应用于激光-EMAT高温探伤的换能器

宋江峰，赵 扬，马 健，刘 帅

(山东省科学院激光研究所，山东济南 250014)

0 引言

激光-电磁超声是一种混合式的激光超声检测技术，一方面利用激光同时激励出纵波、横波以及表面波，另一方面利用EMAT传感器接收超声波，既克服了传统激光超声受被检测材料表面状态限制的问题，又突破了EMAT提离距离小于2 mm的限制。同时，与传统的压电探伤技术相比，最大的优势在于对试样的探测不需要接触，不需要耦合剂，省去对试样涂抹油剂和对试样表面氧化层处理的过程。这个优点能够将激光超声探伤技术的应用范围进一步扩大，应用到一些极端环境下的探伤检测。

换能器EMAT接收探头是激光超声探伤的核心部件。它主要由3部分组成：接收超声波的线圈，产生强磁场的永磁体和前置放大器(前放)。EMAT探头作为整个激光超声探伤设备的核心部件，其设计质量直接关系到试样的探伤效果。前置放大器主要用来对EMAT探头接收的缺陷信号进行放大、滤波和预处理，是EMAT探头的重要组成部分。EMAT接收探头由于存在换能效率低，随着提离试样表面高度的增加信号幅度成指数衰减等缺点，在设计中，需要设计一个参数较为严格的前置放大器。当然，改变接收信号质量还有其他途径，比如增加EMAT探头线圈匝数、增强静态磁场等，但这些方法较为复杂，成本高，不方便，不灵活。

1 前置放大器的设计需要考虑的问题

1．1阻抗匹配问题

换能器EMAT内部的接收线圈是将两个回形线圈拼接到一起，组成一个蝶形线圈，线圈的内阻约56 Ω，电感约156 μH。如图1。这种线圈设计方法能有效抑制共模噪声，提高信噪比，提高信号的接收效率和检测灵敏度。为了使线圈接收的信号更可能多地输入到前置放大器里，需要考虑线圈与前置放大器的阻抗匹配问题。

图1 EMAT探头内部接收线圈示意图

1．2放大倍数选择

EMAT探头的接收线圈接收到的信号强度满足公式：

U=kN/D2

式中：U为线圈输出的信号幅度；k为系数；N为线圈匝数；D为线圈和试样之间的距离。

EMAT本身换能效率不高，加之接收的信号幅度随距离的增大成指数衰减，要想得到能够后期处理的信号，必须对信号进行改善。根据实际情况，主要有2种方法：一是增加线圈的匝数及增加磁场强度，但是这两种方法受尺寸空间限制，设计上相对麻烦，不便采用；二是通过提高前置放大器的放大倍数。该方法简单可行，便于操作更改，灵活性好，提高空间大，但对放大器的设计提出了更高的要求。

EMAT探头内部线圈输出的信号强度，经过试验，在接收端EMAT紧贴钢坯的缺陷位置(约为30 mm×2 mm×3 mm的裂纹)时，EMAT探头内部线圈输出的信号幅度大约为几μV，当提离距离达到6 mm时，信号幅度大约为几个μV。为了保证最终能得到接近伏级的缺陷信号，放大器必须有足够的放大倍数。要实现这个目的，放大器总的增益要达到120 dB．但是120 dB增益放大器的设计难度很大，而且极易造成整个系统的不稳定。所以综合考虑可以将放大任务分为2部分实现，第一部分为前置放大器，增益大约为85 dB．第二部分则采用压控放大的设计方法，增益约为34 dB．

1．3带宽选择

EMAT探头接收的信号频率与激光脉冲的能量和长短、探测对象的材质、线圈本身的特性等因素有关，需要具体情况具体分析。针对连铸坯的缺陷信号，使用脉冲宽度15 ns，最大能量为150 mJ的激光器，经过初步测算，缺陷信号的能量主要分布在0.3～4 MHz的频率范围内。

为了尽可能地降低噪声干扰，降低设计难度，将前置放大器的上下截止频率设定在0.7～2.9 MHz．

2 前置放大器设计

2．1器件选型

2．2电路设计

前置放大器需要很高的放大倍数，需要放大的信号又很微弱，所以电路设计尽可能简单，尽可能降低本底噪声干扰，使用精度较高、温漂系数较小的电容电阻，以提高整个系统的稳定性。前置放大器采用三级放大，每级的增益分别约为32 dB、27 dB、26 dB，第一级将微信号尽可能放大，这样能最大程度地降低本底噪声。

前置放大器第一级设计较为关键，要实现阻抗匹配和增益放大的功能。良好的阻抗匹配能获取更多的信号能量，降低增益放大难度。增益放大能提高信号的抗干扰能力，为第二、三级信号放大降低难度，提高信噪比。第一级放大电路如图2所示。阻抗匹配主要通过与线圈并联一个电感和输入端两个电阻实现。根据LC谐振原理，计算公式：

C1=1/(2πLf2)

式中：L为线圈的电感值，156 μH；f为有用信号频率，约1 MHz．

计算得到C1约为162 pF．电阻R1和R2的数值等于线圈的内阻，设定为51 Ω，具体值还需要根据实验进行小幅调整。

图2 前置放大器第一级设计

前置放大器的第二级和第三级主要实现增益放大和带通滤波。FilterPro是用于设计有源滤波器的软件，该软件设计的滤波器跟实际电路比较接近，是一款很实用的软件。将需要的带通滤波器的参数输入到软件中，便可以自动生成电路图。缺陷信号的中心频率约1 MHz，设置单级放大器带通滤波的增益为27 dB，通带波动1 dB，阻带衰减-10 dB，得到的第二级电路图如图3所示。

图3 前置放大器第二级设计

前置放大器的第三级设计跟第二级设计基本一致。将三级放大器级联之后便形成了前置放大器的基本结构。虽然有成熟的设计软件可以借用，但电路生成之后依旧需要进行仿真实验，以便得到满足设计要求的前置放大器，并且能够稳定运行。

2．3仿真实验

Multisim是电路仿真软件。该软件内部有丰富的芯片仿真模型，操作简单，通过仿真能够减少实际调试的工作量。前置放大器经过Multisim仿真，反复调整参数，稳定工作时能够达到增益87 dB左右；得到的幅频特性曲线如图4所示。从仿真结果可以看出所设计的前置放大器幅频特性曲线满足设计要求，而后根据该仿真结果来设定实际电路的参数。由于仿真结果跟实际电路参数还有差别，需要在实际电路的调试中，根据测试的结果，对个别电容电阻参数还需要进行微调整。

图4 前置放大器仿真实验结果

2．4测试试验和结论

将EMAT探头置于钢坯的缺陷之上，使其距离钢坯表面的距离约为7 mm，在距离缺陷120 mm处用高能激光激励超声。图5是该试验的示意图。

图5 EMAT探头提离距离试验示意图

图6是EMAT探头接收的钢坯缺陷信号经过前置放大器输出的图像。从图6可以看出，缺陷信号出现在约42 μs处，以钢坯中表面波声速2 900 m/s计算，可以得到激励激光点的位置是121.8 mm，与试验前的测量距离基本一致，说明信号就是缺陷信号。同时可以看出，缺陷信号相对比较明显，但噪声信号相对很大。在试验中，可以通过多次平均的方式来降低信号的随机噪声，信噪比能够明显提高，但实时性会有所降低。

图6 探头检测到的缺陷信号

3 结论

高增益前置放大器设计中最常见的问题是自激振荡。自激振荡的常用解决方法有3种：第一种是增加系统负反馈，就是在各级放大器之间增加负反馈，这种方法系统稳定性好，但容易造成增益过渡下降，引起其他问题，设计也较为复杂；第二种就是在各级放大器之间增加限制电阻，同样能避免系统自激振荡，但缺点是降低了系统增益，而且限制电阻与系统的增益和带宽有相关性，不方便增益的调节；第三种就是在运算放大器电源处增加去耦合电容。

在实际调试中，前置放大器的增益较大，从而导致稳定性较差，很容易受到外界的干扰，所以在电路板的设计上要注意电源、接地和屏蔽的设计。这些设计能有效降低外部噪声串扰，提高前置放大器的输出信噪比和系统的稳定性。经过试验，电源采用稳压模块设计，传输线采用双屏蔽电缆，电路板使用屏蔽壳包裹能够很好地降低噪声。

文中所设计的前置放大器能够很好地放大有效信号。但在信噪比上还需要提高，同时前置放大器实际电路的带宽比Multisim仿真结果要窄，放大倍数也有所降低。这方面的性能还有待提高。总体还说，该前置放大器在提离距离达到7 mm时，依旧能够获得测试件的缺陷信号。

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作者简介：宋江峰(1983-)，实习研究员，硕士，主要从事激光超声探伤技术的研究工作。E-mail：s-j-f2008@163．com

赵扬(1982-)，助理研究员，博士，主要从事超声无损检测与评价的相关研究。E-mail：andyzhao@yeah．net