一种基于电磁铁式电磁声换能器的检测系统

摘要

本发明公开了一种基于电磁铁式电磁声换能器检测系统，应用于电磁铁式电磁声换能器的检测实验。该系统包括双通道任意信号激励电路，高功率高性噪比的放大电路和双通道信号高增益的采集电路，实现对电磁铁式电磁声传感器的激励以及超声信号和磁信号的接收。设计可以产生任意波形，输出信号的频率、周期、幅值和重复频率等可以通过程序进行调节，通过功率放大电路实现EMAT激励信号的放大输出，输出最高瞬时电流可达32A，电压可达800Vpp。采用两级程控放大的高增益信号采集电路实现对毫伏级的超声信号进行采集，设计带衰减电路的采集电路采集磁信号。通过激励电路测试、功放电路测试和系统实验验证，证明了该系统的可行性。

说明书

技术领域

本发明为一种基于电磁铁式电磁声换能器检测系统，包括双通道任意信号激励电路，高功率高性噪比的放大电路和双通道信号采集电路。能够应用于电磁铁式电磁声换能器的检测实验，可实现对电磁铁式电磁声传感器的激励以及超声信号和磁信号的接收。

背景技术

超声波导波作为无损检测中的一种手段，由于导波在传播中对干扰的敏感性很高，即使在衰减率较高的材料中也能长距离传播等优点，已被广泛用作无损评估工具。激励导波的方式有很多，例如激光激励、压电激励及采用电磁声换能器进行激励。电磁声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)由于结构简单，无需耦合等优点，在超声无损检测领域具有巨大的应用价值。EMAT的工作原理为：通入高频交变电流的EMAT线圈会在试件中(主要为集肤深度附近)感应出涡流，涡流在磁场的作用下使其周围微粒产生弹性形变和周期振动，激发出电磁超声波；通过接收超声波传播过程中遇到缺陷时所产生的反射波或透射波，可以对缺陷的位置和大小进行判别。相较于压电超声，EMAT的主要优势如下：

(1)EMAT在检测时无需在试件表面涂抹耦合剂，可以进行非接触式在线检测，能直接接触试件表面，对试件以及检测环境的要求较低，因此增强了EMAT对于不同检测试件以及检测环境的适应能力；

(2)EMAT的超声波来源于试件的集肤深度层，因此试件表面的粗糙度和光滑度对检测结果的影响较小。在检测时，试件无需进行预处理，从而提高了检测效率；

(3)EMAT的结构相对简单，可设计性强，操作简单。主要由磁铁与线圈构成，通过对磁铁和线圈的结构进行变化，从而可激励各种形式、各种模态的导波。

由于上述优点，EMAT被广泛研究。传统EMAT由三部分组成：线圈(包括发射、接收线圈)、提供偏置磁场的磁铁以及被检测试样。根据试件的不同性质，EMAT工作机理可分为洛伦兹力、磁致伸缩力和磁性力三种形式。对于非铁磁性材料(如铝、铜、锌等)，洛伦兹力是产生超声波的主要原因；在铁磁性材料中(如铁、钴、镍等)，磁致伸缩力、磁性力和洛伦兹力共同作用于试件，产生、接收超声波。传统的EMAT主要采用永磁铁提供静态磁场，但基于永磁铁设计的EMAT存在以下缺点：

(1)永磁铁磁场时刻存在、不可改变，在铁磁性试件上检测时吸附力强，难以移动，易使线圈和磁铁磨损；

(2)放置时容易吸附周围铁屑等杂物，难以清理；

(3)高温下无法工作。由于永磁铁存在居里点，当工作环境较高(居里温度的1/3左右)时，永磁铁会逐渐变为顺磁性，磁性大大降低。

因此针对于永磁铁式EMAT存在的劣势，有学者提出将永磁铁替换成电磁铁，并对此进行了很对研究。但是并没有一套完整的系统能够针对于电磁铁式EMAT的实验研究，相关针对于电磁铁式EMAT的研究，目前，针对于电磁铁式EMAT的检测系统也鲜见报道。

发明内容

本发明旨在设计一种基于电磁铁式电磁声换能器的检测系统，可以实现电磁铁式EMAT信号的激励与接收。系统主要包括EMAT激励信号与电磁铁励磁信号的双通道激励电路、EMAT功率放大电路、电磁铁励磁功率放大电路和AD采样电路。双通道激励信号源设计以基于FPGA的DDS为核心，可产生任意类型的信号，信号频率范围为0～5MHz，输出电压幅值范围0～5V。AD采样电路由两路组成，其中一路以ADC12040芯片为核心，用来接收超声信号，配合AD8367芯片的两级程控放大，设计回波增益最大可达80dB，最大采样频率为40MHz，分辨率为12bit；另一路采样电路以AD9226芯片为核心，最大采样率为65MHz，用以实时监测电磁铁磁场强度。系统采用FPGA为主控，以Altera公司的EP4CE15F17C8芯片为核心，进行逻辑控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种基于电磁铁式电磁声换能器的检测系统，主要包括双通道任意信号激励电路、EMAT功率放大电路、电磁铁功率放大电路和双通道采集电路。EMAT功率放大电路为高频、大电流、大电压和高信噪比的电路。EMAT高频功率放大电路截止频率可达10MHz，最大输出电压可达800Vpp，输出最大瞬时电流可达32A。双通道任意信号激励电路的输出为两路模拟信号，一路信号EAMT激励信号，输出端口与EMAT功率放大电路相连，实现电流和电压的放大，信号通过EMAT功率放大电路后与EMAT激励线圈连接。双通道任意信号激励电路的另外一路输出信号为电磁铁励磁信号，通过输出端口与电磁铁功率放大电路，信号经过放大后输出至电磁铁励磁线圈中进行励磁。双通道采集电路为超声信号和磁信号的两路信号采集电路，EMAT接收线圈与采集电路中超声信号采集端口连接，另一接口为磁信号输出口，与霍尔传感器相连。

所述双通道任意信号激励电路，采用基于FPGA与DDS技术相结合的方案，可以产生任意波形。主要由FPGA主控芯片、高速数模转换器、软件控制调幅模块、单端转差分电路、7阶巴特沃斯低通滤波器和硬件控制调幅模块组成。FPGA主控芯片与高速数模转换器连接，将数字信号转换为模拟信号，然后将高速数模转换器的输出端与单端转差分电路连接，将差分信号转换为单端信号，单端转差分电路再与7阶巴特沃斯低通滤波器和硬件控制调幅模块相连接，实现信号输出。首先在FPGA主控芯片内部构建任意信号发生器，通过8位并行接口把数据传输给高速DAC芯片，DAC把数字信号转换为模拟信号，采用DAC芯片TLC5615进行数字失调与增益调整实现软件的部分的幅值调节，再通过AD8065把差分信号转换为单端信号，然后采用7阶巴特沃斯滤波器低通滤波后接入运算放大器实现硬件调幅。双通道激励电路采用一样的设计方案，设计可以产生任意波形，输出信号的频率、周期、幅值和重复频率等可以通过程序进行调节。

所述EMAT功率放大电路，主要功能是将激励电路产生的小功率信号进行放大，以便能有效激励换能器产生超声导波。提高输出电压最有效的方法就是在输出级采用宽带变压器进行升压变换，该电路由电源电路、驱动电路和功率输出电路组成驱动电路直接与功率输出电路相连接，而电源电路为驱动电路和功率输出电路提供所需电压。功率输出电路是该电路的主要能量转换部分，包括场效应管放大电路、开关控制电路和输出变压器等部分。场效应管放大电路直接与开关控制电路连接，开关控制电路输出端与输出变压器相连接。

所述的电磁铁功率放大电路，实现对电磁铁的励磁，为EMAT激励出超声信号提供磁场。电路需要提供足够大的电流，使得电磁铁产生足够大的磁场，保证EMAT能够激励出超声信号。另外为了实现验证不同的励磁信号对EMAT性能的影响，需要设计电磁铁励磁放大电路以实现对不同类型信号的放大。

所述的双通道信号采集电路，在系统中分别用来采集EMAT接收的超声信号和电磁铁的磁场信号。根据两路信号的特点进行电路设计，超声信号幅值小，为毫伏级信号，因此需要设计多级前置放大，确保信号能被采样芯片采集到；而磁场信号是为了实时监测磁场的强度，采用霍尔元件进行磁信号采集，信号幅值较大，为了计算出最大磁场强度，需要满足较大采样率和信号幅值的高度还原。

目前现有的电磁铁EMAT的检测系统由多个设备组合而成，实验系统庞杂，把电磁铁励磁源与EMAT激励源分开，采用函数发生器对电磁铁励磁并通过功率放大器进行功率放大，采用RPR 4000对EMAT进行激励和信号采集；并且无法实现电磁铁励磁信号与EMAT激励信号的联调。本发明一套电磁铁EMAT激励/接收集成系统，实现电磁铁EMAT的综合检测，并同时对超声信号和电磁信号进行采集，实现磁信号和声信号同时检测。本发明中的双通道激励电路板，能够实现任意信号的激励，能够研究电磁铁激励信号类型、幅值以及与EMAT激励信号之间的延时时间对EMAT产生的信号的影响。EMAT功率放大电路能够满足10MHz频率范围内的电磁声换能器的激励，所设计的双通道采集电路通过两级程控放大电路能够实现对毫伏级超声信号的采集，通过超声信号与磁信号的联调，可以探究磁信号与超声信号直接的耦合关系。

附图说明

图1电磁铁式电磁声换能器的检测系统框图；

图2双通道激励电路设计框图；

图3 AD9708电路设计图；

图4 TLC5615电路设计；

图5 7阶巴特沃斯低通滤波器电路设计图；

图6 EMAT功率放大电路设计方案框图；

图7 THS4151差分放大电路设计图；

图8参考电压放大电路

图9a)BUF634信号缓冲电路设计图，b)IRF510驱动电路设计图；

图10变压器放大电路设计图；

图11电磁铁励磁放大电路设计图；

图12 AD采样电路设计框图；

图13 ADC12040采样电路设计图；

图14 AD8367放大电路设计图；

图15 MAX5102程控电路设计图；

图16 AD9226采样电路设计图；

图17激励电路板测试信号；

图18 EMAT功放路板信号测试；

图19换能器采集得到的超声信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于电磁铁式电磁声换能器的检测系统，设计了双通道任意信号激励电路，利用该电路能产生两路波形、频率、周期和幅值可调的任意信号。一路输出为EMAT提供激励信号，一路为电磁铁线圈的励磁信号。设计了高频带、大电流和高信噪比的EMAT功率放大电路，最大输出瞬时电流可达32A，输出电压可达800Vpp。设计了提供足够大的电流的电磁铁励磁功放电路，使得电磁铁产生足够大的磁场，保证EMAT能够激励出超声信号。设计了高增益、高性噪比的双通道信号采集电路，实现对超声信号和磁信号的采集。设计了USB数据通信电路，采用CH376作为主要单元，用于上位机与硬件的数据传输。

电磁铁式电磁声换能器的检测系统框图如图1所示，FPGA产生波形的数据，通过激励电路中的数模转换器转换为模拟信号，并由激励电路中的滤波器进行滤波处理，通过放大器进行幅值调节输出。产生的两路信号分别经过EMAT功率放大电路和电磁铁功率放大电路进行放大输出至换能器和电磁铁的励磁线圈。信号采集部分，通过换能器和霍尔元件将采集得到的超声信号和磁信号通过双通道采集电路，将采集得到的数据传给FPGA，FPGA通过USB通信电路传至上位机进行显示。

所述的双通道激励电路设计框图如图2所示，该图显示的其中一路信号的设计方案，另外一路的设计方案完全一样。首先在FPGA内部构建任意信号发生器，通过8位并行接口把数据传输给高速DAC芯片，DAC把数字信号转换为模拟信号，采用DAC芯片TLC5615进行数字失调与增益调整实现软件的部分的幅值调节，再通过AD8065把差分信号转换为单端信号，然后采用7阶巴特沃斯滤波器低通滤波后接入运算放大器实现硬件调幅。AD9708的电路设计如图3所示，8个并行接口通过8根数据线实现与FPGA的数字信号的传输，时钟由FPGA内部PLL构建后通过时钟I/O口输入。其中16引脚REFLO为使用内部1.2V基准电压源时的基准电压地。当连接到AVDD时禁用内部参考。17引脚REFIO为参考输入/输出引脚。当内部参考禁用时，即将REFLO连接到AVDD时，用作参考输入。当采用内部基准电压，即将REFLO连接到ACOM端口时，用作1.2V基准电压的输出。内部基准电压源激活时，需要一个0.1μF电容连接至ACOM端口。在本设计中把REFLO引脚连接至AVDD，禁用内部参考电源，引入外部参考电源以实现通过软件控制AD9708的输出电压幅值。具体方法为将DAC芯片TLC5615的输出连接到AD9708的16引脚REFIO，作为外部参考电压，TLC5615由FPGA内部程序控制输出，进行数字失调与增益调整。TLC5615为串行的数模转换器，只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器连接。另外在TLC5615的电路中使用了精密可编程基准器TL431，用来稳定输出电压。当输入电压增大时，输出电压增大导致输出采样增大，这时TLC431内部电路通过调整自身的电流增大，从而导致内部限流电阻的电流增大，电流增大使得限流电阻的压降增大，而输出电压等于输入电压与限流电阻分压，从而使得输出电压值减小，实现稳压。TLC5615的电路设计图如图4所示。通常由DDS构建输出的模拟信号具有较高频的噪声，为了平滑DAC的输出信号并抑制噪声干扰，需要引入低通滤波电路。滤波器电路设计如图5所示，该滤波器为无源低通滤波器，采用7阶巴特沃斯滤波器，-3dB带宽为30MHz，截止频率为80MHz时，衰减为47.5dB。

所述的EMAT功率放大电路设计框图如图6所示，EMAT激励信号通过差分芯片进行差分和放大，同时通过FPGA的I/O口向差分芯片提供偏置信号，为后端场效应管提供开启电压，然后数据通过缓冲器进行信号缓冲，并提高输出电流，实现两路数据的同步传送，起协调和缓冲作用。由于缓冲器输出电流较小，最高输出为250mA，需要提高输出电流以驱动后级场效应管工作，因此采用驱动管来提高输出电流，再通过场效应管和变压器实现信号的放大。THS4151差分放大电路如图7所示，其中V

所述电磁铁功率放大电路设计如图11所示。采用36个高容量的电容进行充放电，使输出信号在瞬间达到最大值。设计中采用N沟道增强型场效应管IRFZ44N作为输出开关，使用TC4428作为MOSFET管的驱动器，可以轻松在30ns时间内切换1000pF栅极电容，并且在ON和OFF状态下都提供足够低的阻抗，以确保MOSFET的预期状态即使受到大的瞬变也不会受到影响。电路中LT3028作为低压差线性调节器，为TC4428提供12V供电电源。由于一片IRFZ44N在24V电压下的最大连续DS电流仅为6A，为了提高电磁铁的最大工作电流，将10片IRFZ44N进行并联以提升激励电路的输出电流。10片IRFZ44N的漏极与栅极均相连，源极串接0.1Ω电阻后相连，起到均流的作用，能够防止MOSFET因内阻不均匀而烧毁。由于多组MOSFET并联后，总栅极电容超过10nF，为了保证电磁铁的驱动电流的响应速度，以及驱动电压稳定性，使用缓冲器OPA2156作为MOSFET栅极驱动器，该芯片能够提供最大100mA的驱动电流，能够为满足MOSFET的驱动需求。由IRFZ44N的数据手册可知，该MOSFET的截止电压不大于4V，而开启电压不小于4.5V，因此，为了以线性的方式控制驱动电路的输出电流，需要精确控制MOSFET的栅极电压，使其工作在线性工作区。在截止电压与开启电压间的一段电压区间内，可近似认为源极电流变化量与栅极电压变化量正相关，通过上位机的标定与校准，可以实现精确的输出电流控制。

所述双通道采集电路，分别用来采集EMAT接收的超声信号和电磁铁的磁场信号。根据两路信号的特点进行电路设计，超声信号幅值小，为毫伏级信号，因此需要设计多级前置放大，确保信号能被采样芯片采集到；而磁场信号是为了实时监测磁场的强度，采用霍尔元件进行磁信号采集，信号幅值较大，可不经过前级放大处理。其中超声信号采集电路设计框图如图12所示，电路采用两级程控放大，最大可实现80dB放大。为了避免串扰的高压信号对采样芯片造成影响并保护后级电路，在信号输出端加入隔离限幅电路做电压钳位，使用高通RC滤波器去除直流成分。采用ADC12040采样芯片设计的采样电路如图13所示，芯片采用5V供电，并进行了数字/模拟电源和地的划分。采样时钟由FPGA控制输出，信号经过前置处理后由LMH6550MA实现信号单端转差分，作为ADC12040的输入，输出使能引脚OE和掉电输入引脚通过I/O口连接至FPGA，实现程序控制采样开始和截止。程控放大电路由前置隔离/限幅电路、OPA340NA阻抗匹配电路、增益控制电路和AD8367放大电路组成。隔离/限幅电路利用二极管的非线性特性和开关特性实现电压的钳位，能够隔离±0.7V以外的干扰。由于OPA340NA具有很好地低输出阻抗和高输入阻抗特性，能够实现前置电路的阻抗匹配。两级AD8367放大电路如图14所示，AD8367是一款高性能可变增益放大器，具有线性dB增益控制，适用于低频千赫兹至几百兆赫兹的频率范围。AD8367的增益范围为-2.5dB～45dB，-3dB带宽可达500MHz。程控电路如图15所示，采用8位DAC芯片MAX5102进行设计，MAX5102具有超低功耗，工作时电流仅为0.2mA。由FPGA输出8位并行数据实现输出电压控制，当引脚WR信号拉高时，MAX5102实现数字量转换为电压输出。磁信号AD采集电路采用AD9226芯片进行设计，AD9226是一款12位的AD转换芯片，采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。采用多级差分流水线架构，数据速率可达65MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。采用高速、低成本的CMOS工艺及新颖的架构，分辨率和速度可达到现有双极性方案的水平，而功耗成本却低得多。AD9226采样电路如图16所示，配置AD9226为单端输入模式，电路采用AD芯片内部基准源，VREF引脚为基准电压输出口，可提供1V和2V的两种基准电压。通过SENSE引脚来进行选择，当SENSE引脚与GND相连时，基准电压为2V；当SENSE与VREF连接时，基准电压为1V。在本设计中，选用基准电压为2V，因此把SENSE引脚与GND相连接。另外为了扩大采样电压范围，在电路中利用2V的基准电压设计了衰减电路。衰减电路的作用就是将输入电压按照一定的比例进行减小，使其满足AD输入端的输入范围(AD9226输入端电压范围为1～3V)。本设计需要满足0～+5V的输入范围，在这里，设计输入范围为-5V～+5V，因此将-5V到+5V的电压减小到1V～3V的范围。

1)激励电路测试

将双通道激励电路板连接至FPGA核心板的I/O口，通过JTAG连接线下载程序，测试激励电路板性能。双通道激励板的1通道通过FPGA程序控制输出五周期汉宁窗调制的正弦信号，作为EMAT激励信号，2通道输出正弦信号，作为电磁铁励磁信号。分别将输出信号连接至示波器观察信号并存储数据，如图17所示。其中图a)为1通道信号输出的实验结果，b)为2通道实验结果。由图中波形曲线可以看出，输出信号较为光滑，信噪比较高，由图中频谱曲线可以得出，信号频率主要集中在5MHz附近。通过实验验证了双通道激励电路设计的合理性和可行性，证明了双通道激励电路板能够得到所需要的激励信号。

2)EMAT功放电路测试

搭建EMAT功率放大电路测试系统，系统采用KORAD电源供电，偏置信号和测试信号由函数发生器提供，两路信号通过函数发生器外触发实现信号同步。偏置信号设置为250kHz的脉冲方波信号，电压设置为3.3V，测试信号设置为频率为1MHz的2周期正弦信号，输出端连接至50Ω电阻，通过示波器观察并存储测试信号。测试结果如图18所示，通过功放电路板的最后输出信号，由于电压幅值较高，测试时采用衰减为100倍的探笔，将其连接至50Ω电阻两端，进行信号采集。观察功放输出信号，信号比较光滑，噪声较小，测量峰峰值可达1000Vpp，能够满足EMAT激励需求。

3)检测系统实验验证

将双通道激励电路的输出分别连接至EMAT功率放大电路和电磁铁功率放大电路，然后与换能器和电磁铁励磁线圈相连接，实验采用自激自收的连接方式，超声信号采集电路的信号输入口与EMAT功放电路板连接。磁信号采集通道通过信号线与霍尔传感器连接，测量电磁铁的磁信号，并计算得到磁场强度。电脑通过JTAG下载器将FPGA的控制程序下载至FPGA核心板中，采集得到的信号如图19所示，实验采用的钢板厚度为30mm，波速为3320m/s，由渡越时间分析可计算得到，出现的第一波包为第一次底面反射回波，第二个波包为第二次底面反射回波。由测试得到的实验结果证明设计的系统可行。