裂纹检测系统中EMAT发射接收电路的设计与应用

刘 春

(江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221011)

1 EMAT概述

EMAT作为电磁声传感器主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成。将通有高频电流的线圈放置在处于交变磁场中的金属试件表面，试件的趋肤层内将产生一圈圈自相闭合的电流，即涡流，此涡流在交变磁场的作用下，会受到洛伦兹力的作用，产生高频振动，从而在试件内部激发出超声波[1]。同样的道理，当试件表面存在振荡，在外加磁场力的作用下，会在高频线圈中感应出电压，拾取此电压信号，进行处理后可以得知试件表面状况[2]。由此可见，EMAT发射电路的作用就是产生一个大幅度脉冲串去激励发射线圈，EMAT接收电路的作用就是对高频线圈中感应出的电压进行滤波、放大、检波、整形，成为与后续数据采集部分相匹配的电平，并经数据采集卡送入计算机[3]。

2 EMAT发射接收电路

电磁声探伤系统的电路原理框图如图1所示。其中发射系统由信号发生器产生连续的振荡信号,经过调制形成了一个占空比约为0.3%的电流脉冲串,通过功率放大器使之达到所需要的输出功率,再经匹配网络耦合至发射探头,从而按电磁声转换机理在试件表层产生超声波。接收探头将衰减后的超声表面波拾取出来,经接收电路放大后可送至显示装置(如计算机)加以显示。

2.1 发射电路

EMAT与常规的超声波探伤仪的压电晶体换能器有着极为不同的电气特性：压电晶体换能器在电路中呈电容性，而由线圈绕制成的EMAT则呈电感性；压电换能器呈高阻抗，EMAT则呈现低阻抗。因此，为了获得最佳的转换效率和瞬态响应，对于两种传感器的发射电路也有着不同的输出要求，压电探头需要高的脉冲电压，而EMAT则需要大的驱动电流。

图1 电磁声探伤系统电路原理框图

EMAT发射电路的任务就是在控制脉冲的触发下产生大幅度脉冲串去激励发射线圈，在导体表面产生电涡流，从而发射超声表面波。电磁声传感器及其发射电路是电磁超声检测中的关键组成部分，它决定了一个系统所能达到的最终指标(例如测量范围)[4]。电磁声传感器的性能参数确定后，发射电路设计的好坏将直接影响超声波的发射效率。发射电路原理框图如图2所示。

图2 发射电路原理框图

图2中，低频振荡器和高频振荡器分别用于产生一定占空比的低频脉冲和50%占空比的高频脉冲，相位控制电路用于锁定两个脉冲信号的相位差，其输出信号由逻辑控制电路进行转换，输出两个脉冲串，再经由功率放大电路，成为如图2所示的a、b两列波。a、b的大小、频率及占空比(0.3%)都是相等的，只有相位互差180°，这能够保证发射线圈中的电流是一个交变电流。最终两列脉冲串在电磁声传感器的发射线圈内产生一定频率、一定占空比的方向交替变化的大电流。

完成发射电路的调试后，利用本课题设计制作的采集卡将其产生的脉冲串采样后送入LabVIEW虚拟示波器中显示，图3(a)即为发射电路激励出的脉冲串(1 MHz)波形图，图3(b)为脉冲串的展宽波形图。

图3 发射电路激励脉冲串和展宽波形

由图3可以看出，此发射电路工作稳定，可以满足EMAT发射线圈的工作要求，图4为调试后发射电路的PCB板。

2.2 接收电路

衰减后的表面波由接收线圈转换成电信号，但此电信号十分微弱，需要接收电路对其进行滤波、放大、检波、整形，成为与后续数据采集部分相匹配的电平，经数据采集卡送入计算机。钢轨探伤现场工作条件恶劣,噪声源多,因此对电磁声接收电路的设计要求较为严格[5]。

本课题采用的EMAT发射频率范围为500 kHz～1 MHz，所以接收电路所用器件频率宽度要求较高、噪声较低。高频晶体管的频带较宽(如2N9013频带宽度为150 MHz)，晶体管的最佳源电阻一般在几百欧的范围，与EMAT低阻值的要求比较吻合，多数高频管的噪声指数NF<8 dB，因而综合考虑源电阻、频带宽度和功率增益等几个方面对噪声指数的影响，决定选择2N9013先将信号放大30倍，再选用160 MHz高频运放AD8041放大100倍，总放大倍数为3 000倍。另外，由于AD8041采用±5 V供电，其输出波形最大峰值为10 V，而A/D转换器AD9057输入信号峰值最大仅为1 V，为了解决这个问题，必须进行幅值衰减，将电容C2后的信号衰减5倍后，再从电容C1右端进入高速A/D转换器AD9057。因此，实际放大倍数为600倍。

此外，为了防止有过高的电压从接收线圈进入放大电路，在线圈后采用电容隔直通交后用两个正反向二极管接地，使得输出的信号幅值控制在0.5 V以内。图5为所制作的接收电路PCB板。

图4发射电路PCB板图5接收电路PCB板

2.3 实验验证

图6为在实验室里一块150 cm×120 cm×0.5 cm的钢板上，利用设计制作的发射电路激发表面波，通过接收电路和数据采集卡所采到的频散的板波波形。

图6 采集到的表面波信号

3 结论

综上所述，所研制的发射电路可以成功地产生用于激发电磁超声的脉冲串，接收电路可以接收到实验室钢板上的裂纹所致的衰减的回波。由此可见，设计开发的EMAT发射接收装置能够有效地帮助整个检测系统检测出钢板表面裂纹。

参考文献：

[1] 戴立新.电磁超声系统强噪声干扰抑制算法研究[D].成都：西南交通大学,2010:2-3.

[2] 蔡强富.基于小波包变换的电磁超声接收信号特征提取[J].仪表技术与传感器，2013(2):15-16.

[3] 陈鹏.基于LABVIEW的电磁超声数据采集与处理系统设计[J].计算机测量与控制，2013(3):25-26.

[4] 喻慧.基于89C51的智能融雪除冰装置的设计与仿真[J].工业控制计算机，2013(1):25-26.

[5] 孙军华.钢轨高速探伤系统超声发射/接收装置的设计[J].工具技术，2002(12):22-23.