劉 春

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011)

1 EMAT概述

EMAT作為電磁聲傳感器主要由高頻線圈、外加磁場(chǎng)、試件本身三部分組成。將通有高頻電流的線圈放置在處于交變磁場(chǎng)中的金屬試件表面，試件的趨膚層內(nèi)將產(chǎn)生一圈圈自相閉合的電流，即渦流，此渦流在交變磁場(chǎng)的作用下，會(huì)受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而在試件內(nèi)部激發(fā)出超聲波[1]。同樣的道理，當(dāng)試件表面存在振蕩，在外加磁場(chǎng)力的作用下，會(huì)在高頻線圈中感應(yīng)出電壓，拾取此電壓信號(hào)，進(jìn)行處理后可以得知試件表面狀況[2]。由此可見(jiàn)，EMAT發(fā)射電路的作用就是產(chǎn)生一個(gè)大幅度脈沖串去激勵(lì)發(fā)射線圈，EMAT接收電路的作用就是對(duì)高頻線圈中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，成為與后續(xù)數(shù)據(jù)采集部分相匹配的電平，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)[3]。

2 EMAT發(fā)射接收電路

電磁聲探傷系統(tǒng)的電路原理框圖如圖1所示。其中發(fā)射系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)的振蕩信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)制形成了一個(gè)占空比約為0.3%的電流脈沖串,通過(guò)功率放大器使之達(dá)到所需要的輸出功率,再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)耦合至發(fā)射探頭,從而按電磁聲轉(zhuǎn)換機(jī)理在試件表層產(chǎn)生超聲波。接收探頭將衰減后的超聲表面波拾取出來(lái),經(jīng)接收電路放大后可送至顯示裝置(如計(jì)算機(jī))加以顯示。

2.1 發(fā)射電路

EMAT與常規(guī)的超聲波探傷儀的壓電晶體換能器有著極為不同的電氣特性：壓電晶體換能器在電路中呈電容性，而由線圈繞制成的EMAT則呈電感性；壓電換能器呈高阻抗，EMAT則呈現(xiàn)低阻抗。因此，為了獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率和瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)于兩種傳感器的發(fā)射電路也有著不同的輸出要求，壓電探頭需要高的脈沖電壓，而EMAT則需要大的驅(qū)動(dòng)電流。

圖1 電磁聲探傷系統(tǒng)電路原理框圖

EMAT發(fā)射電路的任務(wù)就是在控制脈沖的觸發(fā)下產(chǎn)生大幅度脈沖串去激勵(lì)發(fā)射線圈，在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，從而發(fā)射超聲表面波。電磁聲傳感器及其發(fā)射電路是電磁超聲檢測(cè)中的關(guān)鍵組成部分，它決定了一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的最終指標(biāo)(例如測(cè)量范圍)[4]。電磁聲傳感器的性能參數(shù)確定后，發(fā)射電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響超聲波的發(fā)射效率。發(fā)射電路原理框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射電路原理框圖

圖2中，低頻振蕩器和高頻振蕩器分別用于產(chǎn)生一定占空比的低頻脈沖和50%占空比的高頻脈沖，相位控制電路用于鎖定兩個(gè)脈沖信號(hào)的相位差，其輸出信號(hào)由邏輯控制電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出兩個(gè)脈沖串，再經(jīng)由功率放大電路，成為如圖2所示的a、b兩列波。a、b的大小、頻率及占空比(0.3%)都是相等的，只有相位互差180°，這能夠保證發(fā)射線圈中的電流是一個(gè)交變電流。最終兩列脈沖串在電磁聲傳感器的發(fā)射線圈內(nèi)產(chǎn)生一定頻率、一定占空比的方向交替變化的大電流。

完成發(fā)射電路的調(diào)試后，利用本課題設(shè)計(jì)制作的采集卡將其產(chǎn)生的脈沖串采樣后送入LabVIEW虛擬示波器中顯示，圖3(a)即為發(fā)射電路激勵(lì)出的脈沖串(1 MHz)波形圖，圖3(b)為脈沖串的展寬波形圖。

圖3 發(fā)射電路激勵(lì)脈沖串和展寬波形

由圖3可以看出，此發(fā)射電路工作穩(wěn)定，可以滿足EMAT發(fā)射線圈的工作要求，圖4為調(diào)試后發(fā)射電路的PCB板。

2.2 接收電路

衰減后的表面波由接收線圈轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但此電信號(hào)十分微弱，需要接收電路對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，成為與后續(xù)數(shù)據(jù)采集部分相匹配的電平，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)。鋼軌探傷現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣,噪聲源多,因此對(duì)電磁聲接收電路的設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)格[5]。

本課題采用的EMAT發(fā)射頻率范圍為500 kHz～1 MHz，所以接收電路所用器件頻率寬度要求較高、噪聲較低。高頻晶體管的頻帶較寬(如2N9013頻帶寬度為150 MHz)，晶體管的最佳源電阻一般在幾百歐的范圍，與EMAT低阻值的要求比較吻合，多數(shù)高頻管的噪聲指數(shù)NF<8 dB，因而綜合考慮源電阻、頻帶寬度和功率增益等幾個(gè)方面對(duì)噪聲指數(shù)的影響，決定選擇2N9013先將信號(hào)放大30倍，再選用160 MHz高頻運(yùn)放AD8041放大100倍，總放大倍數(shù)為3 000倍。另外，由于AD8041采用±5 V供電，其輸出波形最大峰值為10 V，而A/D轉(zhuǎn)換器AD9057輸入信號(hào)峰值最大僅為1 V，為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須進(jìn)行幅值衰減，將電容C2后的信號(hào)衰減5倍后，再?gòu)碾娙軨1右端進(jìn)入高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9057。因此，實(shí)際放大倍數(shù)為600倍。

此外，為了防止有過(guò)高的電壓從接收線圈進(jìn)入放大電路，在線圈后采用電容隔直通交后用兩個(gè)正反向二極管接地，使得輸出的信號(hào)幅值控制在0.5 V以內(nèi)。圖5為所制作的接收電路PCB板。

圖4發(fā)射電路PCB板圖5接收電路PCB板

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6為在實(shí)驗(yàn)室里一塊150 cm×120 cm×0.5 cm的鋼板上，利用設(shè)計(jì)制作的發(fā)射電路激發(fā)表面波，通過(guò)接收電路和數(shù)據(jù)采集卡所采到的頻散的板波波形。

圖6 采集到的表面波信號(hào)

3 結(jié)論

綜上所述，所研制的發(fā)射電路可以成功地產(chǎn)生用于激發(fā)電磁超聲的脈沖串，接收電路可以接收到實(shí)驗(yàn)室鋼板上的裂紋所致的衰減的回波。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的EMAT發(fā)射接收裝置能夠有效地幫助整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出鋼板表面裂紋。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 陳鵬.基于LABVIEW的電磁超聲數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013(3):25-26.

[4] 喻慧.基于89C51的智能融雪除冰裝置的設(shè)計(jì)與仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013(1):25-26.

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