電磁超聲特征信號檢測系統的設計

劉素貞，李麗濱，張闖，張嚴偉，楊慶新

(1.河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130；2.天津工業大學 電工電能新技術天津市重點實驗室，天津 300387)

電磁超聲特征信號檢測系統的設計

劉素貞1，李麗濱1，張闖1，張嚴偉1，楊慶新2

(1.河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130；2.天津工業大學 電工電能新技術天津市重點實驗室，天津 300387)

針對電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)轉換效率低、信號微弱、信噪比低的問題，設計開發了包括電磁超聲換能器在內的，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成的電磁超聲檢測系統。對比了傳統EMAT結構與新的EMAT結構磁通密度的不同，通過提高偏置磁場的強度提高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特性；研究了相敏檢波器中低通濾波器的階數、濾波器類型以及截止頻率對電磁超聲回波信號檢測的影響，并對鋁板進行了缺陷檢測實驗。實驗結果表明：該系統能夠實現電磁超聲信號的實時采集、分析和存儲，同時能夠提高信號的信噪比和分辨率。

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

電磁超聲檢測技術因具有無需耦合劑、檢測效率高、環境適應性強等特點，被廣泛應用于金屬管材、板材等材料的缺陷檢測以及測厚領域[1-3]；但與此同時，電磁超聲檢測技術因存在電磁超聲換能器轉換效率低、信號微弱以及信噪比低等問題，限制了該技術進一步推廣。針對這些問題，國內外學者做了大量工作：文獻[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提取出來，但當超聲信號的頻率改變時，需調整選頻放大電路的調諧頻率，而且采用模擬電路搭建的選頻放大電路對負載和信號源的參數以及環境的變化十分敏感；文獻[5]采用多級放大衰減和濾波的方法實現對電磁超聲信號的降噪處理，但對信噪比較低的回波信號降噪效果不明顯；文獻[6-7]研究了電磁超聲換能器線圈結構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增強；文獻[8-10]研究了靜態偏置磁場、提離距離等因素對電磁超聲換能器靈敏度的影響；文獻[11-14]對曲折線圈進行了優化，使得換能器的效率得到了提高，回波信號得到了增強；文獻[15]對電磁超聲換能器進行研究，實現了運用電磁超聲換能器對皮米級位移的檢測。

在上述研究的基礎上，為了更有效地對電磁超聲特征信號進行提取，對電磁超聲特征信號的提取方法進行了研究并進行了系統設計。在硬件電路方面，設計了電磁超聲換能器、低噪前置放大器、寬帶接收器；在信號處理方面，采用示波器和計算機進行直接通訊的方法，將示波器采集的數據送入LabVIEW SignalExpress 數據處理平臺，實現對電磁超聲信號的實時采集、分析和存儲。通過硬件和軟件相結合的方法提高電磁超聲檢測系統的抗干擾能力、檢測精度和檢測效率。

1 電磁超聲檢測系統的設計

1.1 檢測系統的總體結構

基于正交鎖相放大的電磁超聲檢測系統如圖1所示。利用函數發生器產生Tone-Burst信號，將Tone-Burst信號送入功率放大器，放大后的激勵信號通過阻抗匹配網絡，使得激勵端的EMAT獲得更大的功率，從而在鋁板中激發出超聲波。接收端的EMAT將超聲波信號轉換為電壓信號，通過前置放大器、寬帶接收器、低通濾波器之后經過A/D采樣，通過USB將數據送入PC機的LabVIEW SignalExpress數據處理平臺，調用Labview的Vi子程序，對接收到的信號進行正交鎖相放大和濾波，最終經過矢量運算得到電磁超聲波信號的幅值和相位，同時完成數據的存儲。

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

1.2 檢測系統的硬件電路

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成，為了在試件中激勵出表面波，換能器采用曲折線圈結構。接收線圈與激勵線圈選用由PCB板制作的雙層雙分裂的線圈，頂層與底層通過過孔串聯。在激勵端，并排的兩根導線中的電流方向一致，可以等效為一根獨立的導線，但總的電流要比無分裂時要大，線圈結構如圖2(a)、圖2(b)所示。另外，采用雙層的線圈結構，使得總的等效電流比單層時進一步增大，進而使得激勵線圈的換能效率進一步提高。在接收端，由于雙層雙分裂接收線圈中的感應電壓為串聯，可以提高接收感應電壓的幅值，增強接收線圈的靈敏度。

圖2 電磁超聲換能器結構圖Fig.2 Structure chart of EMAT

靜態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的電壓幅值與磁場強度的平方成正比，提高偏置磁場的磁場強度能夠很大程度上提高換能器的效率進而提高電磁超聲波信號的幅值。為了提高偏置磁場的磁場強度，采用如圖2(d)所示的電磁超聲換能器結構，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強度分布進行了三維有限元仿真。其中，單個永磁體的尺寸為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為鋁板表面磁感應強度分布的有限元仿真結果，其中，圖3(a)為傳統結構的EMAT鋁板中的磁感應強度分布，圖3(b)為新結構的EMAT鋁板中的磁感應強度分布。

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

圖3 鋁板中磁感應強度分布Fig.3 Magnetic field distribution of aluminium plate

通過圖3(b)可以看出，鋁板中的磁感應強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強度最大，隨著離對稱軸距離的增加，磁感應強度逐漸減小；在兩塊永磁體連接處正下方10 mm的范圍內，磁感應強度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

對于微弱信號檢測系統，前置放大器是引入噪聲的主要部件之一。根據弗里斯公式，整個檢測系統的噪聲系數主要取決于前置放大器的噪聲系數。因此，系統可檢測的最小信號也主要取決于前置放大的噪聲[16]。

本文設計的前置放大器框圖如圖4所示。由于傳統的差動放大電路可以認為是共發射極電路，將傳統的差動放大電路與共基極電路組合就能夠實現渥爾曼化，組成渥爾曼差動放大電路。渥爾曼差動放大電路集成了共發射極放大電路與共基極放大電路的優點，能夠增大輸入阻抗，消除米勒效應，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

設有M個噪聲性能相同的晶體管并聯，每個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。

輸入信號的頻率在240 Hz至3 MHz的范圍內，前置放大器的增益能夠保持在40 dB以上，在4 MHz時，也能達到約為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絡相結合構建寬帶接收器，其增益可調。其中電阻衰減網絡的作用有兩個：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的信噪比；第二，將接收信號進行一定程度的衰減，能夠起到一定的降噪效果。在第一級放大之后加入一個2階LC高通濾波器，在第三級放大之前加入一個5階LC低通濾波器。其中電阻衰減網絡選用對稱π型結構，輸入輸出阻抗均設置為50 Ω，與放大電路相匹配，提高信號的傳輸質量。圖7為寬帶接收器的框圖。

圖7 寬帶接收器Fig.7 Broadband receiver

圖8為所設計的寬帶接收器在輸入信號為5 mV時的幅頻特性曲線，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，寬帶接收器增益比較穩定，能夠實現寬頻帶范圍內信號的接收放大。

2 檢測系統的信號處理

為提高電磁超聲信號的信噪比和分辨率，運用鎖相放大的方法對回波信號進行處理，鎖相放大能夠得到與輸入有用信號成正比的直流信號，而噪聲頻率成分則被低通濾波器濾掉，其作用相當于一個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具有良好的檢測效果。同時為避免基本鎖相放大器需要對參考信號進行相位調整的麻煩，采用正交鎖相放大器，可對幅值和相位變化的信號進行連續檢測。

正交鎖相放大器的關鍵部分是相敏檢波器，采用數字相敏檢波器代替傳統的模擬檢波器，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容易受失調電壓、低頻噪聲等因素的影響等。同時，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低通濾波器進行預濾波來限制通頻帶，由于一般情況下電磁超聲信號不超過5 MHz，所以選用截止頻率為5 MHz的5階LC低通濾波器。

經過相敏檢波器之后的信號幅值和相位分別為：

(5)

(6)

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

3 電磁超聲檢測實驗及結果分析

在實驗過程中，采用一發一收的方式用表面波對含有缺陷的鋁板進行檢測，被檢測鋁板的尺寸為500 mm×200 mm×5 mm，在鋁板中間有一通孔，在通孔的一側有一15 mm×1 mm×5 mm的人工裂紋，圖9為電磁超聲檢測實驗連接圖。

實驗中選用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，所設計的線圈線間距為λ=0.727 5 mm，λ為表面波波長，則最佳激勵頻率的理論值為2 MHz，用3個周期的正弦Tone-Burst信號進行激勵。

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

圖9 電磁超聲檢測實驗連接圖Fig.9 Connection diagram of EMAT system

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

為了驗證所設計換能線圈的頻率響應特性，對換能線圈進行了掃頻測量，頻率范圍為1.4 MHz至2.6 MHz，步長為0.1 MHz，將直達波的峰峰值作為測量的有效幅值。通過圖11可以看出，激勵頻率為2 MHz時，獲得最大幅值，與理論值吻合。

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

在進行正交鎖相放大處理時，需要將經過正交相敏檢波之后的電磁超聲信號送入低通濾波器將直流信號以外的無用信號濾除掉，濾波器的類型、截止頻率以及階數會對實驗造成不同程度的影響。如果濾波器的階數太高，會增加運算量，引起嚴重的相位延遲。如果濾波器的階數太低，雖然運算量小、相位延遲小，但是濾波效果不理想。截止頻率太低會造成有用信號的失真，相反，截止頻率太高會導致噪聲信號濾除不干凈。

因此，經過反復調試，試驗中最終選用具有最大平坦的群延遲(線性相位響應)的貝塞爾型線性低通濾波器，階數為6，截止頻率為70 kHz。圖12為經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果，每個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為相應的波包與主沖擊之間時間差。表1中的△S1和△S2分別表示不同波包所對應傳播距離的實驗分析結果和精確測量結果。實驗分析的結果和實際的結果比較一致(相對誤差在3%以內)，本實驗測量系統能夠成功地實現對缺陷的定位。

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

4 結 論

對電磁超聲特征信號的提取進行了系統設計。其中，為提高電磁超聲換能器的轉換效率，對永磁體和線圈的結構進行了改進，同時設計了具有低噪、高共模抑制比性能的前置放大器以及具有增益可調的寬帶接收器，與上位機軟件相結合構成了電磁超聲特征信號檢測系統。

該系統采取硬件和軟件相結合的方法，具有較強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的信噪比和分辨率，實現了對電磁超聲信號的實時在線處理，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

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

劉素貞(1969—)，女，教授，博士生導師，研究方向為工程電磁場與磁技術；李麗濱(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為電磁無損檢測技術；張 闖(1982—)，男，博士，副教授，研究方向為電磁無損檢測技術；張嚴偉(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為電磁無損檢測技術；楊慶新(1961—)，男，教授，博士生導師，研究方向為工程電磁場與磁技術。

劉素貞