宋江峰，趙 揚(yáng)，馬 健，劉 帥

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東濟(jì)南 250014)

0 引言

激光-電磁超聲是一種混合式的激光超聲檢測(cè)技術(shù)，一方面利用激光同時(shí)激勵(lì)出縱波、橫波以及表面波，另一方面利用EMAT傳感器接收超聲波，既克服了傳統(tǒng)激光超聲受被檢測(cè)材料表面狀態(tài)限制的問(wèn)題，又突破了EMAT提離距離小于2 mm的限制。同時(shí)，與傳統(tǒng)的壓電探傷技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)試樣的探測(cè)不需要接觸，不需要耦合劑，省去對(duì)試樣涂抹油劑和對(duì)試樣表面氧化層處理的過(guò)程。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)⒓す獬曁絺夹g(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)用到一些極端環(huán)境下的探傷檢測(cè)。

換能器EMAT接收探頭是激光超聲探傷的核心部件。它主要由3部分組成：接收超聲波的線圈，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的永磁體和前置放大器(前放)。EMAT探頭作為整個(gè)激光超聲探傷設(shè)備的核心部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到試樣的探傷效果。前置放大器主要用來(lái)對(duì)EMAT探頭接收的缺陷信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和預(yù)處理，是EMAT探頭的重要組成部分。EMAT接收探頭由于存在換能效率低，隨著提離試樣表面高度的增加信號(hào)幅度成指數(shù)衰減等缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)較為嚴(yán)格的前置放大器。當(dāng)然，改變接收信號(hào)質(zhì)量還有其他途徑，比如增加EMAT探頭線圈匝數(shù)、增強(qiáng)靜態(tài)磁場(chǎng)等，但這些方法較為復(fù)雜，成本高，不方便，不靈活。

1 前置放大器的設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題

1．1阻抗匹配問(wèn)題

換能器EMAT內(nèi)部的接收線圈是將兩個(gè)回形線圈拼接到一起，組成一個(gè)蝶形線圈，線圈的內(nèi)阻約56 Ω，電感約156 μH。如圖1。這種線圈設(shè)計(jì)方法能有效抑制共模噪聲，提高信噪比，提高信號(hào)的接收效率和檢測(cè)靈敏度。為了使線圈接收的信號(hào)更可能多地輸入到前置放大器里，需要考慮線圈與前置放大器的阻抗匹配問(wèn)題。

圖1 EMAT探頭內(nèi)部接收線圈示意圖

1．2放大倍數(shù)選擇

EMAT探頭的接收線圈接收到的信號(hào)強(qiáng)度滿足公式：

U=kN/D2

式中：U為線圈輸出的信號(hào)幅度；k為系數(shù)；N為線圈匝數(shù)；D為線圈和試樣之間的距離。

EMAT本身?yè)Q能效率不高，加之接收的信號(hào)幅度隨距離的增大成指數(shù)衰減，要想得到能夠后期處理的信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行改善。根據(jù)實(shí)際情況，主要有2種方法：一是增加線圈的匝數(shù)及增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是這兩種方法受尺寸空間限制，設(shè)計(jì)上相對(duì)麻煩，不便采用；二是通過(guò)提高前置放大器的放大倍數(shù)。該方法簡(jiǎn)單可行，便于操作更改，靈活性好，提高空間大，但對(duì)放大器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

EMAT探頭內(nèi)部線圈輸出的信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在接收端EMAT緊貼鋼坯的缺陷位置(約為30 mm×2 mm×3 mm的裂紋)時(shí)，EMAT探頭內(nèi)部線圈輸出的信號(hào)幅度大約為幾μV，當(dāng)提離距離達(dá)到6 mm時(shí)，信號(hào)幅度大約為幾個(gè)μV。為了保證最終能得到接近伏級(jí)的缺陷信號(hào)，放大器必須有足夠的放大倍數(shù)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，放大器總的增益要達(dá)到120 dB．但是120 dB增益放大器的設(shè)計(jì)難度很大，而且極易造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以綜合考慮可以將放大任務(wù)分為2部分實(shí)現(xiàn)，第一部分為前置放大器，增益大約為85 dB．第二部分則采用壓控放大的設(shè)計(jì)方法，增益約為34 dB．

1．3帶寬選擇

EMAT探頭接收的信號(hào)頻率與激光脈沖的能量和長(zhǎng)短、探測(cè)對(duì)象的材質(zhì)、線圈本身的特性等因素有關(guān)，需要具體情況具體分析。針對(duì)連鑄坯的缺陷信號(hào)，使用脈沖寬度15 ns，最大能量為150 mJ的激光器，經(jīng)過(guò)初步測(cè)算，缺陷信號(hào)的能量主要分布在0.3～4 MHz的頻率范圍內(nèi)。

為了盡可能地降低噪聲干擾，降低設(shè)計(jì)難度，將前置放大器的上下截止頻率設(shè)定在0.7～2.9 MHz．

2 前置放大器設(shè)計(jì)

2．1器件選型

2．2電路設(shè)計(jì)

前置放大器需要很高的放大倍數(shù)，需要放大的信號(hào)又很微弱，所以電路設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單，盡可能降低本底噪聲干擾，使用精度較高、溫漂系數(shù)較小的電容電阻，以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前置放大器采用三級(jí)放大，每級(jí)的增益分別約為32 dB、27 dB、26 dB，第一級(jí)將微信號(hào)盡可能放大，這樣能最大程度地降低本底噪聲。

前置放大器第一級(jí)設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和增益放大的功能。良好的阻抗匹配能獲取更多的信號(hào)能量，降低增益放大難度。增益放大能提高信號(hào)的抗干擾能力，為第二、三級(jí)信號(hào)放大降低難度，提高信噪比。第一級(jí)放大電路如圖2所示。阻抗匹配主要通過(guò)與線圈并聯(lián)一個(gè)電感和輸入端兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)。根據(jù)LC諧振原理，計(jì)算公式：

C1=1/(2πLf2)

式中：L為線圈的電感值，156 μH；f為有用信號(hào)頻率，約1 MHz．

計(jì)算得到C1約為162 pF．電阻R1和R2的數(shù)值等于線圈的內(nèi)阻，設(shè)定為51 Ω，具體值還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小幅調(diào)整。

圖2 前置放大器第一級(jí)設(shè)計(jì)

前置放大器的第二級(jí)和第三級(jí)主要實(shí)現(xiàn)增益放大和帶通濾波。FilterPro是用于設(shè)計(jì)有源濾波器的軟件，該軟件設(shè)計(jì)的濾波器跟實(shí)際電路比較接近，是一款很實(shí)用的軟件。將需要的帶通濾波器的參數(shù)輸入到軟件中，便可以自動(dòng)生成電路圖。缺陷信號(hào)的中心頻率約1 MHz，設(shè)置單級(jí)放大器帶通濾波的增益為27 dB，通帶波動(dòng)1 dB，阻帶衰減-10 dB，得到的第二級(jí)電路圖如圖3所示。

圖3 前置放大器第二級(jí)設(shè)計(jì)

前置放大器的第三級(jí)設(shè)計(jì)跟第二級(jí)設(shè)計(jì)基本一致。將三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)之后便形成了前置放大器的基本結(jié)構(gòu)。雖然有成熟的設(shè)計(jì)軟件可以借用，但電路生成之后依舊需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以便得到滿足設(shè)計(jì)要求的前置放大器，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2．3仿真實(shí)驗(yàn)

Multisim是電路仿真軟件。該軟件內(nèi)部有豐富的芯片仿真模型，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)仿真能夠減少實(shí)際調(diào)試的工作量。前置放大器經(jīng)過(guò)Multisim仿真，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，穩(wěn)定工作時(shí)能夠達(dá)到增益87 dB左右；得到的幅頻特性曲線如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出所設(shè)計(jì)的前置放大器幅頻特性曲線滿足設(shè)計(jì)要求，而后根據(jù)該仿真結(jié)果來(lái)設(shè)定實(shí)際電路的參數(shù)。由于仿真結(jié)果跟實(shí)際電路參數(shù)還有差別，需要在實(shí)際電路的調(diào)試中，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，對(duì)個(gè)別電容電阻參數(shù)還需要進(jìn)行微調(diào)整。

圖4 前置放大器仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．4測(cè)試試驗(yàn)和結(jié)論

將EMAT探頭置于鋼坯的缺陷之上，使其距離鋼坯表面的距離約為7 mm，在距離缺陷120 mm處用高能激光激勵(lì)超聲。圖5是該試驗(yàn)的示意圖。

圖5 EMAT探頭提離距離試驗(yàn)示意圖

圖6是EMAT探頭接收的鋼坯缺陷信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器輸出的圖像。從圖6可以看出，缺陷信號(hào)出現(xiàn)在約42 μs處，以鋼坯中表面波聲速2 900 m/s計(jì)算，可以得到激勵(lì)激光點(diǎn)的位置是121.8 mm，與試驗(yàn)前的測(cè)量距離基本一致，說(shuō)明信號(hào)就是缺陷信號(hào)。同時(shí)可以看出，缺陷信號(hào)相對(duì)比較明顯，但噪聲信號(hào)相對(duì)很大。在試驗(yàn)中，可以通過(guò)多次平均的方式來(lái)降低信號(hào)的隨機(jī)噪聲，信噪比能夠明顯提高，但實(shí)時(shí)性會(huì)有所降低。

圖6 探頭檢測(cè)到的缺陷信號(hào)

3 結(jié)論

高增益前置放大器設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的問(wèn)題是自激振蕩。自激振蕩的常用解決方法有3種：第一種是增加系統(tǒng)負(fù)反饋，就是在各級(jí)放大器之間增加負(fù)反饋，這種方法系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但容易造成增益過(guò)渡下降，引起其他問(wèn)題，設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜；第二種就是在各級(jí)放大器之間增加限制電阻，同樣能避免系統(tǒng)自激振蕩，但缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)增益，而且限制電阻與系統(tǒng)的增益和帶寬有相關(guān)性，不方便增益的調(diào)節(jié)；第三種就是在運(yùn)算放大器電源處增加去耦合電容。

在實(shí)際調(diào)試中，前置放大器的增益較大，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，很容易受到外界的干擾，所以在電路板的設(shè)計(jì)上要注意電源、接地和屏蔽的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)能有效降低外部噪聲串?dāng)_，提高前置放大器的輸出信噪比和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，電源采用穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)，傳輸線采用雙屏蔽電纜，電路板使用屏蔽殼包裹能夠很好地降低噪聲。

文中所設(shè)計(jì)的前置放大器能夠很好地放大有效信號(hào)。但在信噪比上還需要提高，同時(shí)前置放大器實(shí)際電路的帶寬比Multisim仿真結(jié)果要窄，放大倍數(shù)也有所降低。這方面的性能還有待提高?？傮w還說(shuō)，該前置放大器在提離距離達(dá)到7 mm時(shí)，依舊能夠獲得測(cè)試件的缺陷信號(hào)。

參考文獻(xiàn)：

[1]申建中，張仲寧，張淑儀．表面波電磁聲換能器的設(shè)計(jì)．應(yīng)用聲學(xué)，2007，26(4)：197-201．

[2]王淑娟，康磊，趙再新，等．電磁超聲換能器的研究進(jìn)展綜述．儀表技術(shù)與傳感器，2006(5)：47-50．

[3]CARONTI A．A low-noise，wideband electronic system for pulse-echo ultrasound imaging with CMUT arrays．Ultrasonics Symposium，2004(3)：2219-2222．

[4]高潮．電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)：[學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)，2010．

[5]李固，陳鵬，邊雁，等．電磁超聲接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．儀表技術(shù)與傳感器，2011(8)：85-87．

[6]ARIAS I，ACHEROBACH J D．A model for the ultrasonic detection of surface-breaking cracks by the scanning laser source technique．Wave Motion，2004(39)：61-75．

[7]MURRAY P R，DEWHURST R J．Application of a laser/EMAT system for using shear and LS mode converted waves．Ultrasonics，2002(40)：771-776．

作者簡(jiǎn)介：宋江峰(1983-)，實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要從事激光超聲探傷技術(shù)的研究工作。E-mail：s-j-f2008@163．com

趙揚(yáng)(1982-)，助理研究員，博士，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。E-mail：andyzhao@yeah．net