基于多个Lamb波电磁超声换能器的检测装置
摘要
通过使用多个兰姆波电磁超声换能器（EMAT）而不是单个的，可以提高非破坏性测试的精度和速度。然而，用于布置多个电磁超声换能器的方法很少报道。在本文中，由Lamb波电磁超声换能器EMAT激发的声场由3D有限元（FE）模型进行模拟描述。基于该模拟声场，可以获得电磁超声换能器的有效检测区域，然后根据所获得的有效检测区域可以实现电磁超声换能器EMAT的合理布置。在本文中，开发了用于铝板检测的具有多个Lamb波电磁超声换能器EMAT的检测装置，其包括用于通过电磁超声换能器EMAT来处理、发送和接收信号的有关电路。LabWindows / CVI（交互式C语言开发平台，用于开发高性能的、可靠的应用程序）用于显示每个电磁超声换能器所接收到的信号。根据实验结果，这种装置可以识别Phi;2mm的通孔和4mm长度的凹槽，并且在相邻的换能器之间没有检测盲区。
关键词：兰姆波; 多个电磁超声换能器EMAT; 有限元模型; LabWindows / CVI
1.介绍
在金属板的制造过程中，不可避免地产生诸如分层、气泡和杂质等缺陷。 由于具有测试距离长，非接触检测和高效率的优点，电磁超声Lamb波已被证明适用于大型板材和管材的无损检测[1-3]。 近年来，学者们已经进行了许多研究，以研究兰姆波与板材缺陷的相互作用机制，并且采用有限元法来分析具有不同缺陷类型时兰姆波的反射和透射情况[4-5]。在利用兰姆波进行了大量非接触式探伤实验后，该检测技术已经投入到实际应用中[6-8]。
虽然单个电磁超声换能器EMAT也可以检测板的缺陷，但是检测速度低，并且有时可能错过缺陷（既没有检测到缺陷）。而这个问题可以通过增加电磁超声换能器EMAT的数量来进行改善。到目前为止，已经存在一些具有多个压电换能器或电磁超声换能器EMAT组合的检测装置，但是其中很少具有通过合理的方法来布置的换能器。适当地重叠电磁超声换能器所激发的声场可以避免检测盲区并减少换能器数量。因此，研究兰姆波电磁超声换能器EMAT的声场，以用来开发多通道检测装置是非常重要的。
在本文中，开发了基于多个兰姆波电磁超声换能器EMAT的检测装置。提出了一种用于布置电磁超声换能器EMAT的方法，并且设计了该检测装置的硬件和软件部分。最后通过实验验证,该检测装置可以识别相应的通孔和凹槽缺陷。
2. 电磁超声换能器EMAT阵列的布置
在我们以前的研究工作中，使用带有曲折线圈的电磁超声换能器EMAT来激发铝板中的兰姆波。根据激发方程和激励曲线，来选择工作点以产生S0模式兰姆波。S0模式兰姆波的传播速度为5.173km / s，激励电流的频率为500kHz。基于这个选择的工作点，来设计电磁超声换能器EMAT的布置形式，并且选择2mm厚的铝板作为检测样品[9]。
2.1单个电磁超声换能器EMAT的有效检测区域
通过使用已经建立的频域中的3D有限元（FE）模型，可以获得模拟的Lamb波的声场，如图1所示。 根据美国材料试验协会（ASTM E1065）和国家标准（GB / T 18694-2002）的标准，远场定义为在其传播方向的声束轴上的最后一个最大振幅之后的区域。由于声场在远场中比在其他区域中更规则，因此更适合于检测远场中的缺陷。
图1.通过3D有限元模型获得的声场
通过分析所获得的声场，拾取与声轴上的最大振幅相比衰减为-3dB的点，并且通过Matlab曲线拟合工具箱来拟合这些点。 远场如图2（a）所示，传感器中心下的点设为系统原点。 通常，在回波信号中存在由发射电路引起的主脉冲信号，并且时间约为60mu;s。 因此，有效检测区域应该具有离电磁超声换能器EMAT足够大的距离，使得缺陷回波波形可以避免被主脉冲信号所重叠。 由于兰姆波传播速度为5.173 km / s，可计算出最小距离约为155 mm，有效检测区域如图2（b）所示。
衰减为-3dB的点
衰减为-3dB曲线
远场
衰减为-3dB曲线
电磁超声换能器
有效检测区域域
图2.加工的兰姆波声场
（a）-3dB衰减点和声场中的拟合曲线
（b）单个电磁超声换能器EMAT的有效检测区域
2.2 电磁超声换能器EMAT阵列布置
为了确保在检测时没有检测盲区，电磁超声换能器EMAT阵列的有效检测区域应该完全覆盖样品表面。因此，在两个相邻声场之间应当存在合理的重叠。在远场中，粒子振动沿传播方向具有明显的衰减趋势。因此，如果重叠区域远离电磁超声换能器EMAT，则对于位于两个相邻电磁超声换能器EMAT之间的缺陷将导致较低的灵敏度。此外，如果重叠区域太大，则将需要更多的兰姆波电磁超声换能器EMAT用于板的检测。最后，两个相邻电磁超声换能器EMAT的有效检测区域以图3所示的方式重叠，并且两个电磁超声换能器EMAT探针的中心之间的距离经过计算为37mm。
远场
重合区域
双电磁超声换能器
有效检测区域
图3.两个相邻电磁超声换能器EMAT的有效检测区域及其重叠区域
电磁超声换能器EMAT阵列的布置方式在图4中给出。编号为1〜7的电磁超声换能器EMAT激励的兰姆波沿着x轴方向传播，它们用于检测沿y方向扩展的缺陷。同时，左边两个电磁超声换能器EMAT编号8和9生成兰姆波沿y轴传播，它们被用于检测沿x方向扩展的缺陷。
在该装置中使用的单个电磁超声换能器EMAT的尺寸为60times;55times;50mm3。每个电磁超声换能器EMAT沿着y轴的宽度为55mm。由于电磁超声换能器EMAT的宽度大于37mm，因此相邻的两个换能器被放置在两条线中。为了避免两个相邻声场的干扰，电磁超声换能器EMAT被分成三组，组2仅在组1的电磁超声换能器EMAT接收到回波信号之后才进入工作，在组3中进行工作。在检测期间，样本被移入 x方向。 因此，在兰姆波声场和样本之间存在相对运动，因此板表面可以在板的移动期间被有效检测区域完全覆盖。可以计算出，通过该电磁超声换能器EMAT阵列可以在没有检测盲区的情况下检测到宽度为259mm的铝板的全部表面。
样品
图4. 电磁超声换能器EMAT阵列的布置
3.检测装置的硬件设计
3.1检测装置的系统电路
设计的检测装置的电路由三个主要部分组成，如图1所示。发射和接收电路用于选择电磁超声换能器EMAT阵列的通道，产生激励信号和接收回波信号; 通过利用信号处理电路的放大和滤波作用来处理接收的回波信号。同时信号处理电路还将模拟信号转换成数字信号，并随后发送到计算机中; 而提前编辑完成的FPGA（Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础之上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点）用于响应计算机命令并控制上述电路。
SRAM存储电路
模拟开关
放大器滤波电路
电 源 电 路
样品试件
缺陷
EMAT阵列
发射电路
现场可编程门阵列
发射和接收电路
信号处理电路
接收电路
电平转换电路
USB接口电路
模数转换器
计算机
图5.装置电路的示意图
开发计算机界面以方便对检测装置的完整系统进行全局控制。界面运行后，通过USB接口电路将诸如激励频率、脉冲数、采样率和所选通道数等参数发送到FPGA。 根据这些参数，FPGA将发送激励信号到发射电路，并通过控制模拟开关打开相应的接收电路。经过放大滤波电路所放大和滤波处理的回波信号，随后被发送到电平转换电路中以转换它们的信号幅度，使得信号电压可以适合于ADC（Analog-to-Digital Converter,即模数转换器，可将模拟信号转换为数字信号）进行工作。而ADC将回波信号从模拟信号转换成数字信号，并将从其输出的数字信号存储在SRAM（Static RAM，全称为Static Random Access Memory,即静态存取存储器，它是一种具有静态存取功能的内存，不需要刷新电路就能保存它内部的存储数据）存储器电路中，然后由FPGA经由USB电路传送到计算机中。每个电磁超声换能器EMAT的回波信号将被进一步处理并显示在计算机界面中。采用电源电路为上述检测装置系统电路供电。
3.2检测装置的机械结构
设计了一种特殊的机械结构，如图6所示，电磁超声换能器EMAT保持器可以根据所提出的布置方法固定所有电磁超声换能器EMAT探测器的位置。电磁超声换能器EMAT阵列可以通过导向螺杆来进行垂直移动，因此可以改变离地距离。铝板固定在样品架上，样品架支撑样品在检测过程中沿导轨移动。
手柄
导向螺杆
电磁超声换能器保持器
电磁超声换能器阵列
导轨
样品
样品保持器
图6.检测装置的机械结构
4. 检测装置的软件设计
运用LabWindows / CVI来开发计算机界面和处理数字回声信号。
4.1检测装置的计算机界面
该计算机界面由五个主要部分组成：采用参数设置模块定义系统参数; 检测控制模块可用于决定设备动作，如信号处理、数据采集、手动检测和自动检测; 缺陷定位模块用于计算和显示缺陷位置; 工作状态指示模块可以显示设备是否上电，以及所有电路是否工作正常; 界面的最后一部分是回波信号显示窗口，每个电磁超声换能器EMAT接收的回波信号可以在窗口中观察到。
4.2数字信号处理
在被模拟电路滤波之后，接收的回波信号仍然具有大量的噪声。因此，有必要将回波模拟信号转换为数字信号，并使用数字信号处理方法来提高信噪比。在本文中，使用累积平均算法来对回波数字信号进行处理，累计平均算法具有识别弱信号的较强能力并且可以有效地消除随机噪声。原始数字信号和使用累计平均算法处理后的平均信号之间的比较如图8（a）和图8（b）所示。
结束回波
缺陷回波
结束回波
缺陷回波
结束回波
标准化振幅（％）
共振信号（V）
共振信号（V）
图8.处理前后的回波信号的比较
（a）原始信号 （b）平均波形 （c）信号的正包络曲线
基于使用累计平均算法处理后的平均平均信号，采用互相关算法，以及集成在LabWindow / CVI中的巴特沃斯低通滤波器进行滤波，然后可以获得信号的正包络曲线，如图8（c）所示。在检测装置进行检测期间，可以根据用户的选择分别在计算机界面上显示每个电磁超声换能器EMAT探测器的回波信号。
5.实验
单个电磁超声换能器EMAT用于检测Phi;2mm的通孔的情况，如图9所示。电磁超声换能器的运动轨迹（电磁超声换能器沿着垂直于Lamb波传播方向移动）与孔之间的距离为265毫米，并且该电磁超声换能器沿垂直于Lamb波传播方向上的轨道每次移动2mm左右。在图10中绘出了缺陷回波信号的幅度和电磁超声换能器EMAT位置之间的关系。从实验结果可以得出，当电磁超声换能器移动到距离中间轴约为20mm时，缺陷回波信号的振幅为最大振幅的-3dB衰减。 如图10所示，通过上述3D有限元模型获得了缺陷回波信号的振幅模拟曲线，并且其描述了距离电磁超声换能器265mm的粒子的振动情况。两个曲线的趋势非常相似，这可以说明基于通过3D有限元模型模拟而获得的声场来布置电磁超声换能器EMAT是合理的。然而，实验曲线比模拟曲线稍窄，这可能是由于在实验中，当Lamb波穿过通孔时存在复杂反射，并且回波信号也可能在电磁超声换能器EMAT将声信号转换为电信号的工作过程中而受到影响。
电磁超声换能器
通孔
样品
中轴
移动轨迹
图9.实验设置示意图
模拟结果
测量结果
标准化位移
图10.模拟结果与实验结果的比较
缺陷回波
缺陷回波
结束回波
结束回波
主脉冲信号
具有多个电磁超声换能器的缺陷检测装置
图11.显示缺陷回波波形的计算机界面
在验证电磁超声换能器EMAT的阵列布置的合理性之后，使用按照该布置方式设计的检测装置来实际检测铝板中的缺陷。根据实验结果，发现该检测装置可以识别Phi;2mm的通孔和4mm长度的凹槽，并且也可以清楚地检测位于两个相邻电磁超声换能器之间的缺陷。图11显示出了在识别通孔时的计算机界面。在回波信号显示窗口中，可以观察到由电磁超声换能器EMAT探头之一接收到的缺陷回波波形。上部波形是通过使用累积平均算法处理的回波信号，而下部波形运用互相关算法进行了进一步处理。图12是检查装置的图片，其中标记了电磁超声换能器EMAT阵列和样品。
测试样品
电磁超声换能器阵列
图12.检测装置的实物图片
6.结论
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