孫晨光，王明明,孫曉云

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

在錨桿的無損檢測中，磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)因其單端激勵、傳播距離遠(yuǎn)、100%橫截面檢測、非接觸性等特點(diǎn)在長距離大范圍結(jié)構(gòu)的無損檢測和健康監(jiān)測中顯示出良好的應(yīng)用前景[1-4]。作為電磁超聲檢測系統(tǒng)中核心部分——磁致伸縮換能器，由于其換能效率低，制約了電磁超聲的工程應(yīng)用。接收端輸出電壓有時會低到微伏級,而且其對周圍環(huán)境靈敏度高，信號常常淹沒在其他噪聲之中，很難分辨。電磁超聲檢測頻率通常在30 k～150 kHz之間，而負(fù)載往往是由線圈構(gòu)成，會帶有一定的感抗，使得電路嚴(yán)重不匹配。為了增大傳輸效率，必須進(jìn)行阻抗匹配，即線圈和功率放大器之間負(fù)載滿足共軛關(guān)系[5]；而接收端電壓信號太微弱導(dǎo)致采集不到有效信息，所以在接收端和信號采集之間加上前置放大電路，可以有效提高信噪比。

武新軍等[6]設(shè)計了一種非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無損檢測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成部分，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)不僅可以用于管道中，也可用于其他帶包覆層細(xì)長構(gòu)件。劉素貞等[7]按照電抗元件網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和變阻的特性，結(jié)合二進(jìn)制的組合方式，設(shè)計出可以匹配多種頻率線圈的電抗網(wǎng)絡(luò)。該匹配網(wǎng)絡(luò)能在0.5～5 MHz寬頻率范圍內(nèi)有效提高電源的輸出效率，提升電磁加載的信噪比及轉(zhuǎn)換效率，為電磁超聲的后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。劉素貞等[8]根據(jù)電磁干擾問題設(shè)計了消除電磁干擾的硬件電路，構(gòu)建了具有高速、高共模抑制比、高輸入阻抗以及低噪等特點(diǎn)的復(fù)合儀表放大器。馬潔騰等[9]為了超聲導(dǎo)波技術(shù)能更好的應(yīng)用于支護(hù)錨桿的檢測，采用理論分析和實(shí)驗(yàn)室測試的方法對錨固和自由錨桿中的高頻縱向?qū)Р▊鞑ヒ?guī)律進(jìn)行了研究，從而得到了激發(fā)的最佳頻率和頻率與能量變化的關(guān)系。

因此，本文設(shè)計了一套基于磁致伸縮機(jī)理的錨桿無損檢測系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)可有效地檢測到信噪比高的導(dǎo)波信號。高斯信號可有效的提高激勵線圈的效果；T型阻抗匹配模塊的設(shè)計既可以升阻又可以降阻，達(dá)到了全覆蓋；前置放大模塊可以放大信號，濾除噪聲，提高信噪比。通過仿真和實(shí)驗(yàn)的研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

1 電磁超聲激勵單元

電磁超聲激勵單元的主要功能是利用錨桿的磁致伸縮效應(yīng)，由磁致伸縮傳感器在錨桿上激勵超聲導(dǎo)波[10]。該系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、磁致伸縮激勵換能器等組成。

1.1 信號發(fā)生器

信號發(fā)生器使用泰克公司生產(chǎn)的AFG3052C任意波發(fā)生器。磁致伸縮超聲導(dǎo)波要求應(yīng)用窄帶脈沖信號進(jìn)行激勵，實(shí)驗(yàn)中采用高斯脈沖信號，可以使得能量集中，減少導(dǎo)波模式數(shù)，降低信號檢測的難度。此外高斯信號的變化比較平穩(wěn)，有利于功率放大器進(jìn)行放大,進(jìn)而提供脈沖大功率激勵信號。信號經(jīng)過功率放大器后加載在激勵傳感器，就可以在錨桿中激發(fā)出磁致伸縮導(dǎo)波脈沖。

1.2 功率放大器

由信號發(fā)生器發(fā)出的高斯信號無驅(qū)動線圈激勵導(dǎo)波的能力，須要經(jīng)過放大器的放大,才能加載到激勵傳感器上實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的激勵。由于磁致伸縮導(dǎo)波檢測使用的頻率范圍一般為30 k～150 kHz，瞬間功率達(dá)到上千瓦，所以一般的功放無法滿足要求。本實(shí)驗(yàn)使用AETechron 7224功率放大器，它提供了非常低的噪聲和快速擺率，并可以安全地驅(qū)動電感性負(fù)載。該放大器不同于一般的50 Ω輸出阻抗放大器，該放大器分為高電壓、中模式、高電流三個檔位；每個檔位對應(yīng)不同的輸出阻抗。在使用該功率放大器前應(yīng)對其進(jìn)行阻抗匹配以保護(hù)功率放大器和得到最優(yōu)放大效果。

1.3 阻抗匹配模塊

阻抗匹配模塊主要有τ型、反τ型、T型和π型四大類[11-12]。對于所需負(fù)載小于本身負(fù)載的電路，要選用升阻型(τ型)，其原理圖如圖2所示。而對于所需負(fù)載小于本身負(fù)載的電路，要選用降阻型(反τ型)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其原理圖如圖3所示。X1、X2、X3為阻抗匹配的電抗元件，Req為負(fù)載的電阻值，Xeq為負(fù)載的電抗值。若負(fù)載為感性負(fù)載，匹配元件即為電容。

不論是τ型電路還是反τ型電路，從阻值較大的一側(cè)思考(不論是負(fù)載阻抗還是輸出阻抗)，需要先并聯(lián)電納以降低該阻抗實(shí)部模值，再串聯(lián)電抗。即在不進(jìn)一步改變實(shí)部大小的前提下，消除先前并聯(lián)的電納對虛部的影響，實(shí)現(xiàn)匹配。

圖2 τ型網(wǎng)絡(luò)

圖3 反τ型網(wǎng)絡(luò)

所使用的功率放大器有高電壓、中模式、高電流三個檔位，不同的檔位對應(yīng)不同的輸出阻抗。當(dāng)為高電壓模式時，功率放大器所需要匹配的電阻較大；當(dāng)為高電流模式時，其所需要匹配的電阻較小；當(dāng)為中模式時，其所需要匹配的電阻介于兩者之間。為了滿足使用要求，既能達(dá)到升阻效果又能達(dá)到降阻效果，本文設(shè)計一種T型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。當(dāng)S1斷開、S2閉合時，其為升阻網(wǎng)絡(luò)電路；當(dāng)S1閉合、S2斷開時，其為降阻網(wǎng)絡(luò)電路。

使用Smih圓圖法[13]來簡化計算，以升阻型網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行計算。特性阻抗為20 Ω，負(fù)載的電阻和電感分別為0.9 Ω、0.13 mH，頻率為40 kHz。畫圖軌跡如圖5所示。標(biāo)記1為負(fù)載值，經(jīng)過串聯(lián)電容到標(biāo)記2，電容大小為139.6 nF，再并聯(lián)電容到標(biāo)記3，并聯(lián)電容大小為913 nF，標(biāo)記3即為特性阻抗20 Ω。

1.4 磁致伸縮換能器

對于錨桿的檢測要采用縱向?qū)РB(tài)[14]?？v向模態(tài)導(dǎo)波是以存在徑向和軸向位移分量為特征的軸對稱波，其條件是周向位移為零，且軸向和徑向位移與角度無關(guān)，此時橫截面上徑向位移的平均值為零，軸向位移的平均值不為零。為了在錨桿中激勵出縱向?qū)Рǎ@就要求交變磁場和偏置磁場的磁場方向均平行于錨桿的軸線方向,且均勻分布于錨桿周向。激勵換能器激勵線圈采用直徑為0.51 mm漆包線纏繞而成，偏置磁場使用釹鐵硼永磁鐵。

圖4 T型網(wǎng)絡(luò)

2 電磁超聲接收單元

導(dǎo)波接收單元的主要功能是利用鐵磁體的磁致

伸縮逆效應(yīng),由磁致伸縮傳感器接收錨桿中激勵超聲導(dǎo)波，該系統(tǒng)主要由磁致伸縮接收傳感器、前置放大模塊、信號采集等組成。磁致伸縮接收換能器結(jié)構(gòu)同激勵端，線圈使用直徑0.21 mm的漆包線纏繞而成。

2.1 前置放大模塊

前置放大電路原理圖如圖6所示。

圖5 Smith圓圖軌跡

圖6 前置放大電路

功率放大器在放大信號時產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，因此在放大電路的輸入端，加入了限幅電路。該電路由兩個一對二極管 D1、D2 反向并聯(lián)組成。當(dāng)檢測信號經(jīng)過限幅電路時不會有明顯的衰減，而發(fā)射電路的高壓電磁干擾會被二極管直接短接，有效地保證了接收電路的安全性。

第一級放大使用三極管作為輸入器件，以集成運(yùn)放作為第二級放大，輸出加以高通濾波，同時配以電阻和電容實(shí)現(xiàn)外圍補(bǔ)充，使得通頻帶內(nèi)增益的性穩(wěn)定和輸入阻抗都較高，而輸出阻抗較低；使用三極管結(jié)構(gòu)替代一般的集成運(yùn)放，使得電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性方面與雙運(yùn)放放大電路相當(dāng)；采用濾波電阻R6和濾波電容C3等并聯(lián)接入第二級級聯(lián)的放大器的正向端與地之間，進(jìn)一步除去干擾信號，使濾波效果更理想；電阻R5與C1串聯(lián)接電阻R1的連接關(guān)系，可提高級聯(lián)放大器的相位裕度、展寬頻帶，從而可實(shí)現(xiàn)寬帶寬的穩(wěn)定放大增益。在集成運(yùn)放芯片電源處加C11、C12起到去耦的作用。

為了能夠針對30 k～150 kHz范圍內(nèi)的不同頻率信號產(chǎn)生滿足要求的移相角度，本文通過撥碼開關(guān)來選擇不同電容值的電容，以實(shí)現(xiàn)在不同頻率段內(nèi)的相位偏移，再通過調(diào)節(jié)R10即可實(shí)現(xiàn)所需要的移相角度。然而，在這里電容的選擇顯得至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H影響著電路的移相角度，還影響著電路能否保持輸出信號幅值保持基本不變。其上一級電路相當(dāng)于一個信號源，而信號源會有內(nèi)阻，即上一級電路的輸出阻抗。R10和C8等串聯(lián)形成的阻抗即為移相電路的輸入阻抗，當(dāng)不需要移相時R10=0，因此1/2πfC8不能太小。

2.2 信號采集

由于經(jīng)過放大后的信號也是毫伏級的，還是很微弱，所以要使用靈敏度高的采集卡。本實(shí)驗(yàn)所使用的是東華測試的DH5923N系列的采集系統(tǒng)。該采集卡靈敏度高，既可以采集加速度信號也可以采集電壓信號。而且其上位機(jī)軟件界面友好，自帶簡單濾波效果，方便快捷。

3 檢測系統(tǒng)仿真

3.1 阻抗匹配模塊仿真

圖7 阻抗匹配仿真電路

使用Multisim14進(jìn)行仿真驗(yàn)證。采用激勵為40 kHz交流信號，線圈的電阻和電感分別為0.9 Ω和0.13 mH。分別以升阻20 Ω和降阻0.3 Ω為例進(jìn)行仿真，仿真如圖7所示。圖7中Leq和Req分別是激勵線圈的電阻和電感值，R1為其等效阻抗值，SC1為其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路。為了方便觀察，仿真中加入了探針，可以實(shí)時觀測其電壓和電流值。使用交流分析仿真，觀測升阻型和降阻型等效阻抗的變化值，其結(jié)果如表1和表2所示。表1為等效阻抗為20 Ω時的仿真結(jié)果，表2為等效阻抗為0.3 Ω時的仿真結(jié)果。

當(dāng)R1為20 Ω時，作為升阻型阻抗匹配可以有功率傳輸效率最大處，其仿真結(jié)果如表3所示。有匹配時電流明顯增大，功率傳輸效率也由4.31%增大到43.02%。

表1 有、無阻抗匹配下的電阻和電抗值對比(20 Ω)

表2 有、無阻抗匹配下的電阻和電抗值(0.3 Ω)

表3 有、無阻抗匹配電流和功率的對比

3.2 前置放大模塊仿真

仿真選擇頻率為40 kHz，峰值為20 mV的信號源。放大電路采用的是BC856晶體管和AD9618集成芯片，可有效降低噪聲，放大微弱信號。仿真電路圖與原理圖一樣。圖8是頻率在40 kHz時改變增益選擇所得到放大倍數(shù)的仿真圖。圖9是頻率在40 kHz時改變增益選擇所得到相位角的仿真圖。圖10為不改變相位角時的波形圖。圖11為改變相位角時的波形圖。

圖8(a)放大倍數(shù)：G=1 542/19.676≈78.37；圖8(b)放大倍數(shù)：G=1 393/19.933≈69.88；圖8(c)放大倍數(shù)：G=2 155/19.749≈109.12。

仿真結(jié)果可以得出：前置放大電路對信號實(shí)現(xiàn)的正向放大，相頻特性較好；能夠?qū)崿F(xiàn)毫伏信號的放大，放大性能穩(wěn)定。由計算結(jié)果可知在40 kHz時候，放大倍數(shù)分別約為78倍、70倍、109倍，且信號也基本上沒有失真現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往因器件老化或電路中電容或者電感等不準(zhǔn)確等因素的影響，造成相位偏移。為此，本文在放大電路后增加了等幅移相調(diào)節(jié)模塊，調(diào)整滑動變阻器，使相位值達(dá)到最大，結(jié)果見圖9。

由圖9(a)可以得出，在40 kHz輸入信號的情況下，S2開關(guān)4關(guān)閉5、6打開，調(diào)節(jié)光標(biāo)到x=40 kHz,可以得到移相角度為0.047°，即該通道不改變相位；同理可得其他兩種情況，S2開關(guān)5關(guān)閉4、6打開、S2開關(guān)6關(guān)閉4、5，相位角為-94.948°和-178.268°。通過改變滑動變阻器使得相位在0.047～-94.948°和0.046～-178.268°之間改變，從而避免使得相位偏移所導(dǎo)致的計算誤差。

圖10和圖11可以看出通過調(diào)節(jié)電位器阻值使相位發(fā)生了改變，但幅值幾乎不變，且不失真。所以一個幅值不變，相位可變的前置放大電路設(shè)計滿足要求。

圖8 改變增益選擇所得到放大倍數(shù)

圖9 改變增益選擇開關(guān)所得到相位角

圖10 不改變相位角

圖11 改變相位角

4 檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

檢測系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、阻抗匹配電路、前置放大電路、磁致伸縮換能器、采集卡和3 m長的裸錨桿構(gòu)成。激勵換能器距離右端面60 cm，接收換能器距離右端面125 cm；在距離左端面60 cm處做了一個深度為5 mm的裂縫缺陷，即與接收端相距115 cm。使用信號發(fā)生器發(fā)射一個頻率為40 kHz脈沖信號，通過功率放大器放大信號，經(jīng)阻抗匹配后激勵磁致伸縮傳感器，使裸錨桿中產(chǎn)生特定頻率的超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波經(jīng)過接收端將震動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳給前置放大電路，由儀器內(nèi)部的采集模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在計算機(jī)內(nèi)部編寫的示波軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、分析與存儲。圖12為采集到的信號。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的加入使激勵系統(tǒng)的換能效率得到了大幅度提高，信號明顯，易于觀察，為接下來的信號處理提供了幫助，也對功率放大器起到了一定的保護(hù)作用；而前置放大電路的加入則對信號進(jìn)行了初步處理，使有用信號得以放大，回波信號峰值大約達(dá)到了50 mV，濾除掉噪聲，使得波形更加直觀。

由圖12及上位機(jī)軟件可看出,第一次通過信號對應(yīng)時間約33.10295 s，缺陷信號峰值與第一次通過信號相差0.00047 s。由于采樣頻率為100 kHz,每兩個點(diǎn)時間間隔為0.00001 s，讀數(shù)誤差在允許范圍內(nèi)。超聲導(dǎo)波在被檢測頻率段的錨桿中的傳播速度為4 900～5 100 m/s[15],選擇5 000 m/s進(jìn)計算，在誤差允許范圍內(nèi)。則接收端與缺陷之間的距離為5 000×0.00047/2=117.5 cm，與實(shí)際缺陷位置僅相差2.5 cm；第一次左端面回波信號時間為33.1037 s，與第二次左端面回波信號時間差為0.00122 s，相差的是兩個錨桿長，錨桿長為0.00122×5 000/2=305 cm，與實(shí)際長度相差5 cm。其結(jié)果見表4。

圖12 采集信號

表4 測試結(jié)果及誤差分析

實(shí)際距離/cm測試距離/cm誤差缺陷位置120(距接收端)117．5(距接收端)2．5cm錨桿長度3003051．67%

從表4可以看出，缺陷位置只差2.5 cm，而且錨桿的長度誤差僅為1.67%。誤差在允許范圍內(nèi)，可以說該系統(tǒng)設(shè)計是合理的。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于磁致伸縮機(jī)理錨桿無損檢測系統(tǒng)，作為系統(tǒng)中最重要的兩個部分：阻抗匹配模塊和前置放大模塊，通過電路的測試與仿真，表明測試結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)一致。而在錨桿無損檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以較為準(zhǔn)確的測量出錨桿的長度及缺陷位置，為錨桿的安全使用奠定了基礎(chǔ)，同時也表明了電路性能良好,但是該電路輸出信號還存在一定的不足,噪聲信號還是比較大。后續(xù)任務(wù)是對濾波電路再進(jìn)行處理,進(jìn)一步提高信噪比，能更好的滿足檢測要求。

1) 高斯信號變化平穩(wěn)，有利于功率放大器進(jìn)行放大提供脈沖大功率激勵信號。

2) Smith圓圖法對于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，達(dá)到了簡化計算的目的；而且T型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計既可以升阻也可以降阻，達(dá)到了全覆蓋。

3) 通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：增加阻抗匹配電路可以使得傳輸效率接近50%，電流增大，信號幅值提高；前置放大電路可以放大有用信號，濾除噪聲，提高了信噪比。

4) 通過觀察波形，考慮到速度、讀數(shù)等誤差的分析，計算出缺陷位置僅差2.5 cm，錨桿長度誤差為1.67%，檢測系統(tǒng)設(shè)計合理。

[1] Dixon S,Burrows S E,Dutton B,et al.Detection of cracks in metal sheets using pulsed laser generated ultrasound and EMAT detection[J].Ultrasonics,2011,51(1):7-16.

[2] 吳斌,曹海洋,劉秀成,等.干耦合式磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)[J].無損檢測,2016,38(9):9-13.

[3] Jian X,Dixon S,Grattan K,et al.A model for pulsed Rayleigh wave and optimal EMAT design[J].Sensors and Actuators A:Physical,2006,128(2):296-304.

[4] 劉素貞,王晨光,張闖,等.電磁超聲掃描裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(10):20-25.

[5] 郝寬勝,黃松嶺,趙偉,等.電磁超聲換能器新型線圈阻抗及匹配電容的計算[J].高技術(shù)通訊,2010,20(8):845-849.

[6] 武新軍,徐江,沈功田.非接觸式磁致伸縮導(dǎo)波管道無損檢測系統(tǒng)的研制[J].無損檢測,2010,32(3):166-170.

[7] 劉素貞,張嚴(yán)偉,張闖,等.電磁超聲激勵系統(tǒng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(16):1-6.

[8] 劉素貞,李麗濱,蔡智超,等.電磁超聲檢測系統(tǒng)中消除電磁干擾電路的設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(1):80-84.

[9] 馬潔騰,張昌鎖,潘立業(yè),等.高頻縱向?qū)Рㄔ阱^桿檢測中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2013(10):34-37.

[10] 劉洋.磁致伸縮導(dǎo)波錨桿無損檢測實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2010.

[11] 李引凡,陳政,邱洪云.天線調(diào)諧器T形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(8):7-9.

[12] 盧文成,丘小輝,毛行奎.磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率分析[J].電氣技術(shù),2015(4):14-17,21.

[13] 何思遠(yuǎn),賀菁菁,黃冉冉,等.Smith圓圖理解和使用的幾個關(guān)鍵問題[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2016,38(5):58-60.

[14] 馬潔騰.超聲導(dǎo)波在錨桿錨固質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[15] 潘立業(yè).超聲導(dǎo)波在錨桿中的傳播速度的實(shí)驗(yàn)與模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué),2013.