电磁超声特征信号检测系统的设计

刘素贞，李丽滨，张闯，张严伟，杨庆新

(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 电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387)

电磁超声特征信号检测系统的设计

刘素贞1，李丽滨1，张闯1，张严伟1，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 电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387)

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)转换效率低、信号微弱、信噪比低的问题，设计开发了包括电磁超声换能器在内的，由低噪前置放大器、宽带接收器以及基于虚拟仪器的正交锁相放大等构成的电磁超声检测系统。对比了传统EMAT结构与新的EMAT结构磁通密度的不同，通过提高偏置磁场的强度提高EMAT的换能效率；分析了前置放大器、宽带接收器、电磁超声换能器的频率响应特性；研究了相敏检波器中低通滤波器的阶数、滤波器类型以及截止频率对电磁超声回波信号检测的影响，并对铝板进行了缺陷检测实验。实验结果表明：该系统能够实现电磁超声信号的实时采集、分析和存储，同时能够提高信号的信噪比和分辨率。

电磁超声换能器；信噪比；前置放大；宽带接收；正交锁相放大

0 引 言

电磁超声检测技术因具有无需耦合剂、检测效率高、环境适应性强等特点，被广泛应用于金属管材、板材等材料的缺陷检测以及测厚领域[1-3]；但与此同时，电磁超声检测技术因存在电磁超声换能器转换效率低、信号微弱以及信噪比低等问题，限制了该技术进一步推广。针对这些问题，国内外学者做了大量工作：文献[4]用选频放大和锁相放大的方法将湮没在噪声中的电磁超声信号提取出来，但当超声信号的频率改变时，需调整选频放大电路的调谐频率，而且采用模拟电路搭建的选频放大电路对负载和信号源的参数以及环境的变化十分敏感；文献[5]采用多级放大衰减和滤波的方法实现对电磁超声信号的降噪处理，但对信噪比较低的回波信号降噪效果不明显；文献[6-7]研究了电磁超声换能器线圈结构以及阻抗匹配的问题，使换能器获得了更大的功率，在一定程度上使回波信号增强；文献[8-10]研究了静态偏置磁场、提离距离等因素对电磁超声换能器灵敏度的影响；文献[11-14]对曲折线圈进行了优化，使得换能器的效率得到了提高，回波信号得到了增强；文献[15]对电磁超声换能器进行研究，实现了运用电磁超声换能器对皮米级位移的检测。

在上述研究的基础上，为了更有效地对电磁超声特征信号进行提取，对电磁超声特征信号的提取方法进行了研究并进行了系统设计。在硬件电路方面，设计了电磁超声换能器、低噪前置放大器、宽带接收器；在信号处理方面，采用示波器和计算机进行直接通讯的方法，将示波器采集的数据送入LabVIEW SignalExpress 数据处理平台，实现对电磁超声信号的实时采集、分析和存储。通过硬件和软件相结合的方法提高电磁超声检测系统的抗干扰能力、检测精度和检测效率。

1 电磁超声检测系统的设计

1.1 检测系统的总体结构

基于正交锁相放大的电磁超声检测系统如图1所示。利用函数发生器产生Tone-Burst信号，将Tone-Burst信号送入功率放大器，放大后的激励信号通过阻抗匹配网络，使得激励端的EMAT获得更大的功率，从而在铝板中激发出超声波。接收端的EMAT将超声波信号转换为电压信号，通过前置放大器、宽带接收器、低通滤波器之后经过A/D采样，通过USB将数据送入PC机的LabVIEW SignalExpress数据处理平台，调用Labview的Vi子程序，对接收到的信号进行正交锁相放大和滤波，最终经过矢量运算得到电磁超声波信号的幅值和相位，同时完成数据的存储。

图1 基于正交锁相放大的电磁超声检测系统Fig.1 EMAT system based on orthogonal lock-in amplifier

1.2 检测系统的硬件电路

1.2.1 电磁超声换能器

电磁超声换能器主要由磁铁和线圈构成，为了在试件中激励出表面波，换能器采用曲折线圈结构。接收线圈与激励线圈选用由PCB板制作的双层双分裂的线圈，顶层与底层通过过孔串联。在激励端，并排的两根导线中的电流方向一致，可以等效为一根独立的导线，但总的电流要比无分裂时要大，线圈结构如图2(a)、图2(b)所示。另外，采用双层的线圈结构，使得总的等效电流比单层时进一步增大，进而使得激励线圈的换能效率进一步提高。在接收端，由于双层双分裂接收线圈中的感应电压为串联，可以提高接收感应电压的幅值，增强接收线圈的灵敏度。

图2 电磁超声换能器结构图Fig.2 Structure chart of EMAT

静态偏置磁场对电磁超声换能器的影响很大，电磁超声换能器接收到信号的电压幅值与磁场强度的平方成正比，提高偏置磁场的磁场强度能够很大程度上提高换能器的效率进而提高电磁超声波信号的幅值。为了提高偏置磁场的磁场强度，采用如图2(d)所示的电磁超声换能器结构，通过一块衔铁将两块钕铁硼永磁体连接起来，将换能线圈放置在两块永磁体连接处的正下方，并通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对电磁超声换能器中永磁体的磁感应强度分布进行了三维有限元仿真。其中，单个永磁体的尺寸为40 mm×20 mm×10 mm；铝板的尺寸为60 mm×50 mm×5 mm；永磁体距铝板的距离为0.6 mm。

图3为铝板表面磁感应强度分布的有限元仿真结果，其中，图3(a)为传统结构的EMAT铝板中的磁感应强度分布，图3(b)为新结构的EMAT铝板中的磁感应强度分布。

通过图3(a)可以看出，铝板中的磁感应强度对称分布，在永磁体的边缘处磁感应强度最大，在永磁体的中间位置磁感应强度比较均匀，但是幅值较小。

图3 铝板中磁感应强度分布Fig.3 Magnetic field distribution of aluminium plate

通过图3(b)可以看出，铝板中的磁感应强度同样也是对称分布，两块永磁体连接处正下方的铝板表面的磁感应强度最大，随着离对称轴距离的增加，磁感应强度逐渐减小；在两块永磁体连接处正下方10 mm的范围内，磁感应强度B>0.65 T，且水平分量的磁场占主要成分。

1.2.2 低噪前置放大器

对于微弱信号检测系统，前置放大器是引入噪声的主要部件之一。根据弗里斯公式，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。因此，系统可检测的最小信号也主要取决于前置放大的噪声[16]。

本文设计的前置放大器框图如图4所示。由于传统的差动放大电路可以认为是共发射极电路，将传统的差动放大电路与共基极电路组合就能够实现渥尔曼化，组成渥尔曼差动放大电路。渥尔曼差动放大电路集成了共发射极放大电路与共基极放大电路的优点，能够增大输入阻抗，消除米勒效应，拓展高频范围的频率特性[17]。

图4 前置放大器框图Fig.4 Preamplifier block diagram

设有M个噪声性能相同的晶体管并联，每个晶体管的等效输入噪声电压和噪声电流分别为VN和IN，则并联后的等效输入噪声电压和噪声电流[18]分别为：

(1)

(2)

图6为宽带接收器在输入为5 mV时绘制的幅频特性曲线，通频带为：

fBW1=fH1-fL1=1.429 6 MHz。

(3)

式中：fL1为400 Hz；fH1为1.43 MHz。

输入信号的频率在240 Hz至3 MHz的范围内，前置放大器的增益能够保持在40 dB以上，在4 MHz时，也能达到约为38 dB的增益，能够满足电磁超声检测的需求。

图5 前置放大器Fig.5 Preamplifier circuit

图6 前置放大器的幅频特性曲线Fig.6 Amplitude-frequency curve of preamplifier

1.2.3 宽带接收器

将放大电路、滤波电路以及电阻衰减网络相结合构建宽带接收器，其增益可调。其中电阻衰减网络的作用有两个：第一，配合放大电路选择合适的放大增益，合理的增益分配能够一定程度上提高信号的信噪比；第二，将接收信号进行一定程度的衰减，能够起到一定的降噪效果。在第一级放大之后加入一个2阶LC高通滤波器，在第三级放大之前加入一个5阶LC低通滤波器。其中电阻衰减网络选用对称π型结构，输入输出阻抗均设置为50 Ω，与放大电路相匹配，提高信号的传输质量。图7为宽带接收器的框图。

图7 宽带接收器Fig.7 Broadband receiver

图8为所设计的宽带接收器在输入信号为5 mV时的幅频特性曲线，通频带为：

fBW2=fH2-fL2=15.464 MHz。

(4)

式中：fL2为36 kHz；fH2为15.5 MHz。

图8 宽带接收器的幅频特性曲线Fig.8 Amplitude-frequency curve of preamplifier of Broadband receiver

在100 kHz至10 MHz的范围内，宽带接收器增益比较稳定，能够实现宽频带范围内信号的接收放大。

2 检测系统的信号处理

为提高电磁超声信号的信噪比和分辨率，运用锁相放大的方法对回波信号进行处理，锁相放大能够得到与输入有用信号成正比的直流信号，而噪声频率成分则被低通滤波器滤掉，其作用相当于一个Q值无限大的带通滤波器，对于检测湮没在噪声中的已知频率信号具有良好的检测效果。同时为避免基本锁相放大器需要对参考信号进行相位调整的麻烦，采用正交锁相放大器，可对幅值和相位变化的信号进行连续检测。

正交锁相放大器的关键部分是相敏检波器，采用数字相敏检波器代替传统的模拟检波器，可以避免诸多问题，如正交相位误差、增益不平衡、LO-RF泄露以及模拟检波后的直流信号容易受失调电压、低频噪声等因素的影响等。同时，为了提高正交锁相放大器在处理干扰方面的能力，在相敏检波器之前加一个低通滤波器进行预滤波来限制通频带，由于一般情况下电磁超声信号不超过5 MHz，所以选用截止频率为5 MHz的5阶LC低通滤波器。

经过相敏检波器之后的信号幅值和相位分别为：

(5)

(6)

式中，VI与VQ分别为混频后的信号通过低通滤波器之后得到的同相输出信号与正交输出信号。

3 电磁超声检测实验及结果分析

在实验过程中，采用一发一收的方式用表面波对含有缺陷的铝板进行检测，被检测铝板的尺寸为500 mm×200 mm×5 mm，在铝板中间有一通孔，在通孔的一侧有一15 mm×1 mm×5 mm的人工裂纹，图9为电磁超声检测实验连接图。

实验中选用4匝双分裂的曲折线圈，铝板中表面波的波速v约为2 910 m/s，所设计的线圈线间距为λ=0.727 5 mm，λ为表面波波长，则最佳激励频率的理论值为2 MHz，用3个周期的正弦Tone-Burst信号进行激励。

图10为采集到的原始波形，波包a为主冲击干扰；波包b出现在主冲击之后大约46 μs的时刻，为电磁超声直达波；波包c出现在主冲击之后大约74 μs的时刻，为缺陷回波；波包d出现在主冲击干扰之后大约92 μs的时刻，为端面回波。

图9 电磁超声检测实验连接图Fig.9 Connection diagram of EMAT system

图10 电磁超声原始信号Fig.10 Original signal of electromagnetic acoustic

为了验证所设计换能线圈的频率响应特性，对换能线圈进行了扫频测量，频率范围为1.4 MHz至2.6 MHz，步长为0.1 MHz，将直达波的峰峰值作为测量的有效幅值。通过图11可以看出，激励频率为2 MHz时，获得最大幅值，与理论值吻合。

图11 换能线圈的频率响应曲线Fig.11 Amplitude-frequency curve of EMAT

在进行正交锁相放大处理时，需要将经过正交相敏检波之后的电磁超声信号送入低通滤波器将直流信号以外的无用信号滤除掉，滤波器的类型、截止频率以及阶数会对实验造成不同程度的影响。如果滤波器的阶数太高，会增加运算量，引起严重的相位延迟。如果滤波器的阶数太低，虽然运算量小、相位延迟小，但是滤波效果不理想。截止频率太低会造成有用信号的失真，相反，截止频率太高会导致噪声信号滤除不干净。

因此，经过反复调试，试验中最终选用具有最大平坦的群延迟(线性相位响应)的贝塞尔型线性低通滤波器，阶数为6，截止频率为70 kHz。图12为经过正交锁相放大之后的波形，可以看出，正交锁相放大可以将噪声中有用的电磁超声信号特征提取出来，从而获取比较平滑、信噪比高的波形。

图12 正交锁相放大后波形Fig.12 Output waveform of orthogonal lock-in amplifier

表1为缺陷以及端面位置的定位结果，每个波包相对于主冲击所传播距离为△S=△t×v，其中，v为表面波的波速；△t为相应的波包与主冲击之间时间差。表1中的△S1和△S2分别表示不同波包所对应传播距离的实验分析结果和精确测量结果。实验分析的结果和实际的结果比较一致(相对误差在3%以内)，本实验测量系统能够成功地实现对缺陷的定位。

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

4 结 论

对电磁超声特征信号的提取进行了系统设计。其中，为提高电磁超声换能器的转换效率，对永磁体和线圈的结构进行了改进，同时设计了具有低噪、高共模抑制比性能的前置放大器以及具有增益可调的宽带接收器，与上位机软件相结合构成了电磁超声特征信号检测系统。

该系统采取硬件和软件相结合的方法，具有较强的抗干扰能力和较好的检测精度，能够提高电磁超声回波信号的信噪比和分辨率，实现了对电磁超声信号的实时在线处理，极大地提高了检测效率。

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(编辑：张 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

国家自然科学基金(51307043)；河北省自然科学基金(E2016202260)；天津市自然科学基金(16JCYBJC19000)

刘素贞(1969—)，女，教授，博士生导师，研究方向为工程电磁场与磁技术；李丽滨(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为电磁无损检测技术；张 闯(1982—)，男，博士，副教授，研究方向为电磁无损检测技术；张严伟(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为电磁无损检测技术；杨庆新(1961—)，男，教授，博士生导师，研究方向为工程电磁场与磁技术。

刘素贞