跑道型线圈EMAT等效阻抗影响因素分析.pdf

引用格式：引用格式：邓育源,赵雪妮,张宗健,等.跑道型线圈 EMAT 等效阻抗影响因素分析J.中国测试，2024,50(1):113-121.DENGYuyuan,ZHAOXueni,ZHANGZongjian,etal.AnalysisofinfluencingfactorsofEMATequivalentimpedanceofracetrackcoilJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):113-121.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022080095跑道型线圈 EMAT 等效阻抗影响因素分析邓育源1,2，赵雪妮1，张宗健2，郑阳2(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021;2.中国特种设备检测研究院，北京100029)摘要:电磁超声换能器（EMAT）是一种不需要耦合剂就能对被测试件进行超声检测的传感器，在常规超声难以检测的领域发挥着重要的作用。但是电磁超声换能器换能效率低、信噪比差的问题，制约着电磁超声换能器的发展。该文主要从等效阻抗的角度研究传感器的阻抗特性，分析影响传感器阻抗特性的影响因素，根据传感器的阻抗特性对传感器进行优化设计，并对不同工况下的传感器进行阻抗匹配，研究不同工况下阻抗匹配网络对于传感器信号幅值和信噪比的影响。研究结果表明，磁铁到线圈间距和提离距离对传感器等效阻抗的影响较为显著，按照提离距离为 0.5mm 和磁铁到线圈间距为 1mm 设计的传感器能够满足对不同性质的被检材料检测时信号幅值达到最优的目的，在不同被检材料下随提离距离的变化信号幅值的衰减规律不同，阻抗匹配网络的加入有利于提高大提离下信号的信噪比。关键词:电磁超声换能器;跑道型线圈;阻抗匹配;换能效率中图分类号:TB552;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01011309Analysis of influencing factors of EMAT equivalentimpedance of racetrack coilDENGYuyuan1,2,ZHAOXueni1,ZHANGZongjian2,ZHENGYang2(1.CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xian710021,China;2.ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China)Abstract:Electromagneticultrasonictransducer(EMAT)isatransducerthatcanultrasonicallydetectthetestpiecewithouttheneedforacouplingagent,andplaysanimportantroleinareasthataredifficulttodetectwithconventionalultrasound.However,theproblemsoflowtransductionefficiencyandpoorsignal-to-noiseratioof electromagnetic ultrasonic transducers are restricting the development of electromagnetic ultrasonictransducers.Thispapermainlystudiestheimpedancecharacteristicsofthesensorfromtheperspectiveofequivalentimpedance,analyzestheinfluencingfactorsaffectingtheimpedancecharacteristicsofthesensor,optimizesthedesignofthesensoraccordingtotheimpedancecharacteristicsofthesensor,andimpedancematchesthesensorunderdifferentoperatingconditions,andinvestigatestheimpactoftheimpedancematching收稿日期:2022-08-21；收到修改稿日期:2022-10-17基金项目:国家自然科学基金（52075550）；中国特种设备检测研究院青年基金项目(2020 青年 16)作者简介:邓育源（1995-），男，甘肃兰州市人，硕士，研究方向为电磁超声无损检测。通信作者:张宗健（1990-），男，四川凉山州人，工程师，硕士，主要从事无损检测与评价技术研究相关的方法研究、传感器研制及性能评估等工作。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,2024networkontheamplitudeofthesensorsignalandthesignal-to-noiseratiounderdifferentoperatingconditions.Theresultsshowthatthemagnet-to-coilspacingandlift-offdistancehaveasignificanteffectontheequivalentimpedanceofthesensor,andthesensordesignedaccordingtothelift-offdistanceof0.5mmandmagnet-to-coilspacingof1mmcanmeetthepurposeofdetectingtheoptimalsignalamplitudeofthedetectedmaterialsof different properties,and the attenuation of signal amplitude with the change of the lift-off distance isdifferent in different materials,and the addition of impedance matching network is conducive to theimprovementofsignal-to-noiseratiounderlargelift-off.Keywords:electromagneticultrasonictransducer;racetrackcoil;impedancematching;transducerefficiency0 引言电 磁 超 声 换 能 器（electromagnetic acoustictransducer，EMAT）由于无需直接与被测试件接触就能进行检测，弥补了压电超声检测技术的一些劣势；因此，电磁超声检测技术在一些常规超声检测难以适应的工况发挥着重要作用1-5。电磁超声检测的灵敏度比常规压电超声要低 40dB 左右，且容易受电磁干扰6。因此，优化 EMAT 传感器，并提高电磁超声换能器的能量传输效率和检测灵敏度具有重要的意义。国内外学者对线圈等效阻抗进行了大量的研究。Jian 等7提出了 EMAT 的等效电路模型，且通过计算和实验分析了线圈匝数和提离距离对于线圈等效阻抗和频率特性的影响；Zao 等8提出了一种串并联谐振电路，该谐振电路可实现阻抗匹配且有利于抑制共振拖尾现象。Shi 等9针对非铁磁被测试件研究了影响螺旋线圈等效阻抗的因素，得出影响提离灵敏度的主要参数，但研究未对磁性被测试件进行研究。郝宽胜，黄松岭等10研究了 EMAT 传感器阻抗匹配的方法，分析了影响传感器等效阻抗的因素，采用有限元法计算了不同提离距离下传感器阻抗和分布电容值，进而计算出线圈的匹配电容，但并未涉及力场和声场耦合的问题。Wu 等11通过正交实验研究了传感器结构参数和理论最大振幅的关系，分析得出影响振幅的关键因素是提离距离和磁铁到线圈间距。现有研究大多从单一被检材料光滑表面分析固定提离距离下信号幅值的变化，忽略了被检材料的多样性以及提离不固定等问题对传感器阻抗影响造成的信号幅值变化。本文针对不同工况下传感器阻抗特性不明确的问题，提出应用传感器等效阻抗的方法来优化设计传感器，研究不同工况下传感器阻抗特性的影响规律，建立适用于多数检测工况的传感器，减少由检测工况发生变化引起的信号损失。1 阻抗匹配原理电磁超声换能器由于线圈层数和匝数较少，故传感器阻抗较小，呈低阻特性。在激励端，由于功率放大器的内阻是固定内阻 50，因此认为负载阻抗和功率放大器阻抗存在严重的失配状况，所以需要在传输线上添加阻抗匹配网络，以实现功率放大器和传感器之间的阻抗匹配。在接收端，信号放大器的内阻可达到几百欧姆，传感器和信号放大器之间的失配状况更加严重，因此同样需要在接收端进行阻抗匹配。首先通过测量得出激励线圈的等效电阻 RS和电抗 XS，再通过计算得到 Q 值，根据 Q 值选择不同的阻抗匹配网络，然后计算得到适合 LC 网络的 Xa和 Xb，以此来判断需要匹配原件的类型，进一步计算得到在此阻抗匹配网络下的匹配电容值和匹配电感值，使得传感器阻抗等于功率放大器的复共轭，以此来达到调谐和变频的作用并使输出功率最大。功率放大器、换能器和阻抗匹配网络的简化模型示意图如图 1 所示。jAjBEMAT功率放大器阻抗匹配网络RLXLCLZLZout=ZL*ZSZin=ZS*ZSjXSRSUS图 1 功率放大器、EMAT 换能器和阻抗匹配网络的简化模型示意图等效阻抗的计算公式如下：Xa=(R2L+X2L)QRL+XL(1)114中国测试2024年1月Xb=QRSXS(2)线圈的品质因数 Q 被定义为Q=vuuuuutRL1+(XLRL)2RS1(3)根据 Xa和 Xb的正负值计算出所需的电容值以及电感值，为负值则按照公式（4）计算出匹配电容，为正值则按照公式（5）计算出匹配电感。CP=12fX(4)LS=X2f(5)2 实验研究跑道型线圈 EMAT 不仅在测厚、探伤方面用途广泛12-13，还可以组成电磁超声多通道阵列14，因此本文以跑道型线圈为例来研究不同工况下传感器阻抗的变化规律。本实验采用低频-射频阻抗分析仪(Agilent-E5061B，工作频率范围 5Hz3GHz）对不同工况下传感器等效阻抗进行测量，研究传感器阻抗特性，分析得出传感器阻抗变化规律。电磁超声传感器由磁铁、线圈和被测试件三部分组成，磁铁采用钕铁硼(Nd-Fe-B)烧结的永磁铁，线圈采用0.2mm 的铜线通过印刷电路板制造而成，被测试样采用厚度为 18mm 的铝板。电磁超声传感器结构7如图 2 所示。在电磁超声检测中，由于常用的检测频率范围为 24MHz，因此，本实验采用的频率范围是 10Hz4MHz。.wmhmh1h2dchsds.dgmcdm图 2 电磁超声传感器示意图采用低频-射频阻抗分析仪对传感器阻抗进行测量，传感器阻抗以实部（电阻 R）和虚部（电抗 X）保存为复阻抗的形式，为了便于观察传感器阻抗随频率的变化趋势，需要将传感器阻抗转化为电阻抗模和相位角的表达形式，转换公式如下：R=|Z|cos(6)X=|Z|sin(7)|Z|=R2+X2(8)=arctan(XR)(9)2.1 EMAT 等效阻抗影响因素分析实验2.1.1线圈匝数对传感器阻抗的影响文献 15 研究结果表明，线圈导线直径为0.2mm 时，涡流效应对于线圈的影响相对较小，线圈具有更好的发射和接收效果。因此，利用印刷电路板技术制造了双层 412 匝柔性 PCB 线圈，研究传感器线圈匝数对传感器阻抗的影响。线圈参数如表 1 所示，柔性 PCB 跑道型线圈实物图如图 3 所示，不同匝数下传感器等效阻抗特性曲线如图 4 所示。表 1 线圈参数参数数值线圈导线直径dc/mm0.2相邻导线中心间距离dm/mm0.33上下层间距dg/mm0.3轴线左右相邻线圈间距mc/mm0.76图 3 不同匝数的柔性 PCB 跑道型线圈增加线圈的匝数会使跑道型线圈平面内的磁感应强度增加，即电磁线圈的敏感范围增加，信号幅值提高。同时线圈匝数的增加使线圈长度增加，导致线圈电阻增加，从而使不同匝数线圈电阻抗模以近似相同的增长速率增加。2MHz 时传感器电阻随线圈匝数的变化如表 2 所示。线圈相位角的变化受到线圈激励频率的影响较大，当线圈激励频率较低时，线圈相位角随线圈随激励频率的增加而迅速增加，相位角的急剧变化主要是由于线圈激励频率导致线圈电抗变化引起的，当激励频率大于 1MHz后，线圈相位角随频率的增加而缓慢增加，相位角的变化趋于稳定。第50卷第1期邓育源，等：跑道型线圈 EMAT 等效阻抗影响因素分析115表 2 2 MHz 时线圈电阻值随线圈匝数的变化表线圈匝数电阻值/电阻增长值/4匝线圈5.086匝线圈7.692.618匝线圈10.12.4110匝线圈12.72.612匝线圈15.22.52.1.2磁铁到线圈间距对于传感器等效阻抗的影响线圈采用串联双层 4 匝线圈，被测试件为非铁磁材料铝，提离距离 h1为 0mm，设置磁铁到线圈间距 h2在 02mm 范围内变化。研究磁铁到线圈不同间距下传感器等效阻抗随频率的变化趋势，实验结果如图 5 所示。由图可知，当线圈激励频率较低时，随着频率的增加磁铁到线圈不同间距下线圈阻抗变化很小；当线圈的激励频率超过 1MHz 后，频率对于传感器阻抗的影响变得明显，传感器阻抗的增长速率也随之增加。原因在于线圈受到磁铁产生的涡流效应影响较强，随着磁铁到线圈间距的增加，磁铁表面产生的涡流效应减弱，但是永磁铁的磁场强度较强，在强磁场的作用下，使得线圈与磁铁涡流回路的互感较强，磁铁到线圈间距对阻抗变化影响较弱。因此，当磁铁到线圈间距在小范围内变化时，涡流效应对于线圈阻抗的影响较弱。从阻抗匹配的角度来看，在同一检测频率下改变磁铁到线圈间距而不改变提离距离时，在强磁场的作用下磁铁到线圈间距变化对于传感器等效阻抗的影响较弱，通过阻抗匹配公式计算磁铁到线圈不同间距下匹配电容和匹配电感值，磁铁到线圈不同间距下的匹配电容和匹配电感值近似相等，由此说明按照某一特定条件匹配后，在 02mm 范围内磁铁到线圈间距变化对于匹配网络的影响较弱。从相位角的变化趋势可知，当激励频率小于 1MHz 时，线圈相位角呈迅速增长的趋势，导致传感器等效阻抗变化幅度较大；当激励频率大于 1MHz 时，线圈相位角呈缓慢增长的趋势，传感器等效阻抗变化幅1234频率/(106 Hz)(a)不同匝数传感器归一化电阻抗模(b)不同匝数传感器归一化相位角00.20.40.60.81.0归一化电阻抗模1234频率/(106 Hz)00.20.40.60.81.0归一化相位角4 匝6 匝8 匝10 匝12 匝4 匝6 匝8 匝10 匝12 匝图 4 不同线圈匝数下传感器等效阻抗曲线01234频率/(106 Hz)(a)磁铁到线圈不同间距下传感器归一化 电阻抗模随频率的变化曲线(b)磁铁到线圈不同间距下传感器归一化 相位角随频率变化曲线0.20.40.60.81.0归一化电阻抗模01234频率/(106 Hz)0.20.40.60.81.0归一化相位角h1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mmh1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mm图 5 磁铁到线圈不同间距下传感器阻抗随频率的变化曲线116中国测试2024年1月度较小。因此，当检测频率大于 1MHz 时，对传感器进行阻抗匹配，有利于减少频率变化对于阻抗匹配网络的影响。2.1.3线圈提离距离对于传感器等效阻抗的影响传感器提离距离就是线圈与被测试块之间的间距。当传感器的探头靠近被测物体时，在磁场的作用下，被测导体材料的表面会产生涡流。当提离距离改变时，必然导致试块表面的感应涡流密度发生变化，导体材料产生的反向磁场也将发生变化，进而使得传感器的等效阻抗发生变化，导致不同提离距离下传感器具有不同的等效阻抗值。当磁铁到线圈的间距 h1为 1mm 时，设置提离距离 h2在 02mm 范围内变化，其他条件不变，研究不同提离距离下传感器等效阻抗随频率的变化，研究结果如图 6 所示。1234频率/(106 Hz)(a)不同提离距离下传感器归一化 电阻抗模随频率变化曲线(b)不同提离距离下传感器归一化 相位角随频率变化曲线00.20.40.60.81.0归一化电阻抗模1234频率/(106 Hz)00.20.40.60.81.0归一化相位角h2=0 mmh2=0.5 mmh2=1.0 mmh2=1.5 mmh2=2.0 mmh2=0 mmh2=0.5 mmh2=1.0 mmh2=1.5 mmh2=2.0 mm图 6 不同提离距离下传感器阻抗随频率变化曲线由图可知，在同一频率下传感器电阻抗模随提离距离 h2的增加而增加，且当提离距离 h2大于1mm 时，增长趋势变缓；在同一提离距离下线圈电阻抗模随激励频率的增长呈线性增长的趋势，且随着激励频率的增加线圈电阻抗模的增长速率增加。当提离距离为 0mm 时，物体产生的涡流对传感器等效阻抗影响最大，互感最强，传感器的等效阻抗值最小，激励电流最大，信号幅值最强；随着提离距离的增加，试块表面的感应涡流密度变小，物体产生的反向磁场减弱，导致传感器阻抗随着提离距离的增加而增加，信号幅值减弱。因此当被测试件是非铁磁性材料时，应该尽可能小地设置提离距离，以提高能量转换效率；从相位角的变化可以看出，低频时随着频率的增加相位角急速增长，当频率超过 1MHz 后，相位角的变化趋势变缓。从阻抗匹配的角度来看，在同一检测频率下不改变磁铁到线圈间距而只改变提离距离，当提离间距在 0.52mm范围内变化时，随着提离距离的增加传感器阻抗变化趋势变缓，通过阻抗匹配公式计算得到的匹配电容和匹配电感值，在不同提离距离下的数值近似相等，由此说明提离距离在 0.52mm 范围内变化时，按照传感器某一提离距离下的等效阻抗进行阻抗匹配设计的传感器，能够有效提高信号幅值，且提离距离变化对于传感器接收信号的影响不敏感，能够适用于更多的检测环境。2.1.4被检材料对于传感器阻抗的影响在高频时涡流的作用使得阻抗的电阻部分增大，而电抗部分等效电感是增大还是减小，这主要由金属导体材料而定。当金属导体为非磁性材料时，由于线圈电感和电涡流回路等效电感不变，线圈与电涡流回路的互感增大，所以等效电感减小；当金属材料为磁性材料时，由于导体被磁化使线圈与电涡流回路的互感减小，而线圈电感和电涡流回路等效电感不变，从而等效电感将增大。等效电感的变化不仅与频率有关还与被测试件的磁导率、电导率等因素有关。本实验选用非铁磁性被检材料 18mm铝板和 10mm 铜板，铁磁性材料分别选用 18mm厚的 Q235 和 16Mn 进行实验，研究某一固定频率下不同被检材料表面传感器阻抗的变化规律，实验结果如图 7 和图 8 所示。1）非铁磁材料对于传感器阻抗的影响由图可知，当激励频率为 2MHz，磁体到线圈间距不变时，提离距离在 02mm 之间变化时，随着提离距离的增加，传感器阻抗呈现缓慢增长的趋势；当提离间距不变时，随着磁铁到线圈间距的增加，传感器阻抗同样呈现缓慢增长的趋势，但由磁铁到第50卷第1期邓育源，等：跑道型线圈 EMAT 等效阻抗影响因素分析117线圈间距变化引起传感器等效阻抗的变化明显小于提离距离引起的传感器等效阻抗的变化。因此，对于非铁磁性被测试件，线圈提离距离和磁铁到线圈间距越小，传感器等效阻抗越小，信号幅值越大。但是磁铁到线圈的间距过小会在回波信号中掺杂很强的干扰信号，造成信噪比变差。从检测的角度综合考虑，应该选择较小的提离距离和大于 1mm 的磁铁到线圈间距来设计传感器。2）铁磁性材料对于传感器阻抗的影响由图可知，当激励频率为 2MHz，磁铁到线圈的间距不变，提离距离在 02mm 之间变化时，随着提离距离的增加，传感器阻抗呈现缓慢下降的趋势，且提离距离在 00.5mm 范围内变化时，传感器阻抗变化较为明显；当提离距离保持不变，传感器阻抗随着磁铁到线圈间距的增加而增加，且当磁铁到线圈的间距大于 1mm 后传感器阻抗随磁铁到线圈间距的增加趋势变缓。因此对于铁磁性被测试件，应按照 0.52mm 的提离距离和大于 1mm 的磁铁到线圈间距设计传感器，使得传感器的等效阻抗变化趋势较小，以便应用于更多的检测工况。2.2 EMAT 阻抗匹配实验2.2.1实验系统组成基于上述不同检测工况下等效阻抗特性研究，对传感器进行阻抗匹配，研究适用于多数检测工况下的电磁超声传感器。电磁超声实验系统框图如图 9 所示，函数发生器激励产生 3 周期 2MHz 的正弦脉冲波，在示波器上显示，功率放大器将信号放大，经过激励端阻抗匹配将激励电压加载到激励传感器上，激励出沿被测试件厚度方向传播的超声波；在接收端，接收传感器接收到感应电压信号，经过接收端阻抗匹配网络，再经过信号放大器将感应电压放大，通过数据采集卡，最后在电脑上显示出 A扫信号。2.2.2阻抗匹配实验结果及分析实验中为了研究提离距离、磁铁到线圈距离和被检材料对于激励端传感器的影响，同时避免回波信号对于激励信号的干扰，本文采用一激一收的工作方式进行研究。激励和接收探头分别置于被测试0.51.01.52.0提离距离/mm(a)非铁磁性材料表面传感器归一化电阻抗模(b)非铁磁材料表面传感器归一化相位角00.20.40.60.81.0归一化电阻抗模0.51.01.52.0提离距离/mm00.20.40.60.81.0归一化相位角h1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mmh1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mm图 7 非铁磁材料表面提离距离和磁铁到线圈间距对于传感器阻抗的影响0.51.01.52.0提离距离/mm(a)铁磁性材料表面传感器归一化电阻抗模(b)铁磁性材料表面传感器归一化相位角00.20.40.60.81.0归一化电阻抗模0.51.01.52.0提离距离/mm00.20.40.60.81.0归一化相位角h1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mmh1=0 mmh1=0.5 mmh1=1.0 mmh1=1.5 mmh1=2.0 mm图 8 铁磁性材料表面提离距离和磁铁到线圈间距对于传感器阻抗的影响118中国测试2024年1月件的上下两端面，激励传感器采用匝数为 4 匝的跑道型线圈；为了提高电磁线圈的敏感范围，提高接收信号幅值，接收传感器采用匝数为 12 匝的跑道型线圈，且接收传感器的参数固定，只研究激励端传感器的性能。永磁铁的长宽高均为 28mm；被测试件分别采用 18mm 的铝板和 Q235 钢板作为非铁磁和铁磁被测试件进行研究。研究阻抗匹配前后，电磁超声传感器回波幅值的变化情况。根据 2.1 节研究结果设计电磁超声传感器和阻抗匹配网络，并对被测试件进行检测，检测结果如图 10 和图 11 所示。由图可知阻抗匹配后，信号幅值均有明显的提升，且在非铁磁和铁磁被测试件中相位角分别向后延迟了/6 和/4，说明设计的阻抗匹配网络对于信号起到了调谐的作用，但是均未达到计算得出的相位角延迟角度，这主要是因为在进行实际匹配时选取近似匹配数值的匹配原件导致，但只要在误差允许的范围内，阻抗匹配网络仍能够产生很好的效果。010203040501 00050005001 000信号幅值/mV主冲击二次回波三次回波未匹配波形匹配后波形17.5 18.5 19.56004002000200400600时间/s图 10 18 mm 厚铝板中感应电压波形010203040501 00050005001 000信号幅值/mV主冲击一次回波二次回波三次回波未匹配波形匹配后波形16.5 17.5 18.5 19.54003002001000100200300400时间/s图 11 18 mm 厚 Q235 钢板中感应电压波形由实验结果可得，在其他实验条件不变的情况下，当被检材料是非铁磁性材料时，传感器的信号幅值明显高于被检材料是铁磁性材料时的信号幅值，原因在于测量过程中静磁场效应和电涡流效应对传感器等效阻抗的改变相互制约造成的。且由匹配前后感应电压的波形对比可知，阻抗匹配网络对于被检材料是非铁磁性材料时信号幅值的增长明显优于被检材料是铁磁性材料时信号幅值的增长。当被检材料是非铁磁性材料时，加入匹配网络后，电流出现了严重的振荡现象，使得一次回波信号淹没在主冲击中，根据文献 16 描述可知，在本文中实验激励周期数为 3 周期，信号重复加载间隔为 100ms，无匹配时，电路中只有激励线圈和电路附加电容，附加电容值很小，电容、电感充放电过程很短，可以忽略；加入阻抗匹配后，由于匹配网络电容的存在，在完成一次激励后电容和电感之间有充放电过程。电路的放电过程与 R、L 和 C 参数有关，电路中电感的单位数量级为，电容的单位数量级为 nF，电阻仅为几欧姆，可知其满足衰减振荡放电的条件：R 2L/C(10)指数衰减系数=R/(2L)(11)振荡频率=1LCR2L2(12)振荡使电流周期数增加，但在一定的周期范围内不影响检测效果。激励电流的周期数越多其能量越大，越有利于增强检测信号的幅值，但周期数过阻抗匹配网路阻抗匹配网路功率放大器信号放大器数据采集器函数发生器试块接收传感器激励传感器示波器上位机电脑图 9 电磁超声检测实验系统框图第50卷第1期邓育源，等：跑道型线圈 EMAT 等效阻抗影响因素分析119多会使其在接收信号中产生的主冲击变宽，淹没接收信号的一次回波。因此可以在既能保证足够的检测信号强度，又能确保检测分辨率和检测精度的情况下，选择合适的激励周期个数，使加入阻抗匹配后的振荡不影响电磁超声检测的效果。图 12 显示了被测试件是铁磁材料和非铁磁材料时，阻抗匹配前后二次回波信号幅值随提离距离的变化曲线。0.51.01.52.02.53.0提离距离/mm(a)非铁磁材料中回波幅值随提离距离变化曲线0.51.01.52.02.53.0提离距离/mm0100200300400500600700800二次回波幅值/mV无匹配曲线0.5 mm 提离匹配1 mm 提离匹配2 mm 提离匹配无匹配曲线0.5 mm 提离匹配1 mm 提离匹配2 mm 提离匹配1.94 1.98 2.02 2.061001502002503000.951.001.05150200250300350400050100150200250300350400二次回波幅值/mV1101201301401501601701801.941.982.022.067080901001101201300.961.001.04(a)铁磁性材料中回波幅值随提离距离变化曲线图 12 回波幅值随提离距离的变化曲线由图可知，在非铁磁性材料中，信号幅值随着提离距离的增加而缓慢下降，当提离距离增加到1mm 时，信号幅值衰减 6dB；当被检材料是铁磁性材料时，随着提离距离的变化，信号幅值呈现先下将后增长的趋势，当提离距离由 0mm 变化到0.2mm 时，信号幅值急速衰减，当提离距离由 0.2mm增加到 0.5mm 时，随着提离距离的增加信号幅值呈现增长的趋势，当提离距离超过 0.5mm 后，随着提离距离的增加，信号幅值持续下降。在 2MHz 的激励频率下，对不同提离高度的传感器进行阻抗匹配，匹配前后信号幅值的衰减规律不变；但按照某一固定提离距离进行精确匹配后，信号幅值的提升效果并不明显，主要原因是随着提离距离增加，能量在空气中损耗较为严重，传输线上的阻抗匹配对于信号幅值的提升已经达到最大值。为了研究阻抗匹配前后电磁超声传感器信噪比的变化情况，按照磁铁到线圈间距为 1mm，提离距离为 0.5mm 时线圈的等效阻抗进行精确匹配，提离距离从 0mm 变化到 3mm 时，匹配前后信号信噪比变化情况，实验结果如图 13 所示。0.51.01.52.02.53.0提离距离/mm(a)非铁磁性材料中不同提离距离下信噪比曲线(b)铁磁性材料中不同提离距离下信噪比曲线00.51.01.52.02.53.0提离距离/mm051015202530SNR/dB10152025303540SNR/dB无匹配 SNR 曲线匹配后 SNR 曲线无匹配 SNR 曲线匹配后 SNR 曲线图 13 匹配前后不同提离距离下信噪比曲线由图可知，当提离距离小于 1mm 时，匹配前后信噪比的变化并不是很明显，当提离距离超过1mm 时，匹配后信号的信噪比明显强于匹配前信号的信噪比，且随着提离距离的增加，匹配后信号的信噪比逐渐增加，由此可知，所设计的匹配网络对于 1mm 以上提离下信号的信噪比有明显的提升作用，对传感器进行阻抗匹配有助于检测大提离下的被测试件。120中国测试2024年1月3 结束语本文对不同检测条件下的传感器影响因素进行分析，得到传感器等效阻抗变化规律，结论如下：1）磁铁到线圈间距对于线圈等效阻抗的影响小于提离距离对于线圈等效阻抗的影响。2）根据阻抗变化规律可知，按照 0.5mm 的固定提离距离和 1mm 的磁铁到线圈间距设计的传感器，能够同时满足对不同被检材料检测时信号幅值达到最优的目的。3）按照固定提离距离的等效阻抗对传感器进行匹配，匹配前后传感器信号幅值提升效果明显。在同一种被检材料表面，匹配前后信号幅值随提离距离的衰减变化规律相同；在不同被检材料表面，随提离距离的变化信号幅值的衰减规律不同。阻抗匹配网络对大提离下信号信噪比的提升效果明显。4）按照固定提离距离下传感器的等效阻抗对传感器进行匹配，阻抗匹配网络的加入对大提离下信号信噪比有显著的提升效果。参考文献 安佰江.电磁超声检测机理的实验研究 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