摘 要

电磁超声信号采集电路作为电磁超声检测的重要组成部分，用来完成接收线圈电压信号的滤波和放大。其采集电路的能力关系到测量的精确性，同时错误的采集电路将使整个系统不能正常工作。面对虽然电磁超声检测的使用频率越来越频繁，但是国内对电磁超声检测技术的研究缺乏的现状。本文设计了一个用于铝板表面探伤的电磁超声检测电路，通过电路的设计，使人们对无损检测技术有更多的认识。

本文通过理论出发，确定铝板表面探伤所需要超声波的合适频率，根据电磁超声检测接收线圈接收到的信号的幅值和频率，设计合理的电磁超声检测信号采集系统的放大滤波电路，完成接受线圈接受信号的放大与干扰信号的滤除。通过这种方式，使得信号强度能够被信号采集卡收集，最后显示在滤波器上。

在完成信号采集电路的过程中，本文利用了德州电子公司的FilterPro Desktop软件完成滤波器的选型和参数设计，采用了Matlab中Simulink模块完成采集电路模块的连接从而验证设计电路的合理性与准确性，运用了立创EDA软件完成实际的PCB板的设计，将PCB板、基本电路元件、信号采集卡与示波器等连接起来，完成铝板表面探伤的电磁超声检测。

关键词：电磁超声检测；铝板表面探伤；放大电路设计；滤波器设计；PCB板设计

Abstract

As an important part of electromagnetic ultrasonic testing, the electromagnetic ultrasonic signal acquisition circuit is used to complete the filtering and amplification of the receiving coil voltage signal. The ability of signal acquisition circuit influences the accuracy of the measurements, while the wrong acquisition circuitry will prevent the entire system from functioning properly. In the face of the increasing frequency of using electromagnetic ultrasonic testing and the lack of research on electromagnetic ultrasonic testing technology in China. In this paper, an electromagnetic ultrasonic testing circuit for surface flaw detection of aluminum plates is designed. Through the design of the circuit, people have more understanding of non-destructive testing technology.

Based on the theory, this paper determines the appropriate frequency of ultrasonic waves required for surface inspection of aluminum plates. According to the amplitude and frequency of the signal received by the receiving coil of the electromagnetic ultrasonic, a reasonable electromagnetic ultrasonic signal collecting circuit is designed to complete the amplification of the receiving signal and the filtering of the interference signal. Thus, the signal strength can be collected by the signal acquisition card and finally displayed on the filter.

In the process of completing the signal acquisition circuit, this paper uses the FilterPro Desktop software of Texas Electronics to complete the filter selection and parameter design. And the Simulink module in Matlab is used to complete the connection of the acquisition circuit module to verify the rationality and accuracy of the design circuit. Finally, the Li chuang EDA software was used to complete the actual PCB board design, and the PCB board, basic circuit components, signal acquisition card and oscilloscope were connected to complete the electromagnetic ultrasonic testing of the surface inspection of the aluminum plate.

Key Words: Electromagnetic ultrasonic detection; Aluminum surface inspection; Amplifier design; Filter design; PCB board design

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪 论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目标 2

1.4 研究内容 3

第2章 整体方案 4

2.1 设计要求 4

2.1 前置放大电路 4

2.2 带通滤波电路 5

2.3 三级放大电路 6

第3章 电路参数设计 7

3.1 信号频率的选择 7

3.2 前置放大电路 7

3.3 带通滤波电路 8

3.4 三级放大电路 10

第4章 基于Simulink的电路模拟仿真 12

4.1 构建电路的仿真模型 12

4.2 滤波器带宽的选定 14

4.3 电路降噪性能验证 15

第5章 实际电路制作 18

5.1 运算放大器的仿真验证 18

5.2 PCB板的制作 22

5.3 铝板表面探伤实验 26

5.3.1 实验目的 26

5.3.2 实验装置 26

5.3.3 实验步骤 28

5.3.4 实验结果与分析 28

第6章 总结 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪 论

1.1 研究目的及意义

随着工业水平的发展，仪器与设备慢慢的走向复杂化和高性能化。因此当设备出现故障不及时处理时，可能会导致严重事故，从而带来财产损失和安全问题。如何避免灾难性事故的发生是现代工业必须解决的问题^[1]。

在不损伤检测对象的条件下,检测和评价检测对象的相关参数，这种检测技术被称为无损检测技术。无损检测技术在生产中有重要的作用^[2]。近年来，无损检测技术在各个生产制造领域内的使用越来越频繁，主要用于对设备的可靠性和安全性的检测和评估，电磁超声检测有不需要接触测量等优点。在测量、炼钢以及铁路轨道等应用广泛^[3]。相比于其他检测技术，电磁超声无损检测很多优点。其设备结构简单、安全性好^[4]。因此有许许多多的学者在为电磁超声无损检测技术的发展而努力奋斗。电磁超声与压电超声检测在激发超声波的方式上不同^[5]。压电超声检测必须要有合适的传播介质，同时需要与被测试样接触，但是电磁超声检测没有以上两个特点。电磁超声检测比压电超声有着适用范围更加广阔、对检测对象的要求不高和检测速度快等优点，因此适当的采用电磁超声检测技术可以提高检测效率。电磁超声检测可以用于高温、高速和在线检测^[6]。电磁超声检测作为无损检测的一个类型，越来越广泛地应用于各种工业场合，前景广阔。

EMAT(电磁声学换能器)执行器能够产生和接收超声波，而不需要与被测材料的表面进行彻底接触。通过电磁声学换能器能够产生多种类型的波:兰姆波、剪切波、纵波和瑞利波。此外，当EMAT技术采用曲线形线圈时，波的产生是定向的。曲线形线圈允许区分周向扫描和轴向扫描^[7]。此外，该方法由于其非接触性，在一些危险场合也可以使用电磁超声检测。例如在建筑物应力评估中能采用该技术^[8]。新分析方法的不断出现，逐渐的使无损检测技术种类更加丰富多元，令其检测功能更加强大，检测结果更加精确。

据统计，这些年在工业生产中，无损技术对设备可靠性和安全性的检测和评估有着越来越大的作用。工业对无损技术的要求日益增加，但是我国在无损检测这个领域研究的并不透彻，我国并没有完备电磁超声系统，因此在很多工业场合中，我国无损检测技术并不能满足其一些特殊要求，所以现在需要进一步发展无损检测技术。

中国主要研究超声检测技术的换能效率与信号滤波等^[9]。在电磁超声检测方面，不少发达国家已经将电磁超声检测应用到工业生产中，而我国电磁超声技术发展起步较晚。我国对超声检测信号电路的设计较少^[10]。

电磁超声传感器由射频线圈和永磁体组成^[11]。典型的EMAT一般包括样品、偏置磁场和励磁线圈。其转换机制主要由三种组成^[12]。其中有劳伦兹力机制、磁化力机制以及磁致伸缩机制。当将变高频电流通入激励线圈时，感应电涡流将在被测试样表面产生。而在所给磁场的影响下，感应电涡流将受到洛伦兹力的影响，其中感应电涡流的带电微粒会产生规律的振动，从而超声波的声源在试样表面上产生。超声波在被测试样内部经过一系列的反射、衍射过程，最终被检测装置所接收。通过分析其回波信号，可以实现对试样缺陷的精准定位^[13]。但是由于接收线圈接收到的电压信号过于微弱，同时这个电压信号往往有很多噪声信号夹杂其中，因此一个优良的信号采集电路非常重要。本文正是在这个发展背景下对电磁超声检测信号采集电路设计与仿真展开了研究。

1.2 国内外研究现状

在中国，电磁超声检测技术的应用还停留在无损探伤和无损检测上。由于电子技术的高速发展，无损探伤技术与电子技术相结合实现了质的飞跃, 产生了许许多多的无损探伤新型技术。虽然说中国有了很多新型的无损检测技术，但是都是仅仅在无损探伤和无损检测的层次上。在电磁超声检测技术上，我国也是一直在研究怎样提高检测的精度，抗干扰能力等等。蔡志超对探头和线圈进行改进^[14]。通过他的研究可以简单快速的检测，同时能够有效地减少噪声的干扰和防止某些死角漏掉了检测，从而提高电磁超声检测对于小裂纹的检测效果。陈玉研究了新的滤波电路算法^[15]。他利用改进的小波阈值降噪算法优化了滤波电路，使得电磁超声采集电路能够有更高的精度。刘素贞研究了涡流复合检测技术^[16]。她将电磁超声检测技术与脉冲涡流检测技术融合在一起，融合后的检测技术能够检测样品内部伤痕和外部伤痕。通过上面的例子可以得知，中国在无损检测上还是处于无损探伤和无损检测的研究中，并没有进行关于无损评价的有关研究，同时对于无损检测技术的适用条件也没有很好地去放大。

国外，现在主要在研究关于无损评价和扩大适用性的无损检测技术。Shoichiro Nagata完成了散热器结构自动检测^[17]。在他的《Eddy Current Non-Destructive Evaluation for Healthiness of Radiator Structure》一文中将无损检测的适用条件进行了放大，使得其检测适应性更强，从而完成散热器结构的检测并利用检测结果对散热器目前情况作出自动判断。Portia Banerjee主要通过置信度提高无损评估精度^[18]。在他的《Confidence metric for signal classification in Non Destructive Evaluation》一文中，讨论了在无损评估中缺陷分类的可靠性定量评估，同时开发了一个框架，通过对估计噪声分布的贝叶斯后验概率进行加权，将噪声在无损检测中的影响嵌入到最终的置信测度中，最终提高无损评估的精确度。通过上面的例子可以发现，他们的目的都是在于扩大无损检测的使用条件和使评价被测元件的损伤程度更加精确和自动化。

1.3 研究目标

本文设计的电磁超声检测信号采集电路适用于铝板表面缺陷的无损检测，采集信号输入来源于接受线圈，由于接收线圈接收到的电压信号为300uV左右，非常微弱。同时，信号的频率为500KHz，频率较高。所以为了让示波器能够很好的显示出波形，需要将接收线圈接收到的电压信号进行滤波放大。本次研究目标为完成放大滤波电路的设计，使其能作为铝板表面缺陷无损检测的放大滤波电路，让检测结果能清楚的显示在示波器上。

1.4 研究内容

本文的主要研究内容包括以下几个方面：

（1）完成电磁超声检测技术中信号采集的方案以及信号采集电路的设计

本文根据铝板表面探伤中接受线圈接收信号的电压以及频率等特点，确定信号处理电路需要对信号进行处理的方式，同时根据信号采集卡的采集要求确定信号处理电路的放大倍数。在确定放大倍数和信号的特性后，设计合理的采集信号的处理电路。

（2）利用FilterPro Desktop设计出合适的信号滤波电路，使检测更加精确

本文从接受信号的频率以及电磁超声检测系统的工作环境出发，选择合理的中心频率、带宽和放大倍数等带通滤波电路基本性能要求，利用FilterPro Desktop软件设计出合理的带通滤波器，并通过模拟仿真检验其放大能力与滤波能力是否达到要求。

（3）基于Matlab Simlink建立电磁超声检测信号处理电路的仿真模型

通过Matlab Simlink建立已经设计好的电磁超声检测信号处理电路的仿真模型，完成采集电路的模拟，检验电路设计的可行性与准确性，同时将不同带宽的滤波电路进行模拟仿真，通过仿真结果得到最优的滤波电路带宽。

（4）基于Tina-TI建立实际运算放大器的电路模型，验证所选运算放大器能否满足信号要求。

（5）设计电路的PCB模型，并将其加工成实物PCB板

当模拟结果满足要求后，利用立创EDA设计出信号处理电路的PCB板，并完成整个采集系统的连接。在PCB图绘制完成后，将其交给做电路印刷板的商店，得到需要的电路印刷板。在实物都准备好以后，完成整个采集系统的实物连接，并通过实验验证设计电路的准确与合理。

第2章 整体方案

2.1 设计要求

信号处理电路需要达到的主要目的有将接受到的高频微弱信号进行放大以及滤波降噪。经过决定，本文采用的电路包括两个放大电路和一个滤波电路。对于前置放大电路而言，其主要目的为将接受的信号进行初步放大。同时因为接受到的电压信号其幅值大小可能会变化，因此需要做到放大增益在一定范围内的可调。但是这个放大作用会将干扰信号也进行放大，因此需要在前置放大信号后接一个带通滤波电路完成干扰信号的过滤，最后由于在经过前置放大电路与滤波电路放大后，其电压大小仍然无法满足信号采集卡的采集电压要求。因此需要在滤波电路后再次设计放大电路，通过三级放大从而使信号的电压大小能达到所用信号采集卡的采样电压要求。因为该放大电路在滤波电路之后，所以它不能产生较大的干扰信号。

通常，EMAT探头接受到的电磁超声信号十分微弱，其电压水平大致量级为10^-4V，其数值非常微小。考虑到前置放大电路的电压增益倍数需要较高以满足总噪声信号的较小，因此前置放大电路的电压增益设置为101，滤波电路其电压增益倍数一般在10左右，因此三级放大电路其电压增益倍数为11。最终通过信号电路实现了电压的10⁴倍左右的放大。

综上所述，电磁超声检测信号采集电路需要以下几点要求：

（1）一级放大电路电压增益为40dB左右

（2）一级放大电路具有可调的放大倍数

（3）滤波电路电压增益为20dB

（4）三级放大电路电压增益为20dB左右

（5）三级放大电路产生噪声的能力小

2.1 前置放大电路

在设计前置放大电路时，由于电磁超声检测中EMAT线圈发射的超声波频率为500KHz左右，其超声波的频率很高。

图2.1 前置放大电路

同时，EMAT线圈接收到的电平信号通常不是标准的正弦信号，且接收线圈接受的电压变化范围往往很大。因此对于放大器有两点必须满足的要求，一是具有较宽的频带宽度，二是具有一定范围内可以调节的电压增益。

一级放大电路需要做到放大倍数的可调和较大的带宽范围，经过选型之后，最终决定用运算放大器实现前置放大电路的增益倍数。如图2.1为前置放大电路。

通过原理图可以得知，电压由输入端VG1流入，经过运算放大器的放大，通过输出端口输出给下一级电路。R4为一滑动变阻器，通过调节变阻器的阻值实现电压放大增益的可调。

2.2 带通滤波电路

输入信号经过带通滤波器时，其中的干扰信号将被过滤，从而提高实验结果的准确性。图2.2即为二阶带通滤波器电路。

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