电磁超声检测系统中消除电磁干扰电路的设计

刘素贞　李丽滨　蔡智超　张　闯　杨庆新，2

（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室　天津　300130 2.天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室　天津　300387）

电磁超声检测系统中消除电磁干扰电路的设计

刘素贞1李丽滨1蔡智超1张闯1杨庆新1，2

（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津300130 2.天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387）

电磁超声技术作为一种非接触式探伤技术在恶劣工况条件下具有广泛的应用前景，然而其发射电路产生的以共模噪声为主的脉冲电磁干扰会影响检测电路的接收效果进而产生误检。针对该问题，设计了消除电磁干扰的硬件电路，构建了具有高速、高共模抑制比、高输入阻抗以及低噪等特点的复合仪表放大器。电路用高速低噪双通道ADA4817-2作为输入增益级放大器，后接高共模抑制性能的AD8429仪表运放，提高了电路对噪声的抑制能力。在工况下进行测试，结果表明该电路能够实现共模噪声的有效消除。

电磁超声检测电磁干扰共模噪声复合仪表放大器

0　引言

近年 来，电 磁 超 声 （ElectromagneticAcousticTransducer，EMAT）检测技术发展迅速，因为其具有非接触、不需耦合剂以及重复性好等特点，广泛应用于在线测厚、炼钢、板材、输油管道、焊缝及铁路轨道等无损检测领域［1-4］。但电磁超声检测系统的核心部件电磁超声换能器转换效率低，导致接收到的电磁超声回波信号幅值很小，一般为几十微伏到几百微伏；同时因为EMAT发射信号需要大功率电流激励，激励产生的电磁干扰易通过空气耦合进入电磁超声接收电路，导致EMAT系统存在严重的噪声，使得接收到的信号被淹没在噪声信号中，严重影响接收系统的可靠性。因此，为了消除电磁噪声干扰，得到高信噪比和高分辨率的接收信号，EMAT接收电路必须具备强电磁噪声背景下的微弱信号检测能力。

国内外学者尝试利用多种方法滤除电磁超声信号中的噪声，提取峰值信息，如平均值法、新时域法［5］、递归分析、自适应降噪、相敏检波、小波变换和包络滤波［6］、伪随机序列法［7］等。以上方法都是从软件算法的角度对电磁超声回波信号进行处理。目前，已有学者从不同方面对硬件系统进行改进以抑制电磁干扰。哈尔滨工业大学的王淑娟等［8］从改进硬件电路入手，对接收到的回波信号进行预处理，利用选频放大和锁相放大的方法使电磁超声装置的整体性能得到明显提高。沈阳工业大学的杨理践等［9］利用硬件电路对回波信号进行多级放大衰减和滤波以去除噪声，再用软件进行滤波和去噪，提高了信噪比和分辨率。A.Majid等［10］针对高频开关电源中开关器件的频繁动作所产生的电磁干扰，设计了专用线性电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器对其进行抑制。天津大学的任晓可［11］设计了与接收换能器相匹配的前置放大电路和后级放大电路，接收到了具有较高信噪比的超声波信号。

本文利用电磁超声检测技术对铝板进行检测，并针对电磁超声检测系统中回波信号易被噪声干扰的不足，利用硬件电路对电磁干扰进行抑制和消除。本文设计的硬件系统包括高速低噪复合仪表前置放大器、两级放大电路、滤波电路和移相电路等，最后对整个电路采用壳体屏蔽的方式用铝壳进行封装。

1　电磁干扰产生的原因

根据电磁场理论，时变电场会产生一个时变磁场，该时变磁场又会产生一个时变电场，这种转换使得电路产生射频电流的电磁干扰。

外界电磁场对接收电路产生的干扰以共模干扰为主，电磁干扰源主要由共模干扰将外界的电场或磁场转换为共模噪声电压而产生的。如果一根悬浮于空间的导线，与地面无接触，其周围有一水平的电场或一垂直的磁场，而此导线如同一个接收天线，当导线恰好受到水平电场的干扰时，导线产生的感应电压V为［12］

式中，E为电场强度，V/m；l为导线电场干扰长度，m；λ为对应电场信号的波长，m。

此共模噪声电压V将噪声电流传到导线中，导线中的电流以噪声电压的形式出现在放大器的输入端，成为接收电路的电磁干扰源。

2　电磁超声接收电路的设计

电磁超声检测系统包括发射部分和接收部分，其中接收部分包括接收线圈、限幅电路、放大、滤波、移相等模块，接收电路如图1所示。

图1　电磁超声接收系统框图Fig.1　Electromagnetic ultrasonic receiving system diagram

2.1抑制电磁共模噪声的限幅前置放大电路

为降低外界干扰，接收电路的接线均采用屏蔽性能良好的同轴电缆和BNC接头。另外，EMAT发射电路在工作时产生的电磁干扰有数伏，会对高增益高灵敏度的接收电路产生严重影响［8］。因此，本文采用一对反并联的快速恢复二极管作为接收电路输入端的限幅保护电路。

根据弗里斯（Friis）定理，第一级放大器的噪声系数和放大增益在很大程度上决定了系统的噪声系数。减小系统第一级放大电路的噪声系数同时提高其功率增益是降低接收系统噪声系数的关键。因此在设计电磁超声信号接收系统时，必须确保第一级电路的噪声系数要足够小，所以前置放大器的设计很重要。

由于电磁超声信号的频率很高，在某些场合下频率可达到5 MHz以上。仪表运算放大器具有很强的共模噪声抑制能力，但是受增益带宽积的限制，单芯片仪表运算放大器的带宽不能满足检测系统的要求，所以本文构建了高速、超低噪声复合仪表运算放大器作为前置放大。

电路采用宽带宽、超低噪声的双通道高速运算放大器AD4817-2作为输入增益级，具有很高的输入阻抗。采用仪表运放AD8429作为后一级的差动放大器，具有超低输入噪声，可以在-40～125℃宽温度范围内测量微小信号，且具有较高的共模抑制比，可防止干扰信号破坏数据采集。构造的复合仪表运放既保留了单芯片仪表运放的低噪声、高共模抑制比的性能，又满足了宽带宽的要求，其信号带宽可达10 MHz。

图2为前置放大电路的电气连接图。图2a中，C为交流耦合电容，R为给放大器提供直流通路的电阻。同时，电阻R与电容C构成一个高通滤波器，可以滤除部分低频噪声，减小噪声带宽，提高信噪比。复合仪表放大器的总增益G为

式中，Rf为前级反馈电阻；RG为前级增益调节电阻；G'为后级增益。本文中，令Rf=500 Ω，这种取值可以改善小信号的瞬态频率响应，同时，取RG=25 Ω，后级的增益G'设置为5，则复合仪表放大器的总增益为205。

图2　前置放大电路电气连接图Fig.2　Electrical connectivity diagrams of preamplifier circuit

2.2放大电路

放大电路包括一级放大电路与二级放大电路，二者的增益都可调，以适应不同幅值的信号，放大电路选用低噪、高速、高压摆率的电流反馈型运算放大器AD8007。图3为放大电路的基本原理图，其中Rs1为单位增益稳定电阻，电路增益为

式中，Rf1为反馈电阻；RG1为增益电阻。

图3　放大电路原理图Fig.3　Schematic diagram of amplifier

2.3滤波电路

滤波是抑制传导干扰的一种重要方法，采用滤波器可以限制接受系统的频带以抑制无用信号的干扰，而不影响有用信号，提高接收器的信噪比［13］。

LC滤波器在高频、宽频领域中的作用是有源滤波器难以实现的，而且LC滤波器具有更低的噪声。滤波器的类型很多，其中巴特沃斯型滤波器具有通带中幅度响应平滑的特点，切比雪夫型滤波器具有截止特性好的特点。

本文在第一级放大电路后面采用LC无源5阶巴特沃斯形式的宽带通滤波器，如图4所示，通带频率为100 k～10 MHz。

图4　5阶宽带通滤波器Fig.4　5th order wide band pass

在第二级放大电路之后采用LC无源2阶切比雪夫窄带通滤波器，只允许特定频率的信号通过，对放大后的回波信号频带进行控制，可以在很大程度上抑制噪声，进一步提高信噪比和分辨率。电路结构拓扑如图5所示，针对电磁超声常用的频率设计了不同参数的窄带通滤波器，根据实际需要选择相应的滤波器。

图5　2阶窄带通滤波器Fig.5　2nd order narrow band pass

2.4移相电路

由于电路中存在滤波电路以及寄生电容、电感，使电路存在相位延迟，所以对信号进行了等幅相位调整，使得输入信号和输出信号达到同一相位，如图6所示，该电路能够在0～180°之间移相。

式中，θ为移相量；fin为输入频率。

图6　移相电路Fig.6　Phase shift circuit

在确定电容C2后，通过调节电阻Rd的值便能对不同频率的信号进行等幅值相位调整。

3　仿真研究

通过NI公司的Multisim仿真软件进行仿真，输入频率为5 MHz、峰峰值为200 μV的正弦波，加入噪声比为2的共模噪声，图7为仿真结果。从图中可以看出，输出的波形较好，对共模噪声起到了很大的抑制作用，输出峰峰值约为1 V，增益约为5 000。

图7　仿真结果Fig.7　Simulation results

图8为所设计电路的幅频特性图，在100 kHz～10 MHz之间有很好的频率响应，而且可消除50 Hz工频电源噪声和部分高频噪声的影响。

图8　幅频特性Fig.8　Amplitude-frequency characteristic

4　实验结果分析

实验所用的激励线圈和接收线圈均采用由课题组设计的线径为0.1 mm、线间距为0.3 mm、匝数为26的螺旋形线圈，对150 mm×30 mm×10 mm的铝板进行测试，激励频率为5 MHz，电流峰峰值约为60 A，静态偏置磁场由两块20 mm×20 mm的圆柱形钕铁硼永磁体提供，强度为425 mT。

实验采用本文设计的接收电路对电磁超声回波信号进行接收放大，测试结果如图9所示。其中，幅值最大的波包是EMAT发射电路在工作时产生的主冲击干扰，较小的波包是电磁超声在试件两端面多次反射得到的回波。

图9　回波信号Fig.9　Echo signal

从图9中可以看出，噪声对回波信号的影响较小，本文所设计的接收电路不仅成功地接收到电磁超声回波信号，而且很大程度上抑制了电磁噪声，使回波信号具有较高的信噪比，能够满足强电磁噪声背景下对微弱电磁超声回波信号的检测。

5　结论

针对电磁超声检测系统的不足，设计了电磁干扰的硬件抑制方案，并进行了硬件电路的搭建与实验。电路是分模块设计的，各模块均可独立工作，最后完成电路的整体联调，实验结果良好，对电磁干扰进行了有效抑制和消除，获得了信噪比较高的电磁超声回波信号。另外，接收到的电磁超声信号可以经过软件滤波的方式进行处理（如小波包降噪和总体经验模态分解（EEMD）法等），从而进一步提高信号的信噪比和分辨率。

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The Design for Electromagnetic Interference Eliminating Circuits in Electromagnetic Ultrasonic Testing Systems

Liu Suzhen1Li Libin1Cai Zhichao1Zhang Chuang1Yang Qingxin1，2
（1.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability

Hebei University of TechnologyTianjin300130China 2.Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic UniversityTianjin300387China）

As a type of industrial non-contact detection method，electromagnetic acoustic transducer（EMAT）has a broad application prospect in harsh industrial conditions.However，the pulse electromagnetic interference（EMI），mainly the common-mode noise，produced by its emission circuit will affect the detection circuit and then generate false detection.Aiming at this problem，the hardware circuit is designed to eliminate the EMI.The composite instrumentation amplifier with the characteristics of high speed，high common mode rejection ratio，high input impedance，and low noise is designed.The high-speed circuit utilizes the low noise dual channel ADA4817-2 as the input gain amplifier and uses a high common mode rejection AD8429 instrument opamp in the following stage，which improves the noise suppression capability.Through analyzing the test results in the harsh industrial conditions，the common-mode noise is effectively eliminated by the proposed circuit.

Electromagnetic acoustic transducer，electromagnetic interference，common mode noise，composite instrumentation amplifier

TM133

国家自然科学基金（51307043）和河北省自然科学基金（E2016202260）资助项目。

2015-06-24改稿日期 2015-08-12

刘素贞女，1969年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为工程电磁场与磁技术等。

E-mail:szliu@hebut.edu.cn（通信作者）

李丽滨男，1991年生，硕士研究生，研究方向为电磁无损检测技术等。

E-mail:llb3_3_3@163.com