电磁超声传感器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)通过电磁耦合方式在金属表面激励和接收超声波，进而对构件缺陷进行探测和表征[1-3]．与传统超声相比，其具有非接触耦合、激发波型多样等优势，因而在恶劣工况检测和在线检测方面具有广泛的应用前景[4]，是近年来无损检测技术发展的热点方向．电磁超声传感器工作过程中，由于激励过程产生的一次磁场强度远大于接收过程中钢板产生的二次磁场[5-6]；因此，受激励时磁场冲激的影响，接收线圈中形成远大于超声回波信号的电压波动，在这个过程中的超声回波信号会被淹没而无法分辨，称作信号阻塞区．目前，关于电磁超声传感器接收信号阻塞区的研究相对较少，文献[7]通过优化回折线圈、避开与一次磁场的耦合产生电压波动，从而实现信号阻塞区的抑制．在同样基于电磁检测原理的核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)研究应用领域，通过接收线圈输入电路的设计优化，实现了信号阻塞区的抑制和调节[8-10]．本研究从EMAT的结构出发，根据信号阻塞区持续时间远大于激励停止时间、接收线圈-屏蔽板间距会对阻塞区时间产生影响的现象，对接收线圈两端电压衰减过程进行分析[11-12]；基于接收线圈-屏蔽板磁耦合机制建立等效模型，得到电压衰减过程表达函数及间距对阻塞区时间、频率影响规律；最后通过等效模型和阻塞区的参数实验测量进行验证．1 传感器结构及信号阻塞现象电磁超声传感器系统结构如图1所示，由永磁铁、激励线圈、接收线圈、屏蔽板构成．其中永磁铁提供静态偏置磁场，激励线圈用于在钢板表面激发感应涡流，静磁场与涡流耦合产生超声波，接收线圈用于感应超声回波产生的动态磁场，屏蔽板材质为铜，用于隔绝磁铁中的噪声干扰[13]．10.13245/j.hust.211201.F001图1电磁超声传感器系统结构当电磁超声传感器工作时，图2(a)为示波器采集得到激励电路产生的高压脉冲信号波形(t为时间；Ae为激励幅值)，图2(b)为接收线圈-屏蔽板间距为h1时接收线圈两端经过信号调理电路增益、滤波处理后的接收信号波形(Ar为接收幅值)．从图2中可以看出：超声回波信号之前存在信号阻塞区，结合图2(a)可知阻塞区时间远大于激励脉冲停止时间．根据线圈的储能特性，信号阻塞区可以分为两个过程：传感器激励时磁场冲激对接收线圈形成充能过程，激励停止后线圈中电压逐渐衰减形成能量释放过程，这两个过程中均会产生电压波动，且能量释放过程持续时间远大于充能过程．其他条件一定，当接收线圈-屏蔽板间距为h2(h2h1)时，图2(c)为采集得到的信号波形，与图2(b)相比可知信号阻塞区持续时间更长．可见，接收线圈与屏蔽板间距变化会对接收线圈中电压衰减过程产生较为明显的影响．因此，本研究从电磁超声传感器接收端结构(接收线圈-屏蔽板间距)出发，分析其对信号阻塞区的影响．10.13245/j.hust.211201.F002图2电磁超声传感器典型信号2 传感器接收端等效模型电磁超声传感器接收端结构包括接收线圈及屏蔽板．如图3(a)所示，当接收线圈中存在电压振荡时，周围存在交变的磁场，附近的屏蔽板产生反向涡流及涡流磁场．最终在屏蔽板的作用下，接收线圈两端的电压及其周围总磁感应强度均会降低．根据磁耦合原理，将接收线圈和屏蔽板之间的相互作用等效为图3(b)所示变压器模型，接收线圈为初级回路，包含电感L0、串联电阻R0、并联寄生电容C0．屏蔽板为次级回路，包含电阻R1和电感L1．10.13245/j.hust.211201.F003图3电磁超声传感器模型根据变压器原理，当初级回路存在电流输入时，由于次级回路的阻抗反射，如图3(b)所示，初级回路两端等效参数满足Leq=L0-ω2M2R02+(ωL1)2L1,Req=R0+ω2M2R02+(ωL1)2R1; (1)M=k(h)L0L1, (2)式中：Leq为等效电感；ω为频率；M为互感；Req为等效电阻；k(h)为接收线圈和屏蔽板之间的耦合因子，其大小与间距h成反比．随着h增大，互感M减小，等效电感Leq增大、等效电阻Req减小．因此，随着接收线圈-屏蔽板间距h变化，对应等效模型参数也发生改变．传感器激励过程中，接收线圈-屏蔽板受到激励端的磁场冲激，可以等效为图4所示电感Leq与激励端电感L的耦合，此时等效电感Leq两端的输入电压为Ui=keqULeq/L，式中：Ui为激励端电感L的输入电压；keq为L与Leq之间的耦合因子．当传感器激励停止时，等效回路两端电压Ui开始振荡衰减．根据基尔霍夫定律建立接收端回路的微分方程，可以得到α=Req/(2Leq); (3)f=ω02-α2/(2π); (4)U0(t)=Uie-αtcos(2πft), (5)式中：α为阻尼系数，与Req和Leq相关；f为谐振频率，与固有频率ω0和阻尼系数α相关；U0(t)为接收线圈两端电压衰减过程的时间响应函数；Ui为激励停止时接收线圈两端的感应电压．结合上文分析可以得到，当控制激励磁场冲激一定时(激励电压U及耦合因子keq保持不变)，随着接收线圈-铜背板间距h增大，U0增大，α减小，f减小，电压衰减速率和谐振频率降低，对应的电磁超声信号阻塞区持续时间增加、频率降低．10.13245/j.hust.211201.F004图4接收端感应磁场冲激模型3 实验验证3.1　等效模型参数测量为验证等效回路中的参数变化规律，采用阻抗分析仪对不同接收线圈-屏蔽板间距h下的等效元件参数进行测量．如图5所示，实验采用接收线圈参数为：内径din=6.00 mm，外径dout=32.00 mm，线径d=0.15 mm，匝数n=173．屏蔽板为40.00 mm×50.00 mm×0.10 mm纯铜板．阻抗分析仪(WK6500B)与接收线圈两端相连，接收线圈-屏蔽板布置如图3(a)所示，在h＝0.00～2.00 mm范围内，按照0.20 mm步长改变间距的大小，并进行扫频(20 Hz～5 MHz)测量．10.13245/j.hust.211201.F005图5接收线圈和屏蔽板经过校准处理后，得到接收线圈-屏蔽板不同间距h下的等效电阻Req、等效电感Leq和等效电容Ceq值见表1．10.13245/j.hust.211201.T001表1不同间距h下的等效元件参数h/mmLeq/mHReq/ΩCeq/nF0.000.19498.260.1290.200.20098.250.1730.400.20598.280.2180.600.22798.280.2360.800.24998.090.2581.000.27198.000.2571.200.29397.970.2591.400.31597.920.2631.600.33597.570.2711.800.35597.390.2702.000.37496.730.268根据测量结果可知：在0.00~2.00 mm内，随着间距h的增加，等效电感Leq由0.194 mH增大至0.374 mH，等效电阻Req由98.26 Ω减小到96.73 Ω，变化幅度较小，同时与等效模型分析所得规律相符合．对于等效电容Ceq，由于屏蔽板对线圈内部电流分布的改变，进而改变电场分布和匝间电容，因此实际测得等效电容Ceq随着间距h增大了一倍．电容的增大会使固有频率ω0减小，同样使振荡频率降低，因此不会影响阻塞区频率变化趋势．3.2　阻塞区参数计算及实验验证阻塞区时间t包含激励磁场的冲激过程持续时间t1和激励停止后接收线圈电压衰减过程持续时间t2．根据图2(a)所示传感器激励电压信号可知，激励磁场的冲激作用时间t1=2.98 μs．对于电压衰减过程持续时间t2，假设当接收线圈输出电压幅值为Ue时，阻塞区结束，则当间距为h时，衰减过程持续时间t2,h=-[ln(Ui,h/Ue)]/αh，其中接收线圈感应电压Ui,h=keqULeq,h/L．由于采集到的信号为经过增益调理电路后的电压，且阻塞区信号为超过调理电路输出极限的饱和电压，因此信号阻塞区中的电压输入绝对幅值难以测量，本研究以h=2.00 mm时阻塞区时间作为参考，则当间距为h时衰减过程时间为t2,h=t2,2.00lnLeq,h/Leq,2.00/αh，阻塞区时间长度为th=t1+t2,h，进而根据h=2.00 mm时的阻塞区时间，结合不同间距下测得的等效模型参数以及相对变化关系，可以得到对应的阻塞区时间长度，同时根据式(4)可以得到电压衰减过程谐振频率f．表2为将电磁超声传感器置于9.00 mm厚钢板上，调节接收线圈-屏蔽板间距的测得阻塞区时间t0，谐振频率为f0．根据上文所述计算过程，以h=2.0 mm时等效模型参数和测得阻塞区时间为参考，推算得到不同h下的理论相对信号阻塞区时间t及谐振频率f．10.13245/j.hust.211201.T002表2阻塞区参数测量和推算结果h/mmt0/μst/μs误差/%f0/MHzf/MHz误差/%0.0016.6516.82-1.031.0671.070-0.280.2016.3417.38-6.350.8510.854-0.400.4016.3817.75-8.370.7530.754-0.380.6019.2819.56-1.440.6830.687-0.510.8021.0621.43-1.750.6250.628-0.411.0022.5623.33-3.420.6010.603-0.381.2025.4825.121.070.5740.577-0.471.4028.0227.183.010.5510.553-0.411.6029.1228.990.450.5250.528-0.531.8030.1230.82-2.310.5100.514-0.612.0032.6832.680.5010.503-0.41根据表2可知理论推算得到信号阻塞区时间与实际测得时间最大误差为-8.37%，一般为5%以下，理论推算得到阻塞区振荡频率与实验测得振荡频率最大误差为-0.61%，结合图6中理论计算数据与实验测得数据曲线对比，可以认为：排除仪器测量过程中的干扰及等效模型可能引入的偏差，规律一致且趋势相同，因此信号阻塞区时间长度和谐振频率符合等效模型分析结果．10.13245/j.hust.211201.F006图6理论与实验阻塞区特性对比4 结语本研究针对电磁超声传感器信号阻塞区，通过等效模型的方法分析了传感器接收线圈-屏蔽板间距对阻塞区的影响规律，可知：电磁超声信号阻塞区主要为接收线圈受到激励强磁场冲激后的电压衰减过程；当把传感器接收端结构等效为R，L，C所构成回路时，受接收线圈-屏蔽板之间磁耦合机制的影响，随着接收线圈-屏蔽板间距增大，接收端等效模型中参数随之逐渐变化；信号阻塞区的持续时间、振荡频率变化与等效模型分析结果符合，接收线圈-屏蔽板间距越大，信号阻塞区持续时间增大、振荡频率降低．根据这一结论，可以实现电磁超声传感器设计过程中信号阻塞区及感应电压衰减速率的控制调节．本研究中采用线圈针对40 mm磁铁，0~4 mm提离范围电磁超声传感器选取，考虑了磁铁-线圈尺寸比、线圈匝数越多接收信号越强等因素．对于不同规格的传感器，受接收线圈半径、匝数等参数变化影响，阻塞区变化规律有所波动，但整体趋势相同．