电磁超声传感器1

2.EMAT检测系统的优化设计
2.1 EMAT存在的一些问题 电磁超声换能器的电声转换效率低， 换能器的发射端需采用大功率的激励 源，由此会产生强烈的电磁干扰，引 入噪声信号，导致检测信号信噪比低， 限制了电磁超声的广泛应用。
2.2几种设计方案
为了提高电磁超声接收信号信噪比，改善检测信 号的质量，国内外研究人员做了大量工作，比如， 采用大功率射频信号激励换能器以提高激励功率； 研究了低噪声接收放大电路，设计了低噪声前置 放大器；应用电磁超声换能器实现了皮米级的位 移检测；研究了阻抗匹配电路，期望得到更大的 激发功率；研究了最佳磁感应强度；将脉冲压缩 处理技术应用到 EMAT的测厚和金属板成像中， 用线性调频脉冲激励换能器，提高了信噪比；比 较了有限冲击响应无限冲击响应滤波器和离散小 波变换去噪等几种电磁超声去噪方法。
2.4 超外差接收相敏检波技术
2.4.1 超外差接收原理 超外差接收原理见图1，其电路包括以下几个部分： 混频器、中频放大器和检测器等。其中，混频器的 主要功能是将本地振荡器产生频率为L的振荡波与 频率为fs的输入信号混频，把输入信号频率变换为 某个预定的频率fi；中频放大器是超外差接收机中 f 一个重要组成部分，它具有放大中频信号抑制噪声 和相邻通道干扰以及自动增益控制的功能；检测器 采用正交相敏检波器。
1.2 EMAT的构成
EMAT的主要组成部分有三个： 一用于提供稳恒磁场的永久磁铁或电磁铁 二用于产生高频激发磁场的金属线圈 三是被检测工件
1.3 EMAT的作用机理
由于电磁感应效应，在金属 物体表层内将感生出涡流， 如果同时在该金属物体附近 施加一稳定外磁场,则该稳定 外加磁场将与感生涡流相互作用产 生交变的洛伦兹力致使金属原子产 生振动,并以一定方式传播出去, 就可以产生 超声波。EMAT工作过程实质是电磁场力场 和超声场之间的相互作用。
3 试验结果和数据分析 应用上述横波EMAT和检测系统，检测铝合金人工 试样，其中铝合金试样图4所示，厚度为10 mm， 其底部刻有半圆弧状，宽度分别为5，3，1 mm， 深度均匀的凹槽，用于模拟底部腐蚀缺陷。
3.1 原始接收的和经相敏检波后的信号对比 在系统参数设置均一致的情况下，获取铝合金试 样的原始接收射频信号以及经相敏检波处理后的 同相输出和正交输出信号，检测结果如图 5 ～ 图 7 所示，其中图 5为探头置于铝合金试块带有1 mm 宽的凹槽上方的检测结果，图6 为探头置于 铝合金试块带有3 mm宽凹槽位置上方的检测结果， 图 7 为探头置于铝合金试块带有5 mm 宽凹槽位 置上方的检测结果。
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1.4 EMAT特点
• 与传统的基于压电效应的PZT（压电超声换 能器）自动探伤装置相比，其在检测过程 中可以不与被检材料表面直接接触、无需 加入声耦合剂、检测速度快、 重复性好、 耐高温、适宜对特殊形状材料的检测。
1.5 用途
主要用于金属材料的无损检测与评价，以 及金属材料的测厚等。广泛用于管道、锅 炉、列车轮轨、电力传输线等产品的出厂 检验及日常维护，已渐成主流无损检测技 术之一。
2.5.2 系统工作过程 由频率合成器产生的信号经过门控放大器得到高 压脉冲串激励 EMAT。EMAT 接收到的信号通 过前置放大器放大，再经可变增益宽带放大器放 大; 频率合成器的输出信号之一，称之为中频参 考信号，由频率合成器时钟经分频后获得，其相 位角固定且在0 时刻相位接近 00 ; 上述两信号通 过混频器相乘，形成一个包含超声信号相位信息 的新信号，经中频放大器后，与本地振荡器的输 出信号进行混频，混频由正交相敏检波器中的模 拟乘法器完成；混频过程中Байду номын сангаас高频项被低通滤波 器有效抑制，只保留包含接收信号相位的低频 ( 基带项)。
电磁超声传感器检测系统的优化设计
陶辉（11721266） 2011.12.21
提要 • 简单介绍一下关于电磁超声传感器的相关 知识。 • 指出电磁超声传感器检测系统存在问题， 并进行优化设计。 • 试验结果和数据分析及其结论
1.电磁超声传感器
1.1 什么是电磁超声传感器？ 电磁超声传感器，又称电磁超声换 能器(electromagnetic acoustic transducer， EMAT)，是一种使用电磁机制、非 接触式的能够发射超声波并可以接 收的传感器。
将两路相敏检波信号(即同相输出和正交输 出信号)通过 A/D 采集卡采集后送入计算机 进行处理和显示。由软件系统设置电子门， 根据式( 7)和式( 8) 计算门内接收信号的幅 值和相位角，通过 C 扫描软件系统进行处 理和显示。从宽带射频接收模块出来的原 始接收射频信号及经过正交相敏检波后的 两路相位信号可直接通过示波器观察。
2.4.2正交相敏检波
正交相敏检波器的工作原理如图 2 所示，其需要 两个相敏检波器系统，输入信号相同，但两个参 考输入在相位上相差π / 2 ，若同相通道中的参考 信号相位为θ ，则与其正交通道中的参考信号相位 为 θ+π/2
式中，Ui为输入信号；Ur 为参考信号式( 3) 与式 ω ( 4) 说明经过相敏检波器后，原来频率0 为的信 ω ω0 号频谱被移到了 =0和 =ω2 处，频谱迁移后保 0 持原谱形状，幅度正比于参考信号的幅度Um和 被测信号的幅度Uz。
4 结论
通过对超外差接收正交相敏检波技术在铝 合金试样的电磁超声检测中的应用研究， 得到以下结论：超外差正交相敏检波技术 在电磁超声检测中具有去噪提高信噪比的 作用。
参考文献：
• • • • • • • • • • • 王淑娟等，电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计，中国电机工程学报 天宇，中厚板EMAT无损探伤的特点及应用前景，钢铁参考网 周正干等，超外差接收相敏检波在电磁超声检测中的应用，北京航空航天大学学报 Koorosh Mirkhani，Optimal design of EMAT transmitters，NDT&E 李 固等，超声接收系统的设计与实现，仪表技术与传感器 朱红秀等，电磁超声传感器( EMAT)最佳磁感应强度的研究，煤炭学报 朱红秀等，电磁超声传感器机理的理论研究，NDT无损检测 Pereira da Cunha，Improved Longitudinal EMAT Transducer forElastic Constant Extraction， IEEE Songling Huang，Study on the lift-off effect of EMAT，Sensors and Actuators Won-Bae Na，EMAT-Based Inspection of Concrete-Filled Steel Pipes for Internal Voids and Inclusions，Journal of Pressure Vessel Technology 邓明晰，用电磁声谐振方法评价金属板材损伤的实验研究，后勤工程学院学报
经过低通滤波器后，信号中的高频项被滤除，正交 相敏检波器的同相输出为
式中，Ui为被测信号;Ur为参考信号;Un为噪声信 号的幅度;ω为噪声信号的角频率;θ为有用信号 与参考信号的相位差;α为噪声信号与参考信号 的相位差。其中，ω≠ω0,θ≠α.此时，相敏检波器 的同相输出信号为
Uz Um Uz Um (10) U zi = cosθ + cos(2ω0 t + θ) + 2 2 Un Um Un Um cos[(ω - ω0 )t + α] + cos[(ω + ω0 )t + α] 2 2
式中,第1 项为信号项，获得直流检出；第 2、4 项为和频项，均被低通滤波器滤除；第3 项是 参考信号与噪声信号的差频项，只有当|∆ω| = |ω-ω0|小于低通滤波器的带宽时才有输出，而其 他大部分噪声均被滤除。
2.5 系统设计
2.5.1 系统组成 基于超外差接收正交相敏检波技术的电磁 超声检测系统组成如图3 所示系统由频率合 成器模块门控放大器模块EMAT 宽带射频 接收模块混频器与中频放大器模块、相敏 检波器模块和 A/D 采集卡等组成。
2.3另一种方法 ——超外差接收相敏检波
在分析超外差接收正交相敏检波技术原理的基础 上，进行了正交相敏检波技术在电磁超声检测信 号处理中的应用研究，组建了基于该技术的电磁 超声检测试验系统，通过试验确定了合适的检测 参数，并用于检测铝合金、碳钢和不锈钢试样。 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能 力的检波电路，对于在强噪声背景下提取有用信 号具有显著的作用。对比相敏检波处理后的电磁 超声接收信号和原始接收射频信号，可以发现， 应用相敏检波技术在电磁超声检测中可以有效提 高信噪比，在强噪声背景下提取有用信号效果更 为明显。