本發(fā)明涉及電磁超聲無損檢測技術，具體為一種低噪聲的收發(fā)一體電磁超聲換能器及其工作方法。

背景技術：
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電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer，簡稱EMAT)是一種激發(fā)和接收超聲波的裝置。該裝置無需聲耦合劑，結(jié)構(gòu)簡單，可以方便地激發(fā)多種模式的超聲波，可實現(xiàn)非接觸測量，因此廣受研究者關注。電磁超聲換能器主要由3部分構(gòu)成：發(fā)射、接收線圈，磁鐵及待測試件。由于電磁超聲換能器的換能效率比較低，激發(fā)出的超聲信號極其微弱，導致接收到的信號的信噪比較低，容易受到干擾，導致測量時易產(chǎn)生誤判，將干擾信號當作缺陷信號。回折線圈被廣泛應用作為超聲換能器的激發(fā)和接收線圈，在制作過程中，相鄰半波長距離的線圈導線之間都是采用直角走線，而直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化,造成阻抗的不連續(xù)，直角走線的對信號有三個方面的影響：一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間；二是阻抗不連續(xù)會造成信號的反射；三是直角尖端產(chǎn)生的EMI，使得待測試件上產(chǎn)生的電渦流分布不均勻，從而導致超聲激發(fā)時的強度分布不均，影響檢測效果。另一方面，現(xiàn)有采用回折線圈作為激勵線圈的電磁超聲換能器，磁鐵的長度和寬度均大于線圈的長度和寬度，由于磁鐵的長度大于導線的長度，使得回折線圈相隔半波長距離的導線之間的連接導線也引起待測試件內(nèi)產(chǎn)生超聲波，當換能器既作為發(fā)射也作為接收時，接收到的信號中就會包含有這一部分超聲信號，這一部分信號就成為了我們所不希望的噪聲，在用于測量寬度較小的試件時，這種噪聲的影響尤為明顯。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種單磁鐵、收發(fā)一體、且接收和發(fā)射線圈分立的應用于窄板檢測的電磁超聲換能器，減少由于側(cè)邊線圈產(chǎn)生的超聲信號噪聲對測量結(jié)果影響。

本發(fā)明采用如下技術方案：一種低噪聲的收發(fā)一體電磁超聲換能器，由待測試件，印制電路板，發(fā)射線圈，永磁鐵和接收線圈組成，所述發(fā)射線圈與接收線圈設置在同一個印制電路板的不同層上且交替設置在不同的層，永磁鐵放置在發(fā)射線圈和接收線圈上面，所述發(fā)射線圈和接收線圈共用一塊永磁鐵來提供偏置磁場，發(fā)射線圈和接收線圈放置在待檢測試件上，發(fā)射線圈與外部功率放大器連接，用于在待測試件內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，接收線圈與外部信號調(diào)理電路連接，用來檢測待測試件中的超聲振動。

進一步地，所述發(fā)射線圈與接收線圈的長度L2大于永磁鐵的長度L1。

進一步地，所述發(fā)射線圈與接收線圈的長度L2是永磁鐵的長度L1的1.2倍以上。

進一步地，所述發(fā)射線圈中導線之間的間隔距離為所要激發(fā)的超聲波的半波長。

進一步地，所述發(fā)射線圈中導線的各個橫截面的面積一樣。

進一步地，所述接收線圈中導線的各個橫截面的面積一樣。

進一步地，所述發(fā)射線圈和接收線圈在相鄰半波長導線之間回折部分為圓弧形。

本發(fā)明還采用如下技術方案：一種低噪聲的收發(fā)一體電磁超聲換能器的工作，包括如下步驟：

步驟一：由與功率放大器連接相連接的信號發(fā)生器產(chǎn)生猝發(fā)激勵信號，激勵信號經(jīng)功率放大后施加到發(fā)射線圈上，發(fā)射線圈在待測試件上感應出電渦流，電渦流在永磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場作用下在待測試件中產(chǎn)生洛倫茲力，動態(tài)洛倫茲力作用于待測試件中產(chǎn)生超聲波；

步驟二：超聲波在待測試件中傳播，遇到缺陷或者邊界后反射回波信號，當回波經(jīng)過接收線圈下方時，待測試件內(nèi)部的粒子運動切割永磁鐵產(chǎn)生磁力線而產(chǎn)生電流形成動態(tài)電場，動態(tài)的電場又產(chǎn)生動態(tài)磁場，接收線圈在動態(tài)磁場作用下產(chǎn)生動態(tài)電流信號，動態(tài)電流經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后用來檢測待測試件中的超聲振動。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明低噪聲的收發(fā)一體電磁超聲換能器，通過改變換能器線圈的結(jié)構(gòu)形式，可以達到以下效果：增加激發(fā)線圈導線長度，使得線圈側(cè)面的回折部分所產(chǎn)生的電渦流減少永磁鐵的靜態(tài)偏置磁場影響，從而降低由于側(cè)面線圈產(chǎn)生的超聲雜波干擾，提高信噪比；將發(fā)射線圈和接收線圈設計在同一塊PCB上，發(fā)射線圈和接收線圈的導線重疊且交替在不同的層上布置，可實現(xiàn)發(fā)射和接收共用同一永磁鐵來提供偏置磁場，發(fā)射線圈發(fā)射信號時，接收線圈就能感應到激勵信號，記錄下超聲波發(fā)射的時間，避免了共用一個線圈發(fā)射和接收超聲波的情況下，先將發(fā)射線圈接到激勵電源發(fā)射信號，發(fā)射完信號后再將線圈通過切換開關切換到接收電路上，將原來的發(fā)射線圈作為接收線圈，所帶來的接收信號在時域內(nèi)時間尺度上沒有參考點的發(fā)射時間點，以及電路切換帶來延時誤差的問題；發(fā)射線圈和接收線圈在間隔半個波長的導線間的回折處采用圓弧結(jié)構(gòu)，使得發(fā)射線圈和接收線圈導線截面面積保持一致，阻抗連續(xù)，減少電磁干擾所帶來的噪聲。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明電磁超聲換能器的剖面圖。

圖2(a)、圖2(b)為發(fā)射線圈與接收線圈的長度與永磁鐵長度對比圖。

圖3(a)、圖3(b)為傳統(tǒng)線圈與本發(fā)明線圈結(jié)構(gòu)比較圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明低噪聲的收發(fā)一體電磁超聲換能器由待測試件1，印制電路板(PCB)2，發(fā)射線圈3，永磁鐵4和接收線圈5組成，發(fā)射線圈3與接收線圈5設置在同一個多層印制電路板2的不同層上且交替設置在不同的層，永磁鐵4放置在發(fā)射線圈3和接收線圈5上面，發(fā)射線圈3和接收線圈5共用一塊永磁鐵4來提供偏置磁場，發(fā)射線圈3和接收線圈5放置在待檢測試件1上，發(fā)射線圈3與外部功率放大器連接，用于在待測試件1內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，接收線圈5與外部信號調(diào)理電路連接，用來檢測待測試件1中的超聲振動。

發(fā)射線圈3與接收線圈5設置在同一個多層印制電路板2的不同層上且交替設置在不同的層，發(fā)射線圈3與接收線圈5獨立工作，同一個換能器既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波，避免了單線圈換能器既作為發(fā)射線圈又作為接收線圈用時復雜的切換控制電路，減少電路切換所帶來的時差。發(fā)射線圈3與接收線圈5的長度L2大于永磁鐵4的長度L1，且發(fā)射線圈3與接收線圈5的長度L2是永磁鐵4的長度L1的1.2倍以上，即導線回折邊在永磁鐵4外，將永磁鐵4放置在導線的中間部位，當激勵電流通過發(fā)射線圈3與接收線圈5時，發(fā)射線圈3與接收線圈5在間隔半波長導線間回折部分導線所產(chǎn)生的電渦流不受永磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場的作用而產(chǎn)生超聲波噪聲。

發(fā)射線圈3用于產(chǎn)生超聲波的導線之間的間隔距離為超聲波的半波長，且導線之間回折處采用與導線寬度等截面的圓弧連接，導線的各個橫截面的面積一樣，導線截面積均勻一致，避免相距半波長導線間的連接采用直角轉(zhuǎn)折引起導線截面積變化而引起導線阻抗改變，同時消除回折尖角處的電荷集中引起的電磁干擾，減少噪聲。

檢測時，由信號發(fā)生器產(chǎn)生猝發(fā)激勵信號，激勵信號經(jīng)功率放大后施加到發(fā)射線圈3上，發(fā)射線圈3在待測試件1上感應出電渦流，電渦流在永磁鐵4產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場作用下在待測試件1中產(chǎn)生洛倫茲力，動態(tài)洛倫茲力作用于待測試件1中產(chǎn)生超聲波；超聲波在待測試件1中傳播，遇到缺陷或者邊界后反射回波信號，當回波經(jīng)過換能器下方時，待測試件1內(nèi)部的粒子運動切割永磁鐵4產(chǎn)生的磁力線而產(chǎn)生電流形成動態(tài)電場，動態(tài)的電場又產(chǎn)生動態(tài)磁場，接收線圈5在動態(tài)磁場作用下產(chǎn)生動態(tài)電流信號，動態(tài)電流經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后作為檢測的依據(jù)。圖2所示，電磁超聲換能器的發(fā)射線圈3與接收線圈5的長度L2是永磁鐵4長度L1的1.2倍以上，導線回折邊在永磁鐵4外，從而避免導線回折邊在靜態(tài)偏置磁場作用下產(chǎn)生無用的干擾雜波。圖3(a)為傳統(tǒng)的線圈，其回折處是采用直線，回折處會產(chǎn)生尖角，導線在回折處的界面積變大，導線阻抗變化，且尖角處產(chǎn)生電荷積聚；3(b)為本發(fā)明所設計的線圈，回折處的導線設計成半圓弧狀，導線在回折處的截面積不變，導線各橫截面的阻抗一致，從而減少信號的反射。由于沒有了回折處的尖角，因此避免由于電荷集膚效應導致電荷在尖角處積聚而引起的電磁干擾，從而提高電磁超聲換能器的信噪比。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。