dǎo)致磁鐵遠(yuǎn)離鋁試樣，從而使試樣表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度減??；另一方面，線圈等效阻抗隨導(dǎo)線直徑增大而減小，而傳輸導(dǎo)線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(包括電容、電感和導(dǎo)線)的等效電阻L一定，導(dǎo)致L消耗的功率增大，從而接收等效電路的輸出電壓減小。

表4 線圈導(dǎo)線直徑和前置放大器輸入阻抗對(duì)EMAT系統(tǒng)接收效率的影響

從表4可見：適當(dāng)增加前置放大器的輸入阻抗可以提高接收等效電路的輸出電壓；當(dāng)前置放大器輸入阻抗由50 Ω增加到1 kΩ時(shí)，等效電路的輸出電壓可以提高3.5倍左右。

表5所示為接近精確阻抗匹配的條件下，當(dāng)線圈導(dǎo)線直徑和前置放大器輸入阻抗不同時(shí)，EMAT實(shí)驗(yàn)接收的橫波幅值。從表5可知：當(dāng)線圈導(dǎo)線直徑從 0.50 mm到0.25 mm依次減小時(shí)，EMAT系統(tǒng)的接收效率逐步提高；當(dāng)前置放大器輸入阻抗由50 Ω提高到1 kΩ時(shí)，EMAT系統(tǒng)的接收橫波幅值可以提高1～2倍，與表4所示計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。其原因是：無(wú)法按照式(17)和式(18)的計(jì)算結(jié)果精確繞制匹配電感或選擇匹配電容，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)阻抗精確匹配；在接收線圈與磁鐵的相對(duì)位置存在一定偏差。

當(dāng)EMAT系統(tǒng)工作于低頻時(shí)，傳輸導(dǎo)線的阻抗?頻率特性對(duì)整個(gè)EMAT接收系統(tǒng)的影響較小，因此，可以適當(dāng)提高前置放大器的輸入阻抗以增大EMAT接收系統(tǒng)的接收效率。但當(dāng)EMAT系統(tǒng)工作于高頻時(shí)，由于傳輸導(dǎo)線的阻抗不匹配可能引入較大的反射功率，導(dǎo)致整個(gè)EMAT接收效率降低；當(dāng)前置放大器輸入阻抗(實(shí)部)過(guò)大時(shí)，將給阻抗匹配元件選擇或制造帶來(lái)困難，導(dǎo)致EMAT接收系統(tǒng)電流過(guò)小。因此，需要根據(jù)EMAT的工作頻率，適當(dāng)提高前置放大器輸入阻抗。

表5 導(dǎo)線直徑和前置放大器輸入阻抗對(duì)EMAT實(shí)驗(yàn)接收橫波幅值A(chǔ)s的影響

當(dāng)前置放大器輸入阻抗(實(shí)部)過(guò)大時(shí)，對(duì)由式(17)和式(18)(＞0)計(jì)算得到的匹配電容和匹配電感需要相應(yīng)增大，才能滿足阻抗匹配的要求，將可能導(dǎo)致傳輸導(dǎo)線和阻抗匹配元器件的線路內(nèi)阻增大，從而使該部分消耗的功率增大，同時(shí)，將給大電感或大電容的阻抗匹配元件的選擇或制造帶來(lái)困難，因此，需要根據(jù)EMAT的工作頻率適當(dāng)提高前置放大器輸入阻抗。與導(dǎo)線直徑為0.5 mm、前置放大器輸入阻抗為50 Ω相比，當(dāng)導(dǎo)線直徑為0.25 mm，前置放大器輸入阻抗為 1 kΩ 時(shí)，電磁超聲接收橫波幅值可提高3.6倍左右。

3.3 銅板至線圈距離對(duì)接收效率的影響

當(dāng)線圈導(dǎo)體直徑0.25 mm、前置放大器輸入阻抗為1 kΩ和精確阻抗匹配時(shí)，銅背底至線圈距離對(duì)與EMAT接收效率相關(guān)的參數(shù)影響如圖9所示。從圖9可知：線圈等效電阻隨著銅背底至線圈距離的增大而增大；當(dāng)銅背底至線圈距離增大到一定程度后，線圈的等效電阻便不再增大，但電磁超聲接收等效電路的輸出增益隨著線圈等效電阻的增大而減小。接收線圈的開路感生電壓和接收等效電路的輸出電壓隨著銅背底?線圈距離的增大，呈先增加后減小的趨勢(shì)。若不考慮偏置磁場(chǎng)，則開路感生電壓應(yīng)該隨著線圈等效電阻的增大而增大，但由于試樣表面的偏置磁場(chǎng)隨著銅背底至線圈距離的增大而減小，導(dǎo)致開路感生電壓在銅背底至線圈距離為0.5 mm或1.0 mm時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。接收等效電路輸出電壓在銅背底至線圈距離為0.5 mm時(shí)獲得最大值；當(dāng)銅背底至線圈距離為0.10 mm時(shí)，其降為最大值的78%；在銅背底至線圈距離為2.0 mm時(shí)，則降為82%。

在前置放大器輸入阻抗為1 kΩ和精確阻抗匹配條件下，銅背底至線圈距離對(duì)不同導(dǎo)線直徑接收線圈的橫波影響如圖10所示。從圖10可知：當(dāng)銅背底至線圈距離為0.5 mm和1.0 mm時(shí)，EMAT接收系統(tǒng)可以獲得最大的橫波幅值；而當(dāng)銅背底至線圈距離為 0.1 mm和3.0 mm，EMAT接收橫波幅值分別降為83%和77%。線圈導(dǎo)線直徑為0.25 mm和0.35 mm的接收橫波幅值隨著銅背底至線圈距離的變化趨勢(shì)基本一致；當(dāng)提離距離為0.1 mm時(shí)，0.5 mm的銅背底至線圈距離有利于提高EMAT接收系統(tǒng)的接收效率。銅背底至線圈距離過(guò)小或者過(guò)大均不利于提高EMAT的接收效率。

1—開路電壓Vi；2—阻抗實(shí)部RE；3—輸出增益G；4—輸出電壓Vout。

dc/mm：1—0.35；2—0.50。

4 結(jié)論

1) 采用場(chǎng)路耦合模型，綜合考查接收EMAT的開路感生電壓和電磁超聲接收等效電路的輸出增益這2個(gè)指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地指導(dǎo)EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2) 阻抗匹配參數(shù)是制約接收EMAT系統(tǒng)接收效率的重要因素，有必要準(zhǔn)確計(jì)算或測(cè)量接收線圈的等效阻抗，從而進(jìn)行精確阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，從而提高接收EMAT系統(tǒng)的接收效率。

3) 適當(dāng)增加前置放大器的輸入阻抗可以提高EMAT接收系統(tǒng)的換能效率。當(dāng)前置放大器輸入阻抗由50 Ω提高至1 kΩ時(shí)，可以將接收橫波幅值提高1.5倍以上。

4) 在提離距離為0.1 mm以及激勵(lì)頻率為1 MHz等條件下，當(dāng)線圈導(dǎo)線直徑為0.15 mm且銅背底至線圈距離為0.5 mm時(shí)，接收EMAT系統(tǒng)可以獲得最大接收效率。

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(編輯 陳燦華)

Circuit-field coupled analysis of receiving efficiency of spiral coil electromagnetic acoustic transducer in non-ferromagnetic metal material

SHI Wenze1, 2, WU Yunxin1, 2, 3, GONG Hai1, 2, 3, ZHANG Tao1, 2, TAN Liangchen1, 2, HAN Lei1, 3

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3. Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials andManufacturing Cooperative Innovation Center, Changsha 410083, China)

Considering that the receiving signals of an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) are extremely weak, a circuit-field coupled finite element model based on the receiving progress of a spiral coil EMAT and a reception equivalent circuit was established. The influence patterns of impedance matching parameters, coil conductor diameter, input resistance of pre-amplifier and backplate?to?coil distance were investigated with respect to the receiving efficiency. The results show that the amplitude of the receiving shear wave from experiments can be enhanced by at least 3 times when coil conductor diameter is 0.25 mm, input impedance of the pre-amplifier is 1 kΩ, and the backplate?to?coil distance is 0.5 mm. The circuit-field coupled analysis method, which takes the output gain of the reception circuit and the conversion efficiency of the receiving EMAT into consideration, can be used to guide the design of the receiving EMAT system more accurately.

electromagnetic acoustic transducer; spiral coil; circuit-field coupling; receiving efficiency; finite element method

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.009

TB552

A

1672?7207(2017)12?3200?09

2016?12?10；

2017?01?28

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF12B01); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405520); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB619505) (Project (2014BAF12B01) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the “Twelfth Five-year” Plan Period; Project (51405520) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012CB619505) supported by National Basic Research Program(973 Program) of China)

吳運(yùn)新，博士，教授，從事構(gòu)件應(yīng)力分析與測(cè)試、電磁超聲無(wú)損檢測(cè)研究；E-mail：wuyunxin@csu.edu.cn