裂紋檢測系統中EMAT發射接收電路的設計與應用

劉 春

(江蘇安全技術職業學院，江蘇 徐州 221011)

1 EMAT概述

EMAT作為電磁聲傳感器主要由高頻線圈、外加磁場、試件本身三部分組成。將通有高頻電流的線圈放置在處于交變磁場中的金屬試件表面，試件的趨膚層內將產生一圈圈自相閉合的電流，即渦流，此渦流在交變磁場的作用下，會受到洛倫茲力的作用，產生高頻振動，從而在試件內部激發出超聲波[1]。同樣的道理，當試件表面存在振蕩，在外加磁場力的作用下，會在高頻線圈中感應出電壓，拾取此電壓信號，進行處理后可以得知試件表面狀況[2]。由此可見，EMAT發射電路的作用就是產生一個大幅度脈沖串去激勵發射線圈，EMAT接收電路的作用就是對高頻線圈中感應出的電壓進行濾波、放大、檢波、整形，成為與后續數據采集部分相匹配的電平，并經數據采集卡送入計算機[3]。

2 EMAT發射接收電路

電磁聲探傷系統的電路原理框圖如圖1所示。其中發射系統由信號發生器產生連續的振蕩信號,經過調制形成了一個占空比約為0.3%的電流脈沖串,通過功率放大器使之達到所需要的輸出功率,再經匹配網絡耦合至發射探頭,從而按電磁聲轉換機理在試件表層產生超聲波。接收探頭將衰減后的超聲表面波拾取出來,經接收電路放大后可送至顯示裝置(如計算機)加以顯示。

2.1 發射電路

EMAT與常規的超聲波探傷儀的壓電晶體換能器有著極為不同的電氣特性：壓電晶體換能器在電路中呈電容性，而由線圈繞制成的EMAT則呈電感性；壓電換能器呈高阻抗，EMAT則呈現低阻抗。因此，為了獲得最佳的轉換效率和瞬態響應，對于兩種傳感器的發射電路也有著不同的輸出要求，壓電探頭需要高的脈沖電壓，而EMAT則需要大的驅動電流。

圖1 電磁聲探傷系統電路原理框圖

EMAT發射電路的任務就是在控制脈沖的觸發下產生大幅度脈沖串去激勵發射線圈，在導體表面產生電渦流，從而發射超聲表面波。電磁聲傳感器及其發射電路是電磁超聲檢測中的關鍵組成部分，它決定了一個系統所能達到的最終指標(例如測量范圍)[4]。電磁聲傳感器的性能參數確定后，發射電路設計的好壞將直接影響超聲波的發射效率。發射電路原理框圖如圖2所示。

圖2 發射電路原理框圖

圖2中，低頻振蕩器和高頻振蕩器分別用于產生一定占空比的低頻脈沖和50%占空比的高頻脈沖，相位控制電路用于鎖定兩個脈沖信號的相位差，其輸出信號由邏輯控制電路進行轉換，輸出兩個脈沖串，再經由功率放大電路，成為如圖2所示的a、b兩列波。a、b的大小、頻率及占空比(0.3%)都是相等的，只有相位互差180°，這能夠保證發射線圈中的電流是一個交變電流。最終兩列脈沖串在電磁聲傳感器的發射線圈內產生一定頻率、一定占空比的方向交替變化的大電流。

完成發射電路的調試后，利用本課題設計制作的采集卡將其產生的脈沖串采樣后送入LabVIEW虛擬示波器中顯示，圖3(a)即為發射電路激勵出的脈沖串(1 MHz)波形圖，圖3(b)為脈沖串的展寬波形圖。

圖3 發射電路激勵脈沖串和展寬波形

由圖3可以看出，此發射電路工作穩定，可以滿足EMAT發射線圈的工作要求，圖4為調試后發射電路的PCB板。

2.2 接收電路

衰減后的表面波由接收線圈轉換成電信號，但此電信號十分微弱，需要接收電路對其進行濾波、放大、檢波、整形，成為與后續數據采集部分相匹配的電平，經數據采集卡送入計算機。鋼軌探傷現場工作條件惡劣,噪聲源多,因此對電磁聲接收電路的設計要求較為嚴格[5]。

本課題采用的EMAT發射頻率范圍為500 kHz～1 MHz，所以接收電路所用器件頻率寬度要求較高、噪聲較低。高頻晶體管的頻帶較寬(如2N9013頻帶寬度為150 MHz)，晶體管的最佳源電阻一般在幾百歐的范圍，與EMAT低阻值的要求比較吻合，多數高頻管的噪聲指數NF<8 dB，因而綜合考慮源電阻、頻帶寬度和功率增益等幾個方面對噪聲指數的影響，決定選擇2N9013先將信號放大30倍，再選用160 MHz高頻運放AD8041放大100倍，總放大倍數為3 000倍。另外，由于AD8041采用±5 V供電，其輸出波形最大峰值為10 V，而A/D轉換器AD9057輸入信號峰值最大僅為1 V，為了解決這個問題，必須進行幅值衰減，將電容C2后的信號衰減5倍后，再從電容C1右端進入高速A/D轉換器AD9057。因此，實際放大倍數為600倍。

此外，為了防止有過高的電壓從接收線圈進入放大電路，在線圈后采用電容隔直通交后用兩個正反向二極管接地，使得輸出的信號幅值控制在0.5 V以內。圖5為所制作的接收電路PCB板。

圖4發射電路PCB板圖5接收電路PCB板

2.3 實驗驗證

圖6為在實驗室里一塊150 cm×120 cm×0.5 cm的鋼板上，利用設計制作的發射電路激發表面波，通過接收電路和數據采集卡所采到的頻散的板波波形。

圖6 采集到的表面波信號

3 結論

綜上所述，所研制的發射電路可以成功地產生用于激發電磁超聲的脈沖串，接收電路可以接收到實驗室鋼板上的裂紋所致的衰減的回波。由此可見，設計開發的EMAT發射接收裝置能夠有效地幫助整個檢測系統檢測出鋼板表面裂紋。

參考文獻：

[1] 戴立新.電磁超聲系統強噪聲干擾抑制算法研究[D].成都：西南交通大學,2010:2-3.

[2] 蔡強富.基于小波包變換的電磁超聲接收信號特征提取[J].儀表技術與傳感器，2013(2):15-16.

[3] 陳鵬.基于LABVIEW的電磁超聲數據采集與處理系統設計[J].計算機測量與控制，2013(3):25-26.

[4] 喻慧.基于89C51的智能融雪除冰裝置的設計與仿真[J].工業控制計算機，2013(1):25-26.

[5] 孫軍華.鋼軌高速探傷系統超聲發射/接收裝置的設計[J].工具技術，2002(12):22-23.