差分式电磁超声传感器及检测系统的制作方法

本发明涉及超声无损检测领域，具体而言，涉及一种差分式电磁超声传感器及检测系统。

背景技术：

电磁超声检测技术通过利用电磁超声传感器(EMAT)实现换能，与传统的超声检测技术相比，电磁超声检测技术具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适于在线快速检测和高温检测等优点，在工业上广泛应用于高温测厚、在线检测、快速探伤等。

电磁超声传感器利用电磁耦合的方式，可以实现超声的激励和接收，其主要的缺点在于换能效率较低、容易受提离(电磁超声传感器与被检工件的间隙)等因素的影响。因此，设计高换能效率的电磁超声传感器是电磁超声检测技术的关键所在。

目前通用的电磁超声传感器主要由磁铁、高频线圈、外壳组成，其中高频线圈是电磁超声传感器实现换能的关键部件。高频线圈在电磁超声激励过程中，可以产生涡流和动态磁场，在接收过程中，可以感应电磁场的变化从而感生电流。现有技术中，在役的电磁超声传感器中的高频线圈多采用基于单端信号的单线绕线方式绕制而成，如图1a、图1b中所示，其中，图1a为高频线圈的俯视图，图1b为图1a中示出的高频线圈的立体图。对单线绕制线圈的激励方式为单端信号激励方式，如图2所示，单端激励信号的峰峰值电压Upp＝2V₀，信号的周期数为N。在激励时的激励信号在信号线和地线中的传输方向如图1a所示，在接收时接收信号在信号线和地线中的传输方向如图1b所示。采用单线绕制线圈的方式具有绕线简单、换能有效、与仪器接口简单等特点。但采用此种线圈设计的电磁超声传感器的换能效率有限，检测信号信噪比低，同时抗干扰能力较差，对微弱信号的敏感性不高。

针对采用单线绕制的线圈的电磁超声传感器的换能效率不高的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种差分式电磁超声传感器及检测系统，以至少解决采用单线绕制的线圈的电磁超声传感器的换能效率不高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种差分式电磁超声传感器，差分式电磁超声传感器包括磁铁、至少一层差分式线圈以及封装外壳，其中：差分式线圈包括两根信号线，两根信号线在一个平面内并行盘绕多圈，以使得两根信号线由内向外交替布置且使得两根信号线中传输的激励信号方向相同，其中，每根信号线的第一端用于接收一个激励信号；两根信号线的第二端接地。

进一步地，差分式电磁超声传感器包括多层差分式线圈，每层差分式线圈所处的平面互相平行，每层差分式线圈中传输的激励信号方向相同。

进一步地，多层差分式线圈包括相邻的第一层差分式线圈和第二层差分式线圈，第一层差分式线圈的两个第二端与第二层差分式线圈的两个第一端一一对应连接。

进一步地，每层差分式线圈处于PCB电路板的一个平面内，第一层差分式线圈的两个第二端与第二层差分式线圈的两个第一端通过PCB电路板上的过孔一一对应连接。

进一步地，差分式线圈中的两根信号线并行盘绕成以下形状之一：环型、饼形、跑道型、回折型和蝶型。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种电磁超声检测系统，包括：激励源，用于产生激励信号；信号调理器，与激励源相连接，用于将激励信号调理为频率和幅值相同且相位相反的第一激励信号和第二激励信号；权利要求1至权利要求5中任一项的差分式电磁超声传感器，差分式电磁超声传感器与信号调理器相连接，用于接收第一激励信号和第二激励信号以在目标对象中感应产生涡流。

进一步地，差分式电磁超声传感器包括至少一层差分式线圈，差分式线圈包括两根信号线，信号调理器还用于根据两根信号线中输出的信号求差以产生差分检测信号。

进一步地，还包括：信号处理器，与信号调理器相连接，用于对差分检测信号进行信号处理。

进一步地，信号处理器包括：前置放大器，与信号调理器相连接，用于放大差分检测信号；信号采集器，与前置放大器相连接，用于采集放大后的差分检测信号，激励源包括：信号发生器，用于产生激励信号；功率放大器，与信号发生器和信号调理器相连接，用于放大激励信号。

进一步地，差分式电磁超声传感器产生的波形为以下任意一种：横波、纵波、导波和表面波。

在本发明实施例中，通过两个间隔预设距离且并行绕制的线圈分别接收两个由同一激励信号调理得到的相位相反的差分激励信号，并根据两个差分激励信号产生超声波，还可以通过两个线圈分别接收信号，解决了采用单线绕制的线圈的电磁超声传感器的换能效率不高的技术问题，进而实现了提高电磁超声传感器的换能效率的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a是现有技术的一种可选的高频线圈的俯视图；

图1b是现有技术的一种可选的高频线圈的立体图；

图2是现有技术的一种可选的用于激励电磁超声传感器的激励信号的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的差分式线圈的示意图；

图4a是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图4b是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的激励差分式电磁超声传感器的激励原理的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种可选的差分式电磁超声传感器接收差分信号的接收原理的示意图；

图7是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图8是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图9是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图10是根据本发明实施例的另一种可选的差分式线圈的示意图；

图11是根据本发明实施例的一种可选的电磁超声检测系统的示意图；

图12是根据本发明实施例的另一种可选的电磁超声检测系统的示意图；

图13是根据本发明实施例的一种可选的信号处理方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本申请实施例，提供了一种差分式电磁超声传感器的实施例。该实施例提供的差分式电磁超声传感器可以应用于差分式电磁超声检测系统。

图3是根据本发明实施例的一种可选的差分式线圈的示意图。该实施例提供的差分式电磁超声传感器包括磁铁、至少一层如图3所示的差分式线圈以及封装外壳，其中：差分式线圈包括两根信号线，分别是第一信号线11和第二信号线12，每根信号线的第一端用于接收一个激励信号。

需要说明的是，两个激励信号的频率和幅值相同且相位相反。

第一信号线在第一平面上绕成第一线圈，用于通过第一信号线的第一端接收第一激励信号。第一信号线绕成的线圈可以是如图3中所示的由外向内绕制，也即，第一信号线的第一端(也是激励信号接收端)是在差分式电磁超声传感器的外侧。第一信号线绕成的线圈也可以由内向外绕制而成的线圈。

第二信号线在第一平面上与第一信号线间隔第一预设距离并行绕成第二线圈以与第一线圈相互套设(如图3所示)，用于通过第二信号线的第一端接收第二激励信号。

两根信号线在一个平面内并行盘绕多圈，以使得两根信号线由内向外交替布置，也即，由线圈内向线圈外的方向看时，第一信号线和第二信号线轮流交替布置，同样地，由线圈外向线圈内的方向看时，第一信号线和第二信号线也是轮流交替布置的。同时，两根信号线盘成的线圈还使得两根信号线中传输的激励信号方向相同。

两根信号线的第二端接地，如图3中所示为接地线13。

地线与第一信号线的第二端和第二信号线的第二端相连接，用于接地。第一信号线和第二信号线构成两根差分的信号线，与共同的地线构成回路。

可选地，地线可以设置在第一平面上：例如，将第一信号线第二端和第二信号线的第二端接合引出地线；或者，地线也可以分为两根，通过第一信号线的第二端延伸出与第一信号线方向相反的线圈引出第一根地线，通过第二信号线的第二端延伸出与第二信号线方向相反的线圈引出第二根地线，然后将第一根地线和第二根地线的末端连接起来用于接地。

可选地，地线还可以设置在第二平面上，如图3中示出的实施方式，通过PCB电路板上的过孔引出第一信号线的第二端和第二信号线的第二端并接合在一起。

该实施例提供的差分式电磁超声传感器通过两个间隔预设距离且并行绕制的线圈分别接收两个由同一激励信号调理得到的相位相反的差分激励信号，并根据两个差分激励信号产生超声波，还可以通过两个线圈分别接收信号，解决了采用单线绕制的线圈的电磁超声传感器的换能效率不高的技术问题，进而实现了提高电磁超声传感器的换能效率的技术效果。

作为上述方案的一个优选方案，差分式电磁超声传感器可以包括多层差分式线圈，每层差分式线圈所处的平面互相平行，每层差分式线圈中传输的激励信号方向相同。

例如，差分式电磁超声传感器可以包括如图4a和图4b中所示的两层差分式线圈的方案，其中，图4a为该实施例提供的差分式线圈的俯视图，图4b为图4a中示出的差分式线圈的立体图。每层差分式线圈所处的平面平行，且上下两层差分式线圈中，激励信号的传输方向相同，检测信号的传输方向也相同。

优选地，多层差分式线圈中相邻的第一层差分式线圈和第二层差分式线圈是相连接的，具体地，第一层差分式线圈的两个第二端与第二层差分式线圈的两个第一端一一对应连接，如图4a和图4b中所示。通过这种方式连接时，如果第一层线圈是由外向内绕制，则第二层线圈由内向外绕制，反之亦然。在产生激励信号时，第一层差分式线圈的两个第二端为输出端，向第二层差分式线圈的两个第一端输出激励信号，在检测信号时，差分式线圈接收回波信号，第一层差分式线圈的两个第二端为输入端，线圈中的电流方向为第二层差分式线圈的两个第一端向第一层差分式线圈的两个第二端相连接。

如图4a所示，第一地线在第一平面上映射的形状可以与第一信号线部分重合，第二地线在第二平面上映射的形状可以与第二信号线部分重合。并且，第一地线在第一平面上映射的形状与第一信号线互为对称，第二地线在第二平面上映射的形状与第二信号线互为对称。如图4b所示，第一过孔和第二过孔可以是垂直贯穿PCB电路板的过孔。

图4a所示的信号传输方向为差分式线圈在激励过程中激励信号的传输方向，第一信号线接收信号+，第二信号线接收信号-，信号+和信号-是两个相位相反的激励信号。在该实施例的差分式电磁超声传感器接收激励信号以产生超声波时，第一信号线和第二信号线中的激励信号的传输方向如图4a中所示。其激励原理如图5所示，第一信号线接收信号+，峰峰值电压U’pp＝2V₀，信号的周期数为N，第二信号线接收信号-，峰峰值电压U”pp＝2V₀，信号的周期数为N，且信号-相位与信号+相反。

图4b所示的信号传输方向为差分式线圈在接收检测信号时的信号传输方向，差分式线圈感应之后接收信号的方向如图4b中所示。检测感应信号的原理如图6所示，对差分式线圈接收的两个感应信号执行求差的信号调理过程，得到峰峰值为Upp＝4V₀的差分接收信号。

相比于单端信号激励而言，在不改变激励电压的情况下，采用本发明实施例提供的差分式电磁超声传感器可获得强度更强的检测信号。此外，由于检测过程中干扰信号同时存在与两路接收的感应信号中，通过求差处理可消除感应信号中的共模干扰信号，提高了电磁超声传感器的抗干扰能力。

优选地，该实施例提供的差分式电磁超声传感器中的线圈可以以PCB电路板为载体，每层差分式线圈处于PCB电路板的一个平面内，第一层差分式线圈的两个第二端与第二层差分式线圈的两个第一端通过PCB电路板上的过孔一一对应连接。

可选地，本发明提供的差分式电磁超声传感器中的线圈还可以设计为如图7～图10所示的图样。

图7是一种差分式的跑道型差分式线圈；图8是一种差分式的饼形差分式线圈，图4是一种差分式的环形差分式线圈，饼形线圈与环形线圈的区别为饼形线圈的信号线具有一定宽度，而环形信号线为较细的丝状；图9是一种差分式的回折线圈；图10是一种差分式的蝶形线圈。

其中，饼形线圈、环形线圈、跑道形线圈、蝶形线圈一般用于产生直入射横波或纵波，而回折线圈一般用于产生斜入射声波。此外，上述的差分式电磁超声传感器也可以应用于电磁超声导波传感器中，用于激励接收导波。

上述实施例提供的差分式电磁超声传感器还包括磁铁和封装外壳等，封装外壳用于封装磁铁和差分式线圈。

实施例2

根据本申请还提供了一种电磁超声检测系统的实施例。

图11是根据本发明实施例的一种可选的电磁超声检测系统的示意图。如图11所示，该系统包括激励源10，信号调理器20和差分式电磁超声传感器30。

激励源，用于产生激励信号；信号调理器，与激励源相连接，用于将激励信号调理为频率和幅值相同且相位相反的第一激励信号和第二激励信号；本发明的差分式电磁超声传感器，与信号调理器相连接，用于接收第一激励信号和第二激励信号以在目标对象中感应产生涡流。

其中，目标对象是与差分式电磁超声传感器靠近以产生感应现象的物体，具体地，可以是被检工件。

优选地，差分式线圈的两根信号线还用于分别接收第一接收信号和第二接收信号，信号调理器还用于对第一接收信号和第二接收信号求差以产生差分接收信号。

优选地，差分式电磁超声传感器包括差分式线圈，差分式线圈包括两根信号线，信号调理器还用于根据两根信号线中输出的信号求差以产生差分检测信号。

优选地，还包括：信号处理器，与信号调理器相连接，用于对差分检测信号进行信号处理。

优选地，信号处理器包括：前置放大器，与信号调理器相连接，用于放大差分检测信号；信号采集器，与前置放大器相连接，用于采集放大后的差分检测信号。

其中，前置放大器在对差分检测信号进行放大时，可以是对差分后的信号进行放大，也可以是在两个检测信号进行差分之前先对两个信号分别放大，再输入到信号调理器进行差分。

优选地，激励源包括：信号发生器，用于产生激励信号；功率放大器，与信号发生器和信号调理器相连接，用于放大激励信号。

优选地，差分式电磁超声传感器产生的波形为以下任意一种：横波、纵波、导波和表面波。

图12是根据本发明实施例的另一种可选的电磁超声检测系统的示意图。如图12所示，该电磁超声检测系统包括：

激励源，激励源包括信号发生器和功率放大器。信号发生器用于产生激励信号，功率放大器用于将激励信号放大。激励源与信号调理器连接，信号调理器将激励信号分为两个差分的激励信号：第一激励信号和第二激励信号，并分别通过信号+和信号-两根信号线进行传输，与地线构成回路，其中，两个差分的激励信号频率和幅值相同但相位相反。

差分式电磁超声检测系统包括本发明实施例提供的差分式电磁超声传感器，通过差分式电磁超声传感器中的差分式线圈的第一信号线和第二信号线接收感应的信号之后，再通过信号调理器将两个差分的信号进行求差处理，并发送给前置放大器，最后发送给信号采集器进行信号采集与处理。

实施例3

根据本申请还提供了一种信号处理方法的实施例。该实施例提供的信号处理方法应用于电磁超声检测系统，电磁超声检测系统包括：激励源，与激励源相连接的信号调理器，以及与信号调理器相连接的差分式电磁超声传感器。

如图13所示，该实施例提供的信号处理方法包括：

步骤S101，激励源生成激励信号；步骤S102，信号调理器调理激励信号以得到频率和幅值相同且相位相反的第一激励信号和第二激励信号；步骤S103，差分式电磁超声传感器接收第一激励信号和第二激励信号以在目标对象中感应产生涡流。其中，目标对象是与差分式电磁超声传感器靠近以产生感应现象的物体，例如，被检工件。

优选地，该方法还可以包括：差分式电磁超声传感器产生两个检测信号；信号调理器对两个检测信号执行求差处理以得到差分检测信号。

需要说明的是，虽然在流程图中示出了步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。