一种电磁超声SH导波换能器及在线检测系统、方法

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种电磁超声sh导波换能器及在线检测系统、方法。

背景技术：

大规格板类金属构件广泛应用于建筑、船舶等多个领域，金属损伤裂纹、腐蚀等缺陷是构件服役过程中最常见的失效形式，而且腐蚀缺陷会严重影响金属构件服役的安全性和可靠性。蒸汽管道长期处于高温高压环境下，在腐蚀作用下会导致管壁减薄，甚至出现裂纹造成爆炸事故；海洋下的钢板桩极易受到腐蚀，极易发生断裂；桥梁的结构钢板在雨水冲刷等因素作用下，产生腐蚀缺陷，将提前结束使用寿命。

电磁超声换能器(emat)通过电磁耦合方式在试样中激励和接收超声波，emat这种非接触、无需耦合剂等特点，使其适用于高温、快速、在线、表面粗糙或图层等检测场合，但因其换能效率低和易受环境电磁干扰等缺点，极大地限制了这种技术广泛地工程应用。将脉冲压缩技术应用于emat检测，对提高emat的信噪比(snr)和空间分辨率具有重要意义。

超声探测距离与发射超声波能量有关，超声波能量越大，其探测距离也增大。在实际检测中，采用短脉冲激励时由于功放电路的极限输出电压和传感器的耐压发热等限制，很难通过增大激励电压以达到增强发射超声波能量的目的。脉冲压缩技术将大时宽、低幅值的脉冲信号作为激励信号以激发超声波，使超声波有足够的能量以保证探测距离；将接收到的超声波信号经过匹配滤波和旁辦抑制，并压缩成小时宽、高幅值的超声波信号，避免波包重叠，并提高emat换能效率和空间分辨率。

barker码是一种单次发射的二进制相位编码压缩技术，采用匹配滤波的方式进行脉冲压缩，有较低的距离旁瓣。barker码脉冲压缩算法的压缩比与序列长度成正比，目前常见的barker码序列长度为2、3、4、5、7、11、13位。

如图7所示，将正弦脉冲串作为barker码序列的码元，作为emat的激励信号。激励信号u[m]和码元序列v[s]可以表示为：

式中，n代表barker码的码长，m代表子脉冲的时间宽度，tc代表码元的持续时间，ck＝±1代表barker码编码序列。

barker码信号u[m]加载到emat激励端，emat接收到的超声波信号为s[m]，两者关系如下所示：

式中，yi[m]为脉冲压缩后的信号。

图7(b)和图7(c)为脉冲压缩前后的超声波信号。对脉冲压缩后信号(如图7(c))进行旁瓣抑制，得到的信号如图7(d)为所示。经过旁辦抑制后，峰值旁瓣水平(psl)从20.6db提高至43.0db。

超声回波的snr随着barker码信号持续时间的增加而增加，但barker码持续时间过长，会导致barker码波包与始波及其电磁串扰信号无法分开，使缺陷波包部分淹没在初始电磁串扰中，影响其近距离检测能力。脉冲功率放大器等设备性能(例如占空比，单次最大脉冲宽度等)限制了barker码激励信号的持续时间，过长的barker码激励电流将会导致设备性能不稳定甚至功能性损坏。

技术实现要素：

本发明提供了一种电磁超声sh导波换能器及在线检测系统、方法，以解决脉冲功率放大器等设备性能限制了barker码激励信号持续时间的问题。

第一方面，提供了一种电磁超声sh导波换能器，包括壳体及设置于所述壳体内的n组永磁体组、单边跑道线圈；

所述n组永磁体组呈列设置于所述单边跑道线圈上方，且每组永磁体组包括m个呈周期性排列的永磁体；

所述n组永磁体组的放置方向基于barker码序列设置，用于使所述单边跑道线圈通入正弦脉冲串电流信号时，在待测件内产生的超声波与通入barker码激励信号时产生的超声波对应；其中n的值取barker码序列长度值，m为预设值。

在单边跑道线圈通入正弦脉冲串电流信号后，在待测件中产生频率相同、方向相反的高频电涡流，在偏置磁场作用下，待测件表面质点在洛伦兹力作用下发生周期性振动，从而激发出超声波，沿着待测件的长度方向传播。因为将n组永磁体组的放置方向基于barker码序列设置，可在待测件内产生超声波，其波包形式与通入barker码激励信号时产生的对应的超声波相同。通过该特殊设计，可在激励信号为传统正弦脉冲串的前提条件下，实现barker码脉冲压缩技术。采用按照barker码脉冲压缩技术设计的sh导波换能器可以减小barker码激励信号持续时间对功率放大器的参数(例如占空比，单次最大脉冲宽度等)限制，同时可以减小始波的持续时间，特别是减小电磁串扰信号引起的快速恢复时间，能有效降低检测盲区对近距离缺陷检测的影响。

进一步地，所述n的取值范围为{2,3,4,5,7,11,13}；

当n取2时，barker码序列为{+1,+1}或{+1,-1}；

当n取3时，barker码序列为{+1,+1,-1}；

当n取4时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1}或{+1,+1,-1,+1}；

当n取5时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,+1}；

当n取7时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1}；

当n取11时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1}；

当n取13时，barker码序列为{+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,-1,+1}。

进一步地，所述n组永磁体组中，对应barker码序列中为+1的位置的永磁体组的充磁方向与对应barker码序列中为-1的位置的永磁体组的充磁方向相反。

进一步地，所述m取值为4～16范围内的偶数；且每个永磁体组中相邻的两个永磁体充磁方向相反。

进一步地，所述单边跑道线圈通过多匝导线进行手工绕制而成，且多匝导线通过并联方式连接。多匝导线通过并联方式连接可降低线圈阻抗，提高激励信号能量。

进一步地，每匝导线包括多根直径为ф0.05～0.15mm的漆包铜导线。

进一步地，所述壳体包括外壳、碳钢支架、bnc接头，所述碳钢支架安装于所述外壳内部，所述n组永磁体组安装于所述碳钢支架上，所述单边曲折线圈设置于所述n组永磁体组下方，所述bnc接头设置于所述外壳上，所述单边曲折线圈通过连接导线与所述bnc接头连接。

进一步地，还包括设置于所述外壳下方的多个滚动轴承。

第二方面，提供了一种在线检测系统，包括如上所述的电磁超声sh导波换能器，以及上位机、信号发生器、脉冲功率放大器、激励端阻抗匹配电路、emat接收探头、接收端阻抗匹配电路、前置滤波放大器、可调增益放大器和ad数据采集卡；

所述信号发生器、脉冲功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声sh导波换能器依次连接；所述emat接收探头、接收端阻抗匹配电路、前置滤波放大器、可调增益放大器、ad数据采集卡、上位机依次连接。

信号发生器产生正弦脉冲串电流信号，脉冲功率放大器对正弦脉冲串电流信号进行放大，然后经过激励端阻抗匹配电路进行阻抗匹配后进入电磁超声sh导波换能器，进而在待测件内产生超声波，其波包形式与通入barker码激励信号时产生的超声波相同；emat接收探头接收超声回波信号，经接收端阻抗匹配电路进行阻抗匹配后，通过前置滤波放大器、可调增益放大器进行滤波和放大，然后经过ad数据采集卡进行模数转换后输入上位机中，上位机对接收的超声回波信号进行处理，得到脉冲压缩后的超声信号，并进行旁瓣抑制，然后对缺陷回波信号进行分析，即可得到检测结果。

第三方面，提供了一种在线检测方法，利用如上所述的电磁超声sh导波换能器进行检测，步骤包括：

将所述电磁超声sh导波换能器置于待测件表面；

将正弦脉冲串电流信号通入所述电磁超声sh导波换能器中；

采用emat接收探头接收超声波信号；

将接收的超声波信号进行滤波和放大，并经模数转换后送入上位机中；

上位机将接收的超声波信号与barker码激励标准参考信号进行卷积运算，得到脉冲压缩后的超声波信号，并进行旁瓣抑制；

对旁瓣抑制后的信号中的缺陷超声回波信号的幅值、到达时间进行分析处理，通过d＝v/f计算得到缺陷的位置，通过缺陷超声回波信号的幅值与人工预置缺陷超声回波信号进行对比，获取缺陷的当量；其中，d表示缺陷与电磁超声sh导波换能器距离，v表示sh波波速，f表示sh波频率。

有益效果

本发明提出了一种电磁超声sh导波换能器及在线检测系统、方法，通过将n组永磁体组的放置方向基于barker码序列设置，可确保往单边跑道线圈通入正弦脉冲串电流信号后，在待测件内产生超声波，其波包形式与通入barker码激励信号时产生的超声波相同。通过该特殊设计，可在激励信号为传统正弦脉冲串的前提条件下，激励sh导波，实现barker码脉冲压缩技术。采用按照barker码脉冲压缩技术设计的sh导波换能器可以减小barker码激励信号持续时间对功率放大器的参数(例如占空比，单次最大脉冲宽度等)限制，同时可以减小始波的持续时间，特别是减小电磁串扰信号引起的快速恢复时间，能有效降低检测盲区对近距离缺陷检测的影响，提高检测精度，适用于大型板类金属构件的表面和内部缺陷的在线快速扫查。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的序列长度为13位的barker码电磁超声sh导波换能器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的emat换能原理；

图3是图1提供的电磁超声sh导波换能器的13组永磁体组充磁方向控制；

图4是图1提供的电磁超声sh导波换能器的配置形式示意图；

图5是本发明实施例提供的电磁超声sh导波换能器及emat接收探头布置方式示意图；

图6是本发明实施例提供的在线检测系统组成示意图；

图7是本发明实施例提供的13位barker码信号脉冲压缩及旁瓣抑制过程；

图8(a)是本发明实施例提供的13位barker码激励信号；图8(b)是本发明实施例提供的正弦脉冲串电流信号；

图9是本发明实施例提供的采用正弦脉冲串电流信号激励及接收超声回波信号的处理过程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1至图5所示，本实施例提供了一种电磁超声sh导波换能器，包括壳体及设置于所述壳体内的n组永磁体组8、单边跑道线圈3；

所述n组永磁体组8呈列设置于所述单边跑道线圈3上方，且每组永磁体组8包括m个呈周期性排列的永磁体；

所述n组永磁体组8的放置方向基于barker码序列设置，用于使所述单边跑道线圈3通入正弦脉冲串电流信号时，在待测件内产生的超声波与通入barker码激励信号时产生的超声波对应；其中n的值取barker码序列长度值，m为预设值。

在单边跑道线圈3通入正弦脉冲串电流信号后，在待测件中产生频率相同、方向相反的高频电涡流，在偏置磁场作用下，待测件表面质点在洛伦兹力作用下发生周期性振动，从而激发出超声波，沿着待测件的长度方向传播。因为将n组永磁体组8的放置方向基于barker码序列设置，可在待测件内产生与通入barker码激励信号时产生的超声波对应的超声波。通过该特殊设计，可在激励信号为传统正弦脉冲串的前提条件下，实现barker码脉冲压缩技术。采用按照barker码脉冲压缩技术设计的sh导波换能器可以减小barker码激励信号持续时间对功率放大器的参数(例如占空比，单次最大脉冲宽度等)限制，同时可以减小始波的持续时间，特别是减小电磁串扰信号引起的快速恢复时间，能有效降低检测盲区对近距离缺陷检测的影响。

具体实施时，所述n的取值范围为{2,3,4,5,7,11,13}；

当n取2时，barker码序列为{+1,+1}或{+1,-1}；

当n取3时，barker码序列为{+1,+1,-1}；

当n取4时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1}或{+1,+1,-1,+1}；

当n取5时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,+1}；

当n取7时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1}；

当n取11时，barker码序列为{+1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1}；

当n取13时，barker码序列为{+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,-1,+1}。

所述m取值为4～16范围内的偶数；且每个永磁体组8中相邻的两个永磁体充磁方向相反。本实施例中，以n取13，m取4为例对本方案进行说明。

如图3、图4所示，所述n组永磁体组8中，对应barker码序列中为+1的位置的永磁体组8的充磁方向与对应barker码序列中为-1的位置的永磁体组8的充磁方向相反。

所述单边跑道线圈3可选择通过多匝导线进行手工排布而成，且多匝导线通过并联方式连接。多匝导线通过并联方式连接可降低线圈阻抗，提高激励信号能量。其中，每匝导线包括多根直径为ф0.05～0.15mm的漆包铜导线。本实施例中，单个永磁体尺寸为5mm高×7mm宽×24mm长，单根漆包铜导线线径为ф0.05mm，将四根漆包铜导线组合成一匝导线，多匝导线并排组合，使单边跑道线圈3宽度为48mm。永磁体宽度与超声波模态、频率等有关，采用sh0导波模态时，通过计算永磁体宽度的工作线与厚度5.6mm钢板sh波相速度频散曲线的交点可以得到：永磁体宽度为7mm，激励频率0.2mhz。激励频率周期数可选5-20个。当然，单边跑道线圈3的匝数、单根漆包铜导线规格、永磁体尺寸等都可根据实际检测需求选择。

本实施例中，所述壳体包括外壳1、碳钢支架2、bnc接头4，所述碳钢支架2安装于所述外壳1内部，所述n组永磁体组8安装于所述碳钢支架2上，所述单边跑道线圈3设置于所述n组永磁体组8下方，所述bnc接头4设置于所述外壳1上，所述单边跑道线圈3通过连接导线6与所述bnc接头4连接；还包括设置于所述外壳1下方的多个滚动轴承7。

当然，在其他实施例中，n和m取其他值时，可根据上述记载更改永磁体组8及每组永磁体组8包含的永磁体的数量，以及根据对应的barker码序列调整对应位置的永磁体组8的放置方式，在此不再一一赘述。

实施例2

如图5、图6所示，本实施例提供了一种在线检测系统，包括如上所述的电磁超声sh导波换能器14，以及上位机21、信号发生器11、脉冲功率放大器12、激励端阻抗匹配电路13、emat接收探头16、接收端阻抗匹配电路17、前置滤波放大器18、可调增益放大器19和ad数据采集卡20；

所述信号发生器11、脉冲功率放大器12、激励端阻抗匹配电路13、电磁超声sh导波换能器14依次连接；所述emat接收探头16、接收端阻抗匹配电路17、前置滤波放大器18、可调增益放大器19、ad数据采集卡20、上位机21依次连接。

emat换能机理如图2所示。永磁体置于单边跑道线圈3之上，通以高频大功率激励电流ic，在待测件15表面产生方向相反、频率相同的感应涡流je。单边跑道线圈3相邻导线所产生的感应涡流方向相反，在静态偏置磁场bs作用下，产生方向相反洛伦兹力fl。fl带动质点振动，在待测件厚度范围产生sh导波，并沿长度方向传播。

本实施例中，信号发生器11将频率为0.2mhz的正弦脉冲串(2周期-20周期)输入至脉冲功率放大器12，如图8(b)所示，脉冲功率放大器12对正弦脉冲串电流信号进行放大，然后经过激励端阻抗匹配电路13进行阻抗匹配后进入电磁超声sh导波换能器14的单边跑道线圈3中；如图2所示，当单边跑道线圈3中通入正弦脉冲串电流后，会在待测件15表面产生感应电涡流，电涡流在永磁体提供的偏置磁场作用下，产生洛伦兹力，将n组永磁体组8组合后，产生与以正弦脉冲串信号为码元的barker码信号(如图8(a)所示)相似的超声波。本实施例中，emat接收探头16采用单个emat，采用单边跑道线圈3，线圈宽度为48mm，根据逆洛伦兹力效应，超声波使待测件15接收端的表面发生振动，引起周围磁场的变化，在单边跑道线圈3中产生感应电压信号，emat接收探头16接收超声回波信号，经接收端阻抗匹配电路17进行阻抗匹配后，通过前置滤波放大器18、可调增益放大器19进行滤波和放大，然后经过ad数据采集卡20进行模数转换后输入上位机21中，上位机21对接收的超声回波信号进行处理，得到脉冲压缩后的超声信号，并进行旁瓣抑制，然后对缺陷回波信号进行分析，即可得到检测结果。

实施例3

本实施例提供了一种在线检测方法，利用如上所述的电磁超声sh导波换能器进行检测，步骤包括：

将所述电磁超声sh导波换能器置于待测件表面；

将正弦脉冲串电流信号通入所述电磁超声sh导波换能器中；

采用emat接收探头接收超声波信号；

将接收的超声波信号进行滤波和放大，并经模数转换后送入上位机中；

上位机将接收的超声波信号与barker码激励标准参考信号进行卷积运算，得到脉冲压缩后的超声波信号，并进行旁瓣抑制；

对旁瓣抑制后的信号中的缺陷超声回波信号的幅值、到达时间进行分析处理，通过d＝v/f计算得到缺陷的位置，通过缺陷超声回波信号的幅值与人工预置缺陷超声回波信号进行对比，获取缺陷的当量；其中，d表示缺陷与电磁超声sh导波换能器距离，v表示sh波波速，f表示sh波频率。

如图9所示，图9(a)为通入的正弦脉冲串电流信号，图9(b)为emat接收探头接收的超声回波信号，图9(c)为脉冲压缩后的超声波信号，图9(d)为进行旁瓣抑制后的超声波信号，经过旁辦抑制后，峰值旁瓣水平(psl)从20.1db提高至43.1db。通过该特殊的设计，实现在较短单一频率脉冲串激励电流条件下，实现与barker码脉冲压缩技术相同效果。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

现有方案中很少涉及barker码编码压缩技术与sh导波电磁超声技术相结合，将脉冲压缩技术引入电磁超声sh导波换能器中，可以极大程度地提高检测回波的信噪比和分辨率，但barker码激励信号持续时间过长，将会对脉冲功率放大器等设备性能(例如占空比，单次最大脉冲宽度等)要求很高，甚至可能会对功放电路造成一定程度的损坏，且始波持续时间及其引起的电磁串扰信号持续时间较长，影响近距离缺陷检测能力。

barker码是单次发射的二进制编码序列，通常使用匹配滤波的方式进行脉冲压缩，因为匹配滤波可以获得较低的距离旁瓣，emat比常规压电换能器的换能效率低20db-40db，将脉冲压缩技术用于emat可有效提高接收信号信噪比和分辨率，可以拓宽emat的检测能力和应用范围。

本发明采用n个永磁体组8通过barker码序列原理组合成新型emat配置形式，激励信号采用单一频率脉冲串，即可激励出可实施barker码脉冲压缩技术的超声波信号，通过单个emat接收的超声波信号，可以减小始波及其电磁串扰信号的持续时间，减小了检测盲区，降低了对脉冲功率放大器的占空比和单次激励最大脉冲宽度等性能参数的要求，可以激励更长持续时间、具备barker码序列特征的超声波信号，可以有效提高检测回波信号的信噪比和空间分辨率。

本发明基于barker码相位编码脉冲压缩原理，设计一种在激励信号为单一频率正弦脉冲串、基于barker码脉冲压缩技术设计的电磁超声sh导波换能器及在线检测系统、方法，可激励能够进行实施脉冲压缩技术的sh导波，适用于大规格板类金属构件表面和内部缺陷的在线快速扫查，与传统barker码脉冲压缩技术相比，对设备性能参数(例如占空比和单次激励最大脉冲宽度等)要求降低，减小了检测盲区，并提高emat检测的信噪比和空间分辨率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。