CN1247979A - 改进的大脉冲信号过载矫正电磁声换能器 - Google Patents

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Abstract

一种EMAT装置利用分开的发射机和接收机EMAT,每一个EAMT都可通过条状线电缆连到调谐电容器。还可在线圈之间提供静电屏蔽,线圈可相互偏移线圈中节距的1/2。这样就缩减了大脉冲信号的持续时间,因而可使EMAT装置检测非常靠近线圈的构件。

Description

改进的大脉冲信号过载矫正电磁声换能器
本发明涉及使用电磁声换能器(EMAT)来测试材料，尤其涉及使用EMAT进行非破坏性测试的有用的新方法和设备，该EMAT避免了“大脉冲信号(mainbang)”问题，即高能发射机脉冲所产生电干扰引起的EMAT接收机过载。
在大多数情况下，已有技术的EMAT测试系统使用同一个EMAT线圈来发射波和接收反射的波。在某些情况下，为了减小调谐电路的Q值，把电阻加到EMAT线圈增加电阻，从而缩减大脉冲信号或过载信号的持续时间，但同时也减小了信号幅度和信噪比。在其它情况下，对于发射和接收使用分开的非重叠线圈。这样可能因线圈不在同一位置发射和接收而产生问题。
在使用EMAT进行非破坏性测试时，靠近EMAT通常存在因大脉冲信号而不能接收到反射波的区域。大脉冲信号是发射机脉冲在接收机输出端产生的一种大信号。此信号大得使接收机完全过载，因而接收机在此期间不能检测任何反射波。大脉冲信号的持续时间包括发射脉冲的长度以及紧接在发射后的一段时间，在这一段时间内，发射脉冲衰减到足以不再干扰检测反射波的程度。目前，大脉冲信号的持续时间明显地阻碍了EMAT的许多潜在的应用。
本发明的一个目的是缩减基于EMAT的系统中大脉冲信号的持续时间。经过测试，依据本发明的方法和设备把大脉冲信号的持续时间缩减到二分之一。
本发明的另一个目的是通过对发射和接收穿过待测试工件的EMAT波使用分开的线圈，通过把这两个线圈之间的耦合减到最小，并通过分开和隔离发射机和接收机电子线路，达到减小大脉冲信号。这样减小了用于使EMAT线圈与EMAT电子线路匹配的调谐电路的Q值。
通过构成发射和接收的线圈分开的EMAT以及在发射机线圈和接收机线圈之间加上静电屏蔽，大大减小了大的发射脉冲与接收机线圈的电容性耦合。通过使用诸如钛等电阻率高的非磁性金属或者诸如铜等高度导电的非磁性金属构成的非常薄的层来形成静电屏蔽，在此屏蔽层中蚀刻缝隙以防止在屏蔽层中产生涡电流，这种电流将使实际的EMAT信号发生衰减。对于弯曲形线圈的EMAT，发射机EMAT线圈与接收机EMAT线圈偏移了线对线间隔的一半或者波的四分之一波长，从而使这两个线圈之间的磁性耦合减到最小，也缩减了大脉冲信号的持续时间。
为了对EMAT线圈优化功率传递，通常通过与其平行地放置电容器使EMAT线圈的电感发生谐振。通过选择电容器使电感在所需的工作频率下发生谐振，从而阻抗变为实数，可最大限度地把功率传递到EMAT线圈的电阻。通常，在EMAT线圈与匹配网络之间连接相当长度的电缆。一般，这些电缆给EMAT电路加上了相当的电感和较小的附加电阻。这样将增大Q值，此Q值定义为电感性阻抗(ZL＝2πfL)除以电路的电阻(Q＝ZL/R)。Q值越高导致调谐电路在去除激励驱动后的“减幅振荡”时间较长，从而造成大脉冲信号的持续时间增加。
通过把调谐电容器放置得尽可能靠近EMAT线圈，并用印刷的软性电路条状线(stripline)把EMAT线圈连到电容器，可把附加电感减到最小。通过把两条细铜条放置在诸如Kapton(聚酰胺塑料)等薄的软性塑料的两侧来构成软性条状线。例如，铜条可以是0.25″宽0.001″厚，Kapton塑料为0.001″厚。这提供了Q值低得多的谐振电路，从而使大脉冲信号的持续时间缩减，同时提供相同或稍稍提高的信噪比(通过减小连接电缆的电阻)。使用这些技术的组合，基本上可缩减脉冲信号的持续时间。
测试表明，与使用同一线圈来进行发射和接收不同，使用本技术可把大脉冲信号的持续时间缩减到二分之一。此外，已发现本技术在减小对电噪声的敏感度方面非常有效。静电屏蔽用于防止把该部分上的电噪声电容性地耦合到接收机EMAT线圈。
或者，可用印刷电路技术来构成或者使用手绕线圈通过手工来构成线圈和屏蔽。静电屏蔽可以是在铜上有窄的缝隙的铜层，以防止在铜层中产生涡电流，从而防止磁性耦合的EMAT信号的衰减。
相应地，本发明的一个方面是提供一种EMAT装置，它包括具有相对的线圈端的至少一个EMAT线圈、调谐电容器以及连接在线圈端与电容器之间用以把线圈与电容器之间的损耗减到最小的条状线电缆。
本发明的一个方面是提供通过静电屏蔽而相互分开的发射机EMAT和接收机EMAT。
本发明的另一个方面是提供这样的装置，其中每个分开的线圈具有以某一节距分开的多节，线圈相互偏移一半节距或者偏移要从发射机线圈发射的波的四分之一波长。
本发明的再一个方面是提供一种EMAT装置，它包括连到接收机EMAT线圈的前置放大器以及EMAT电子线路与发射机EMAT线圈之间用以产生声信号的匹配网络。
在附属于本公开并构成其一部分的权利要求书中指出了表示本发明特征的各种新特征。为了更好地理解本发明、其操作上的优点及其使用所获得的具体效果，参考附图和说明本发明较佳实施例的描述。
在图中：
图1是依据本发明的相互偏移的一对EMAT线圈的平面俯视示意图；
图2是依据本发明的EMAT线圈与调谐电容器的等效电路；
图3是依据本发明的EMAT装置的示意分解图；
图4是依据本发明其间有静电屏蔽的接收机EMAT和发射机EMAT的侧仰视图。
参考附图，在这些图中相同的标号表示相同或在功能上类似的元件，参考图1，其中实施的发明包括改进的EMAT装置，该装置使用各种技术来缩减大脉冲信号的持续时间，从而能用该EMAT装置来检查非常靠近EMAT线圈的构件。
已对本发明进行了测试，具体应用2.25MHz的EMAT来检测管状产品的纵向缺陷。把大脉冲信号的持续时间从大于20毫秒减小到小于11毫秒。静电屏蔽也消除了来自被测试部分的EMI干扰。
EMAT是效率低的超声波发生器和接收机。通常，把1000伏的单音(tone)短脉冲串加到EMAT线圈可能导致接收到的信号只有1毫伏。为了获得信噪比足够的信号，必须使用非常大的发射脉冲和非常敏感的接收机。还需要仔细地调谐EMAT线圈并使之与发射机和接收机的电子线路匹配，以保证最大的功率传递。从电学上来说，EMAT线圈表现为图2所示与电阻器R串联的电感器L。当EMAT线圈中的发射机电流最大时获得最大信噪比，这发生在从发射机电子线路传递到EMAT线圈电阻的功率最大时，因为p＝I2R，这里P＝功率，I是EMAT线圈中的电流，R是线圈电阻。为了使功率传递最大，必须中和EMAT线圈的电感，并对阻抗进行变换以与使发射机电子线路产生最大功率的电阻匹配。一般，这是通过把一电容器C与EMAT线圈并联从而使EMAT电路在所需的工作频率下谐振来实现的。近似地给出这种电路的谐振频率f0为：
f0≈1/(2π(LC)1/2)。
调谐电路具有在此谐振频率f0下为实数(表现为电阻性)的阻抗Z，给出其值为：
Z≈(2π(f0L)2/R。这里，R为EMAT线圈的电阻。使用变换器使该阻抗与发射机匹配，从而经变换的阻抗与最佳发射机负载电阻匹配。通过电容器使EMAT线圈谐振，并通过变换器对其进行匹配，可把接近于100％的发射机功率传递到EMAT线圈电阻。
然而，调谐电路的副作用是，在发射脉冲停止后，电路将继续在谐振频率下振荡一段时间。这种振荡的幅度呈指数衰减。由谐振电路的Q值来确定衰减速率。Q值越高，则谐振电路减幅振荡的时间越长。Q值越低，则该振荡衰减得越快。给出Q值为：
Q＝2πf0L/R。
在给定的频率下，以电路的电感除以电路的电阻的比值来确定Q值。电压振荡的幅度以下式给出的速率衰减：
V(t)＝V0e-tR/2L＝V0e-tω/2Q这里：
ω＝2πf0。
通过增高频率并降低Q值来增大衰减速率，从而缩减大大脉冲信号的持续时间。假设使用同一EMAT线圈来发射和接收，可估计大脉冲信号的持续时间。大脉冲信号的持续时间是发射脉冲的长度加上电压衰减到低于接收机的噪声底值所需的时间。当发射机的振荡幅度落到低于接收机的噪声底值，则不可能再检测该幅度。可把大脉冲信号的持续时间表示为：
t大脉冲信号＝t发射+2Q/ωln(V发射/V噪声)。
例如，典型的EMAT系统以以下参数操作：1000伏峰-峰值发射单音短脉冲串、4毫秒发射脉宽、2MHz的频率、为5的Q值以及峰-峰值为2毫伏的接收机噪声底值。使用这些值，计算得到大脉冲信号的持续时间为20毫秒。这与测试期间观察到的实际大脉冲信号持续时间非常一致。对于切变(shear)波测试，这相当于近似为1″的死区。
通过使用分开的线圈来进行发射和接收，可大大地减小发射机脉冲在接收机线圈上感应的电压。大多数EMAT设备利用弯曲形线圈。图1示出一EMAT弯曲形线圈装置，其中发射机线圈10和接收机线圈12偏移1/4波长(D/2)。由于发射机EMAT线圈中电流方向交替变化，所以接收机线圈偏移1/4波长使线圈之间的电磁耦合减小到接近于零。通过把图4所示非常薄的高电阻率金属屏蔽14置于两个线圈10和12之间，并如图3所示把它连到前置放大器15处的公共地端16而接地，从而几乎可消除两个线圈之间的电容性耦合。
这样导致发射机线圈10在接收机线圈12上感应的信号大大衰减。所感应的发射机信号减小60dB(减小到千分之一)导致先前例子中的大脉冲信号持续时间为14.4毫秒，这相当于大脉冲信号死区显著减小。
依据本发明减小大脉冲信号持续时间的第二方法是降低调谐EMAT电路的Q值。这样做的一个方法是加上与EMAT线圈串联的电阻。这样具有减小Q值的所需效果，但也减小了可获得的信噪比。然而，在许多应用中，为了取得大脉冲信号持续时间的缩减，信噪比的某些损失是可以容忍的。在大多数应用中，用电缆把EMAT匹配和调谐电子线路连到EMAT线圈。把电缆的电感和电阻加到EMAT线圈的电感和电阻上。然而，应注意电缆引起的任何电阻会减小对EMAT线圈的功率传递。在某些情况下，电缆所加的电感基本上可能比EMAT线圈本身的电感大几倍。这将增大调谐电路的Q值，导致大脉冲信号的持续时间增加。实验表明，通过调谐EMAT尽可能靠近EMAT线圈，可获得Q值为2或更小。
使用图3所示的条状线结构可获得电阻和电感非常低的电缆。通过使直接相互跨接的两条宽线20和22在薄的软性塑料层24的两侧上延伸来形成条状线18。通过一段短的条状线18把EMAT线圈10或12连到调谐电容器C，使非常小的附加电感和电阻加到EMAT线圈的电感和电阻。这样使得把功率有效地传递到EMAT线圈，并把谐振电路的Q值保持在尽可能低而不牺牲信噪比。使用的Q值为2，且假设接收机线圈上感应的发射机信号的衰减60dB，计算得到大脉冲信号的持续时间值为8.2毫秒。这样明显地改善了大脉冲信号的持续时间，相当于切变波测试的死区仅为1/2″。公知的EMAT电子线路30在其输出端32产生发射机信号，通过匹配网络34和电缆18把该信号提供给发射机线圈10。在线圈12处反射的波产生一信号，沿另一电缆18把该信号提供给前置放大器15，该前置放大器的引出线连到电子线路30的接收机输入端36。
为了测试本发明，使用标准实验室EMAT电子线路30来装配实验设备。装配分开的EMAT发射机线圈10和接收机线圈12。用分开的电子线路附件34分别对EMAT发射机线圈10和用于接收机EMAT线圈12的前置放大器15进行匹配。通过把两个EMAT线圈分开较大的距离，可进行检查来证明发射脉冲未通过电子线路而明显地耦合到前置放大器和接收机电路。这证明了大脉冲信号的源耦合在发射线圈和接收机线圈之间。
测试两个弯曲线圈EMAT之间的耦合。用粘合剂把弯曲线圈EMAT装到铝板上。把频谱分析仪的跟踪信号发生器输出端经由用于隔离的1∶1RF变换器连到EMAT线圈之一。把同样的第二EMAT线圈置于第一EMAT线圈上方并经由1∶1变换器连到频谱分析仪的高阻抗输入端。所有的测量在2MHz下进行。在发射机EMAT线圈的两端产生6.3mV r.m.s.的信号。如果两个线圈精确对准，则在接收机EMAT线圈的末端测得2.32mV r.m.s.的信号。通过把接收机EMAT线圈相对于发射机EMAT线圈移动，可获得接收机线圈电压为零。这个零是在两个EMAT线圈如图1所示对准时相当快地发生的，此时接收机EMAT线圈的笔直部分精确地在发射机EMAT线圈的笔直部分之间。在变为零时，测得来自接收机EMAT线圈的信号为14mV r.m.s。这比发射机线圈两端的电压小450倍。
使用以上所述的原理，把EMAT线圈设计成用作测试管状产品的检查系统的一部分。把具有耐久的表面涂层的发射机印刷电路弯曲线圈置于靠近待测试的部分或工件40。把一层0.0005″厚的高电阻率金属14置于发射机线圈10上方。用一层薄(0.0005″厚)的Kapton绝缘体(未示出)使线圈与屏蔽层绝缘。接着，把相同的被绝缘接收机线圈12置于屏蔽层上方，如图1所示偏移1/4波长。屏蔽层电气连接到前置放大器公共地端16。新的设计进行得非常好。在测试电子线路的显示器中清楚地示出来自管状样品40中EDM(电致放电机)缺口的反射。该电子线路具有消除来自接收机输出的大脉冲信号的电路。由测试设备的发射机电子线路控制屏中的“大脉冲信号消除”(Main Bang Blanking)调整来设定此消除的持续时间。使用11毫秒的调整值来完全消除大脉冲信号。这使得可容易地检测到来自管状样品中缺口的反射。此外，接收机线圈下的金属层用于使接收机线圈对电磁噪声屏蔽。此EMAT线圈设计已应用于轧钢厂而且有良好的效果。消除了电磁噪声，而且短的大脉冲信号使得系统完全可对壁厚小到0.150″的管状样品起作用。
从先前的装置中知道了典型的大脉冲信号的持续时间。在此情况下，使用相同的线圈来进行发射和接收。在EMAT线圈与发射机匹配网络/前置放大器之间使用约3′长的电缆。显示器使用表面波线圈示出来自板边缘的反射。必须使用22毫秒的大脉冲信号消除调整值来消除大脉冲信号。
依据本发明，EMAT可明显地缩减大脉冲信号的持续时间，继而减小由大脉冲信号所产生的检查死区，其方法是：
1.发射机和接收机使用分开的线圈。
2.使接收机前置放大器对发射机匹配电子线路屏蔽。
3.使接收机线圈对发射机线圈偏移1/4波长(可用的)。
4.通过把调谐电容器置于尽可能靠近EMAT线圈处来调谐EMAT线圈，并把它与一段短的条状线电缆段相连。
在螺旋形线圈EMAT的情况下，除了不可能使接收机线圈对发射机线圈偏移1/4波长以外，与上文所述相同的技术也是有效的。
已证明把大脉冲信号的持续时间减到最小的这些技术是非常有效的。已把减小大脉冲信号的这些技术应用在设计用于检查管状物品的系统中。大脉冲信号的减小导致对于壁厚薄到0.150″的管子有极好的裂纹检测能力。本发明还应用在开发用于检测锅炉管子中腐蚀疲劳开裂的系统。大脉冲信号的减小将导致有能力使用靠近膜片的EMAT来检测来自膜片焊接的裂缝。所有的EMAT的新设计应包括可能的新技术。
虽然已详细地表示和描述了本发明的具体实施例来说明本发明原理的应用，但应理解，本发明可以其它方式来实施而不背离这些原理。

Claims (19)

1.一种EMAT装置，其特征在于包括：
具有相对的线圈端的至少一个EMAT线圈；
调谐电容器；
连接在线圈与电容器之间的条状线电缆。
2.如权利要求1所述的EMAT装置，其特征在于包括靠近所示一个EMAT线圈的另一个EMAT线圈、另一根调谐电容器以及连接在所述另一个线圈和所述另一个调谐电容器之间的另一根条状线电缆，所述另一个EMAT线圈具有相对的线圈端，所述至少一个EMAT线圈包括发射机线圈，所述另一个线圈包括接收机线圈。
3.如权利要求2所述的EMAT装置，其特征在于包括所述线圈之间的静电屏蔽。
4.如权利要求3所述的EMAT装置，其特征在于所述线圈中的每一个都具有分开某一节距的多节，所述线圈相互偏移节距。
5.如权利要求4所述的EMAT装置，其特征在于包括连接在所述线圈之间的电子线路、连接在接收机线圈与EMAT电子线路输入端之间的前置放大器以及连接在EMAT电子线路的输出端与发射机线圈之间的匹配网络，所述电子线路具有把一信号提供给发射机线圈的输出端以及接收来自接收机线圈的信号的入口。
6.如权利要求1所述的EMAT装置，其特征在于条状线电缆包括第一和第二导体以及所述导体之间的绝缘层，所述第一导体连接在所述线圈的一端与所述电容器的一端之间，所述第二导体连接在所述线圈的另一端与所述调谐电容器的另一端之间。
7.一种EMAT装置，其特征在于包括：
发射机EMAT线圈；
靠近发射线圈的接收机EMAT线圈；
所述线圈之间的静电屏蔽。
8.如权利要求7所述的EMAT装置，其特征在于所述线圈中的每一个都具有分开某一节距的多节，所述线圈相互偏移节距。
9.如权利要求7所述的EMAT装置，其特征在于包括连接在所述线圈之间的电子线路、连接在接收机线圈与EMAT电子线路输入端之间的前置放大器以及连接在EMAT电子线路的输出端与发射机线圈之间的匹配网络，所述电子线路具有把一信号提供给发射机线圈的输出端以及接收来自接收机线圈的信号的入口。
10.如权利要求7所述的EMAT装置，其特征在于包括连到每个线圈用以把调谐电容器连到每个线圈的条状线电缆，所述电缆包括第一和第二导体以及所述导体之间的绝缘层，所述第一导体连接在一线圈的一端与所述电容器的一端之间，所述第二导体连接在所述线圈的另一端与所述调谐电容器的另一端之间。
11.一种EMAT装置，其特征在于包括：
发射机EMAT线圈，具有分开某一节距的多节；
靠近发射线圈的接收机EMAT线圈，接收线圈具有分开某一节距的多节，所述线圈相互偏移节距的一半。
12.如权利要求11所述的EMAT装置，其特征在于包括连接在所述线圈之间的电子线路、连接在接收机线圈与EMAT电子线路输入端之间的前置放大器以及连接在EMAT电子线路的输出端与发射机线圈之间的匹配网络，所述电子线路具有把信号提供给发射机线圈的输出端以及接收来自接收机线圈的信号的入口。
13.如权利要求11所述的EMAT配置，其特征在于包括第一和第二导体以及所述导体之间的绝缘层的条状线电缆，所述第一导体连接在各线圈的一端与所述电容器的一端之间，所述第二导体连接在所述线圈的另一端与所述调谐电容器的另一端之间。
14.一种EMAT装置，其特征在于包括：
发射机EMAT线圈，具有分开某一节距的多节；
用于把信号加到所述发射机线圈以把波发射到工件的装置，所述波具有某一波长；
靠近发射线圈用以接收从工件反射的波的接收机EMAT线圈，所述接收线圈具有分开某一节距的多节，所述线圈相互偏移节距的一半。
15.一种EMAT装置，其特征在于包括：
发射机EMAT线圈；
靠近发射线圈的接收机EMAT线圈；
具有连到所述接收线圈的输入端还具有输出端的前置放大器；
具有连到所述发射线圈的输出端的发射机匹配网络；
EMAT电子线路，具有把发射机信号加到所述发射机线圈的所述网络用的输出端以及连到所述前置放大器的输出端以接收所述接收机线圈所接收反射波的相应信号的输入端。
16.一种缩减具有发射机线圈和接收机线圈的EMAT装置中大脉冲信号的持续时间的方法，其特征在于所述EMAT装置具有用于把发射机输出提供给发射机线圈以在工件中产生波的EMAT电子线路，所述EMAT电子线路具有输入端，用于接收来自接收机线圈的所述接收机线圈所接收反射波的相应信号，所述方法包括通过条状线电缆把调谐电容器连到至少一个线圈的步骤。
17.如权利要求16所述的步骤，其特征在于包括把静电屏蔽置于线圈之间的步骤。
18.如权利要求16所述的步骤，其特征在于每一个线圈具有分开某一节距的多节，所述方法包括使线圈相互偏移节距的步骤。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于包括以下步骤：
在EMAT电子线路的输出端与发射机线圈之间连接匹配网络；
在接收机线圈与EMAT电子线路的输入端之间连接前置放大器。
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