一种低噪声的收发一体电磁超声换能器及其工作方法

1.一种低噪声的收发一体电磁超声换能器，其特征在于：由待测试件（1），印制电路板（2），发射线圈（3），永磁铁（4）和接收线圈（5）组成，所述发射线圈（3）与接收线圈（5）设置在同一个印制电路板（2）的不同层上且交替设置在不同的层，永磁铁（4）放置在发射线圈（3）和接收线圈（5）上面，所述发射线圈（3）和接收线圈（5）共用一块永磁铁（4）来提供偏置磁场，所述发射线圈（3）发射信号的同时，所述接收线圈（5）感应激励信号；
发射线圈（3）和接收线圈（5）放置在待测试件（1）上，发射线圈（3）与外部功率放大器连接，用于在待测试件（1）内部产生超声波，接收线圈（5）与外部信号调理电路连接，用来检测待测试件（1）中的超声振动；所述发射线圈（3）与接收线圈（5）的长度L2是永磁铁（4）的长度L1的1.2倍以上。
2.如权利要求1所述的低噪声的收发一体电磁超声换能器，其特征在于：所述发射线圈（3）中导线之间的间隔距离为所要激发的超声波的半波长。
3.如权利要求2所述的低噪声的收发一体电磁超声换能器，其特征在于：所述发射线圈（3）中导线的各个横截面的面积一样。
4.如权利要求3所述的低噪声的收发一体电磁超声换能器，其特征在于：所述接收线圈（5）中导线的各个横截面的面积一样。
5.如权利要求3或者4所述的低噪声的收发一体电磁超声换能器，其特征在于：所述发射线圈（3）和接收线圈（5）在相邻半波长导线之间回折部分为圆弧形。
6.一种基于权利要求1‑5任一所述低噪声的收发一体电磁超声换能器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由与功率放大器连接相连接的信号发生器产生猝发激励信号，激励信号经功率放大后施加到发射线圈（3）上，发射线圈（3）在待测试件（1）上感应出电涡流，电涡流在永磁铁（4）产生的静态偏置磁场作用下在待测试件（1）中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用于待测试件（1）中产生超声波；
步骤二：超声波在待测试件（1）中传播，遇到缺陷或者边界后反射回波信号，当回波经过接收线圈（5）下方时，待测试件（1）内部的粒子运动切割永磁铁（4）产生磁力线而产生电流形成动态电场，动态的电场又产生动态磁场，接收线圈（5）在动态磁场作用下产生动态电流信号，动态电流经信号调理电路调理后用来检测待测试件（1）中的超声振动。

一种低噪声的收发一体电磁超声换能器及其工作方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种低噪声的收发一体电磁超声换能器及其工作方法。\n背景技术\n[0002] 电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)是一种激发和接收超声波的装置。该装置无需声耦合剂，结构简单，可以方便地激发多种模式的超声波，可实现非接触测量，因此广受研究者关注。电磁超声换能器主要由3部分构成：发射、接收线圈，磁铁及待测试件。由于电磁超声换能器的换能效率比较低，激发出的超声信号极其微弱，导致接收到的信号的信噪比较低，容易受到干扰，导致测量时易产生误判，将干扰信号当作缺陷信号。回折线圈被广泛应用作为超声换能器的激发和接收线圈，在制作过程中，相邻半波长距离的线圈导线之间都是采用直角走线，而直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续，直角走线的对信号有三个方面的影响：一是拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间；二是阻抗不连续会造成信号的反射；三是直角尖端产生的EMI，使得待测试件上产生的电涡流分布不均匀，从而导致超声激发时的强度分布不均，影响检测效果。另一方面，现有采用回折线圈作为激励线圈的电磁超声换能器，磁铁的长度和宽度均大于线圈的长度和宽度，由于磁铁的长度大于导线的长度，使得回折线圈相隔半波长距离的导线之间的连接导线也引起待测试件内产生超声波，当换能器既作为发射也作为接收时，接收到的信号中就会包含有这一部分超声信号，这一部分信号就成为了我们所不希望的噪声，在用于测量宽度较小的试件时，这种噪声的影响尤为明显。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提供一种单磁铁、收发一体、且接收和发射线圈分立的应用于窄板检测的电磁超声换能器，减少由于侧边线圈产生的超声信号噪声对测量结果影响。\n[0004] 本发明采用如下技术方案：一种低噪声的收发一体电磁超声换能器，由待测试件，印制电路板，发射线圈，永磁铁和接收线圈组成，所述发射线圈与接收线圈设置在同一个印制电路板的不同层上且交替设置在不同的层，永磁铁放置在发射线圈和接收线圈上面，所述发射线圈和接收线圈共用一块永磁铁来提供偏置磁场，发射线圈和接收线圈放置在待测试件上，发射线圈与外部功率放大器连接，用于在待测试件内部产生超声波，接收线圈与外部信号调理电路连接，用来检测待测试件中的超声振动。\n[0005] 进一步地，所述发射线圈与接收线圈的长度L2大于永磁铁的长度L1。\n[0006] 进一步地，所述发射线圈与接收线圈的长度L2是永磁铁的长度L1的1.2倍以上。\n[0007] 进一步地，所述发射线圈中导线之间的间隔距离为所要激发的超声波的半波长。\n[0008] 进一步地，所述发射线圈中导线的各个横截面的面积一样。\n[0009] 进一步地，所述接收线圈中导线的各个横截面的面积一样。\n[0010] 进一步地，所述发射线圈和接收线圈在相邻半波长导线之间回折部分为圆弧形。\n[0011] 本发明还采用如下技术方案：一种低噪声的收发一体电磁超声换能器的工作，包括如下步骤：\n[0012] 步骤一：由与功率放大器连接相连接的信号发生器产生猝发激励信号，激励信号经功率放大后施加到发射线圈上，发射线圈在待测试件上感应出电涡流，电涡流在永磁铁产生的静态偏置磁场作用下在待测试件中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用于待测试件中产生超声波；\n[0013] 步骤二：超声波在待测试件中传播，遇到缺陷或者边界后反射回波信号，当回波经过接收线圈下方时，待测试件内部的粒子运动切割永磁铁产生磁力线而产生电流形成动态电场，动态的电场又产生动态磁场，接收线圈在动态磁场作用下产生动态电流信号，动态电流经信号调理电路调理后用来检测待测试件中的超声振动。\n[0014] 本发明具有如下有益效果：本发明低噪声的收发一体电磁超声换能器，通过改变换能器线圈的结构形式，可以达到以下效果：增加激发线圈导线长度，使得线圈侧面的回折部分所产生的电涡流减少永磁铁的静态偏置磁场影响，从而降低由于侧面线圈产生的超声杂波干扰，提高信噪比；将发射线圈和接收线圈设计在同一块PCB上，发射线圈和接收线圈的导线重叠且交替在不同的层上布置，可实现发射和接收共用同一永磁铁来提供偏置磁场，发射线圈发射信号时，接收线圈就能感应到激励信号，记录下超声波发射的时间，避免了共用一个线圈发射和接收超声波的情况下，先将发射线圈接到激励电源发射信号，发射完信号后再将线圈通过切换开关切换到接收电路上，将原来的发射线圈作为接收线圈，所带来的接收信号在时域内时间尺度上没有参考点的发射时间点，以及电路切换带来延时误差的问题；发射线圈和接收线圈在间隔半个波长的导线间的回折处采用圆弧结构，使得发射线圈和接收线圈导线截面面积保持一致，阻抗连续，减少电磁干扰所带来的噪声。\n附图说明\n[0015] 图1为本发明电磁超声换能器的剖面图。\n[0016] 图2（a）、图2（b）为发射线圈与接收线圈的长度与永磁铁长度对比图。\n[0017] 图3（a）、图3（b）为传统线圈与本发明线圈结构比较图。\n[0018] 具体实施方\n[0019] 下面结合附图对本发明做进一步说明。\n[0020] 本发明低噪声的收发一体电磁超声换能器由待测试件1，印制电路板（PCB）2，发射线圈3，永磁铁4和接收线圈5组成，发射线圈3与接收线圈5设置在同一个多层印制电路板2的不同层上且交替设置在不同的层，永磁铁4放置在发射线圈3和接收线圈5上面，发射线圈\n3和接收线圈5共用一块永磁铁4来提供偏置磁场，发射线圈3和接收线圈5放置在待测试件1上，发射线圈3与外部功率放大器连接，用于在待测试件1内部产生超声波，接收线圈5与外部信号调理电路连接，用来检测待测试件1中的超声振动。\n[0021] 发射线圈3与接收线圈5设置在同一个多层印制电路板2的不同层上且交替设置在不同的层，发射线圈3与接收线圈5独立工作，同一个换能器既可以发射超声波，也可以接收超声波，避免了单线圈换能器既作为发射线圈又作为接收线圈用时复杂的切换控制电路，减少电路切换所带来的时差。发射线圈3与接收线圈5的长度L2大于永磁铁4的长度L1，且发射线圈3与接收线圈5的长度L2是永磁铁4的长度L1的1.2倍以上，即导线回折边在永磁铁4外，将永磁铁4放置在导线的中间部位，当激励电流通过发射线圈3与接收线圈5时，发射线圈3与接收线圈5在间隔半波长导线间回折部分导线所产生的电涡流不受永磁铁产生的静态偏置磁场的作用而产生超声波噪声。\n[0022] 发射线圈3用于产生超声波的导线之间的间隔距离为超声波的半波长，且导线之间回折处采用与导线宽度等截面的圆弧连接，导线的各个横截面的面积一样，导线截面积均匀一致，避免相距半波长导线间的连接采用直角转折引起导线截面积变化而引起导线阻抗改变，同时消除回折尖角处的电荷集中引起的电磁干扰，减少噪声。\n[0023] 检测时，由信号发生器产生猝发激励信号，激励信号经功率放大后施加到发射线圈3上，发射线圈3在待测试件1上感应出电涡流，电涡流在永磁铁4产生的静态偏置磁场作用下在待测试件1中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用于待测试件1中产生超声波；超声波在待测试件1中传播，遇到缺陷或者边界后反射回波信号，当回波经过换能器下方时，待测试件1内部的粒子运动切割永磁铁4产生的磁力线而产生电流形成动态电场，动态的电场又产生动态磁场，接收线圈5在动态磁场作用下产生动态电流信号，动态电流经信号调理电路调理后作为检测的依据。图2所示，电磁超声换能器的发射线圈3与接收线圈5的长度L2是永磁铁4长度L1的1.2倍以上，导线回折边在永磁铁4外，从而避免导线回折边在静态偏置磁场作用下产生无用的干扰杂波。图3（a）为传统的线圈，其回折处是采用直线，回折处会产生尖角，导线在回折处的界面积变大，导线阻抗变化，且尖角处产生电荷积聚；3（b）为本发明所设计的线圈，回折处的导线设计成半圆弧状，导线在回折处的截面积不变，导线各横截面的阻抗一致，从而减少信号的反射。由于没有了回折处的尖角，因此避免由于电荷集肤效应导致电荷在尖角处积聚而引起的电磁干扰，从而提高电磁超声换能器的信噪比。\n[0024] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。