曲折线圈电磁超声换能器激励性能优化设计
换能器优化设计与实验
燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：超声波换能器优化设计与实验学院（系）：里仁学院年级专业：工业自动化仪表2班学生姓名：**指导教师：**完成日期：2013年3月27日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义（一）本课题研究意义超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。
最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。
这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。
1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。
到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。
目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。
目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。
但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 其性能描述与评价需要许多参数。
超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。
不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率；而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。
因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。
（二）国内外研究动态1、超声压电材料的发展(1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。
同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。
超声换能器的优化设计与性能研究
超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。
为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。
本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。
一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。
常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。
其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。
在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。
此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。
二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。
典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。
其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。
但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。
超声换能器的电极结构也需要优化设计。
传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。
因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。
三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。
现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。
其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。
一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。
电磁超声换能器的仿真分析与优化
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Ｋ ｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ： ＥＭ Ａ Ｔ； Ｅｄ ｙ ｕ ｒ ｎ ｓ Ｌｏ ｅ ｔ ｆ ｒ ｅ Ｅｌ ｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔｃ Ｕｌｒ ｓ ｎｉ Ｗ ａ ｅ ｄ ｃ ｒｅ ｔ； ｒｎｚ ｏｃ ； ｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｔａ ｏ ｃ ｖ；
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摘 要 ：针对 电磁超声换能器换 能效 率低 的问题，研 究 了垂直磁场下 电磁超 声换 能器产 生超 声 波的机 理 利用有 限元分析软件对铝板 内感生 出的涡流 、受到 的洛伦兹力 以及振 动产 生电磁超 声波进行仿真分析 。通过改变线圈的问距 、提 离距 以及频厚积等参数来分析 它们对 电磁超 声换 能器效率的影响， 以此 为依据优化 电磁超 声换 能器 的设计。通过对质 点位移 的变化 可看 出电磁 超声波在很短的时间内迅速衰 减；通 过单个质点三个方 向位移 的仿真得到 了垂直磁场 下产 生的 电磁超 声波质 点位 移的最大方 向。通过对 Ｅ Ａ Ｍ Ｔ参数的优 化提 出 了三种提高换 能器 效率的方法 。
电磁超声换能器的研究与设计
电磁超声换能器的研究与设计摘要：电磁超声换能器(EMAT)是一种基于电磁超声转换技术的新型电声转换器。
同时，它也是一款集超声波发射、接收装置于一体的非接触型换能器。
因为电磁超声波无损技术在进行作业的时候是不需要有介质耦合的，也无需对试件进行准备处理等诸多优点，故其检测时的温度可以高达1000℃，对一般的被探测的工件表面也无需经过特殊处理，可以直接进行无损处理，因此电磁超声换能器广泛的应用在超声无损检测技术领域中。
本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。
结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。
关键词：毕电磁超声换能器；超声无损检测；调查分析；优化设计一、绪论1.1研究研究背景传统的超声波产生方式主要是通过压电换能器实现的，虽然它的结构设计起来比较简单，换能的效率也比较高，但是在使用的时候经常需要耦合剂作为耦合介质，而且有的时候还需要对试件进行事先的准备处理工作，而且在温度测量技术上存在诸多限制。
随着国内点次声波换能技术的不断进步，为国内超声波无损检测技术的发展指明了道路，人们将利用电磁超声转换技术来弥补传统换能技术中的不足之处。
所说的电磁超声指的是通过洛伦兹力理论和磁力伸缩原理，来达成不用接触就能被激发的新型技术，相对于传统的压电超声换能器其具备以下优点：1）可以轻易的通过改变电磁场的方向和大小，来产生不同需要的各种超声波，例如兰姆波和表面波。
在对待测物体进行测量的时候通过磁电转换产生兰姆波，其产生的兰姆波是通过线扫描的方式对待测物进行大范围的快速高效率的检测，相比较传统的逐点体波扫描方式要方便很多，为测试节省了很多的时间，大大的提高了检测工作的效率，在板材无损检测方面应用特别广泛。
2）可以实现在不需要接触待测物体的前提下对待测物体进行测量，有效的避免了在待测物不方便进行预先处理的问题，也解决了在使用耦合剂时对测量精度存在影响的问题。
电磁超声换能器设计与优化
电磁超声换能器设计与优化申建中张仲宁张淑仪（近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）【摘要】简要介绍了产生表面波的电磁声换能器(EMAT)的工作原理，设计、制作了收发分开的两种EMAT，并建立了实验测试系统，测量了信号和提离距离的关系曲线，研究了激励脉冲个数、接收线圈的匝数对换能器信号的影响等等,提出某些优化措施。
【关键词】电磁声换能器 EMAT 回折线圈【Abstract】The w orking principle of electromagnetic acoustic transducer s(EMATs) i s introduced briefly. Two exciting and receiving EMATs have been designed and fabricated, and an experimental system has been established. The received signal-distance relationship and t he influence of the emitted pulse numbers and the circles of the receive coil on the signals of the transducers are also given in this paper.【Key words】Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT), meandered line coil1 引言超声波探伤是工业领域里应用最广泛的无损检测方法之一。
常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测。
60年代末发现并逐渐发展起来的电磁耦合产生超声波的方法，是一种非接触式的超声波探伤方法。
基于RLC振荡电路电磁超声换能器激励研究
ｃ ｆｍａ ｎｅ ｉｍ ｏ ｕｌｒ ｓ ｕｎ ｔ ｍｐｒ ｅ ｔ ｅ ｓ ｎｓｔｖ ｔ ｎｄ ａ ｏｉ ｈｅａ ｅ ｓ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆｔ ｅ — ｙ ｏ ｇ ｔｓ ｔ ｔ ａ ｏ ｄ，ｏ ｉ ｏｖ ｈ ｅ ｉｉｉｙ ａ ｖ ｄ ｔ ｄｖ ｒ ｅ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｈ ｒ ｍａ ｆｅ ｔ Ｉ ｒ ｅ ｈ ｔｔ ｅｏｐ ｉ ｚ ｔｏ ｙｓ ｅ ｎｏ ｎｌ ａ ｉ ｌ ｅ ｃ ｓ ｔ ｎｅ ｇｙ ｃ ｎｓ ｍｐｔｏ ｌｅ ｆ ｃ ． ｔｐ ｏｖ ｓｔ ａ ｈ ｔｍｉａ ｉｎ ｓ ｔ ｍ ｔｏ ｙ ｒ ｐ ｄ ｙ ｒ ｄｕ ｅ ｈｅｅ ｒ ｏ ｕ ｉｎ ｂｕ ｌｏ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓ ｕ ｔａ ｏｕ ｏ ｅ ｓｏ ｆｉ ｉｎｃ ｙ ｃ ｍ ｐ ｒｎ ｅ ｔｄ ｔ ． ｔａ ｓ ｎ ｒ ａ ｅ ｌｒ ｓ ｎｄ ｃ ｎｖ ｒ ｉ ｎ ｅ ｆｃ ｅ ｙ ｂ ｏ ａ ｉ ｇ ｔ ｓ ａ ａ
ＣＨＥＮ ｎｇ， ＡＮＧ Ｐｅ Ｗ Ｓｈｕ ｉ ＬＩ Ｍ ｅ— ａ ＬＩＺｈ— ｕ ａ ， Ｕ ｉｑｕ ｎ， ｉｙ
（ ｐ ｒｍｅ ｔｏ ｅ ｔｉａ ｇｎ ｅ ｉｇ， ｄ ａ ｃ ｇｎ ｅｉｇＣｏｌｇ ， ｈｊ ｚ ｕ ｎ ０ ０ ０ Ｃｈｎ ） Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＥｌｃｒｃｌＥｎ ｉｅｒｎ Ｏｒ ｎ ｎ ｅＥｎ ｉｅ ｒ ｌ ｅ Ｓ ｉａ ｈ ａ ｇ ｎ ｅ ｉ ５ ０ ３， ｉａ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ＥＭ Ａ Ｔ ； ｏｗｅ ｏｄ ｅ ｃｔｎ ｏ ｄ： ｐ ｒｍ ｅ； ｘ ｉｉ ｇ ｍ ｄｅ
电磁超 声是一 项 新 的无 损 检 测技 术 ， 技术 利 该
同时施加一定 向磁 场 ， 流 在定 向磁 场 的作用 下 产 涡
用 电磁耦合 方法 激励 和接收超 声波 。与常规 超声相
了原 有 交 流 接触 器 作 为 开 关 时 超 声 幅值 和转 换 效 率 。 关 键 词 ：电磁 超 声 换 能 器 ；功 率模 块 ；激 发 方 式 中 图分 类 号 ：ＴＧ １． ８ １ ５ ２ 文献 标 识 码 ：Ａ
超声换能器设计方案
超声换能器设计方案
超声换能器是一种将电能转化为声能的装置。
它是超声波传感器中的核心部件，常用于医疗、工业和民用领域。
超声换能器设计方案应充分考虑以下几个方面：
1.材料选择：超声换能器需要使用具有良好声波传导性能的材料，常用的材料有铅锆酸钛陶瓷、PZT陶瓷等。
选择合适的材料可以提高声能的转化效率。
2.结构设计：超声换能器通常由活塞、震荡平台和壳体组成。
活塞是将电能转化为声能的关键部件，应设计成能够有效振动的形状，并与震荡平台紧密连接，以提高振动的传导效率。
壳体应具备良好的密封性能和机械强度，以保护内部组件不受外界环境的影响。
3.电路设计：超声换能器需要与外部电源相连，电路设计应考虑电源适配、信号放大以及保护等方面。
合理设计电路可以提高超声换能器的工作效率和稳定性。
4.尺寸和频率选择：超声换能器的尺寸和频率选择应根据具体应用需求来确定。
如果需要通过物体进行穿透检测，通常选择低频超声换能器，尺寸较大。
而在医疗领域，常选择高频超声换能器，尺寸较小。
5.测试和验证：设计完成后，需要进行测试和验证。
测试可以通过测量声能的输出量来评估超声换能器的性能。
验证可以通
过实际应用场景中的测试来验证超声换能器的可靠性和稳定性。
总之，超声换能器设计方案需要综合考虑材料选择、结构设计、电路设计、尺寸和频率选择等多个方面。
通过合理的设计，可以提高超声换能器的性能和可靠性，满足具体应用需求。
超声换能器设计方案
设计方案：包括换能器的结构、材料、制造工艺等方面的设计
01
实验验证：通过实验验证设计方案的可行性和有效性
03
展望未来：分析超声换能器技术的发展趋势和挑战
05
性能指标：包括换能器的频率、功率、效率等方面的性能指标
02
成果应用：探讨设计方案在实际应用中的效果和前景
04
对未来研究方向和可能的改进进行展望
01
03
02
04
02
设计原理和方案
简述超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转化为机械能的设备，通过压电效应实现能量转换。
01
02
超声换能器主要由压电陶瓷、金属电极和匹配层组成，当在压电陶瓷上施加电压时，陶瓷会发生形变，从而产生机械振动。
03
超声换能器的工作频率通常在20kHz至10MHz之间，频率越高，产生的超声波波长越短，能量越集中。
设计方案：包括换能器结构、材料选择、制造工艺等方面
结构设计：根据应用场景和需求，选择合适的换能器形状和尺寸
分析设计方案的优势和不足
03
材料选择和加工工艺
探讨材料选择的原则和要点
材料性能：根据换能器的工作原理和性能要求，选择合适的材料
成本控制：在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料
01
02
加工工艺：根据材料的特性和加工工艺，选择易于加工的材料
04
仿真分析和实验验证
介绍使用仿真软件进行设计分析的流程和方法
建立仿真模型：根据实际需求和物理定律，建立仿真模型，包括几何模型、材料属性、边界条件等
优化设计方案：根据仿真结果，优化设计方案，提高性能和可靠性
确定仿真目标：明确仿真的目的和要求，如性能、结构、热传导等
电磁超声脉冲激励系统设计
电磁超声脉冲激励系统设计于腾飞;任尚坤;张丹【摘要】为了更好地解决电磁超声检测技术换能效率低的问题,在对当前已有的激励系统进行调查研究的基础上,设计了一种新型的电磁超声脉冲激励系统.该系统可以针对不同的检测对象,设定频率、脉冲个数、相邻两组脉冲的间隔时间等参数.在设计中,采用了现场可编程门阵列(FPGA)提供控制信号,采用光电耦合器对前后端系统电气隔离、全桥逆变技术,对输入信号进行直流到交流的变换,并且可以实现较大的功率输出.同时,基于线圈和涡流场的相互耦合作用,设计了由单层完全相同的线圈组成的堆积线圈,完成换能器的阻抗匹配.为了控制处于活跃状态线圈的阻抗值,可根据实际阻抗灵活选择线圈的个数从而实现阻抗匹配,解决了电磁超声换能效率低的问题.试验结果表明,该设计达到了预期的设计目标,为进一步研究电磁超声检测技术提供了参考,具有一定的推广价值.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】4页(P99-102)【关键词】电磁超声;脉冲激励系统;全桥逆变;互补波形;功率放大;FPGA;换能效率;堆积线圈【作者】于腾飞;任尚坤;张丹【作者单位】南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西南昌330063;南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西南昌330063;南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西南昌330063【正文语种】中文【中图分类】TH7010 引言与传统的压电超声检测技术相比，电磁超声检测技术具有结构简单、易于使用、非直接接触、环境适应性强的特点[1-3]。
但是由于其能量转换效率较低，低电压下很难由脉冲激励产生超声波，需要高压、高频的激励脉冲才能得到用于检测的超声波[4-5]。
由于被检测材料的特性不同，激励系统的输入参数不尽相同。
因此，需要开发一种能够应用在多数材料检测中的激励系统。
目前，国内外已有研制成功的电磁超声脉冲激励系统，如Innerspec科技生产的高频脉冲发生器，在100 kHz～6 MHz频率范围内对50 Ω的负载有8 kW的功率输出，在25 A电流峰值下有着最大1 200 V的电压峰峰值。
融合的力量：感应式磁声无损检测技术
与常规检测方法不同的是，MAT-MI不仅能检测出缺陷的几何形态和位置，而且能够对被测试件及其缺陷进行“功能性”成像，获得试件内部的电导率分布情况，从而及时、准确地发现缺陷并对其进行定位，尤其适用于对金属板材的快速、大面积的非接触性检测。
生物领域感应式磁声成像技术2005年，美国明尼苏达大学将磁感应技术和超声断层扫描成像技术进行融合，提出了一种新型的生物功能性成像方法———感应式磁声成像技术。
该技术通过静磁场和脉冲交变磁场同时对成像目标进行电磁激励，利用超声换能器采集由被测组织所产生的磁声信号，对磁声信号进行分析计算，便可用于重建生物组织内部的电导率分布。
该技术兼具生物电阻抗成像的高对比度和超声断层扫描成像的高空间分辨率(理论分辨率可达0.3mm)的优势，可避免屏蔽效应，在乳腺癌筛查以及肝功能成像等领域的可行性已得到了验证。
1.成像原理图1 MAT-MI成像原理示意将待测生物组织置于均匀分布的静磁场中，在环形线圈中通入脉冲激励电流，使其在组织内部产生一个与静磁场方向平行的时变磁场，进而在组织内部感应出与激励电流同频率的涡流。
同时，在静磁场的作用下，感应涡流在组织内部产生频率相同的洛伦兹力，从而引起待测组织内部带电粒子的周期性局部振动，并以超声波的形式向外传播，形成磁声信号。
利用超声换能器在组织周围采集磁声信号并转换成声压信号，再对其进行放大、滤波和存储等处理后，即可重建出反映生物组织生理功能变化的电导率分布图。
2.正问题的研究现状MAT-MI正问题是指在已知组织电磁特性的前提下，根据静磁场、脉冲交变磁场以及边界条件进行多物理场的耦合，获得组织表面的初始声压分布。
图2 MAT-MI正问题流程图正问题可分为电磁场正问题和声场正问题两部分：前者由感应涡流与静磁场相互作用，引起生物组织内部带电粒子的周期性局部振动，形成振动声源；后者由振动声源形成包含电磁特性信息的磁声信号并向外传播，从而引起组织内部声压的变化。
超声换能器发射激励能量利用率的研究
超 声 换 能器 发射 激 励 能 量 利 用 率 的研 究
郑 音 飞 ， 陈裕 泉
（ 浙江大学 生物 医学 工程 系 ， 生物传感器国家专业实验室 ， 杭州 ３ ０ ２ ） １ ０ ７
摘 要 ： 在全数字化 Ｂ超或者是彩色 Ｂ超当中前级收发电路和回波的质量直接影响到整个产品的性能； 而超声换能器发射
Ｒｅ磁Ｉｃ ｆＥｎ ｒ ｙ Ｅｆ ｃｅ ｃ ｂ ｕ ｒ ｎ ｍｉ ｌｅ ｔ ｔ ａ ｏ ｎ ｒ ｎ ｄ ｌｅ ５ ｒ ｈ ｏ ｅ ｇ ｆ ｉｎ ｙ ａ ｏ ｔＴ ａ ｓ ｔ Ｐｕｓ ｓ ｗｉｈ Ｕｌ ｓ ｕ ｄ Ｔ ａ ｓ ｌ ｒ ｉ ｒ ｃ
Ｚ ＨＥＮＧ ｉ— ｅ ， ＨＥＮ －ｕ ｎ Ｙ ｎｆ ｎ Ｃ ＹＵ ｑ ａ
关键 词 ： 超声换能器 ； 双极性发射 ； 冲发射 ； 多脉 能量利用率
中图分类号： Ｐ ９ Ｔ ３１
文献标识码 ： Ａ
文章编号：０４１９ （０７ ０－３４ ３ １０ －６９ ２０ ）２ ７－ ０ ０
超 声成像 中声波 频率 决 定可 成像 的组织 深 度 ，
的声学 部件 ． 是既 可 以把电 能转化 成声 能 ， 它 又可 以 把 声 能转化 成 电能 ， 工 作 机 理是 依 据 压 电材 料 的 其 正逆 压 电效 应 ， 利用 逆压 电效 应产生 超 声波 ， 即在 压
ｔ ｅ ｐ ａ ｆｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｉ ｂ ｕ ｗｈ ｃ Ｓ ｔ ｃ ｆ ｓｎ ｌ－ ｏ ａ ａ ｋ ｃ ｔ ｅ ． ｈ ｅ ｋ ｏ ａ ｋ ｃ ｔ ｅ Ｓ ａ ｏ ｔ １ Ｖ ｉｈ ｉ ｗｉｅ ｏ ｉ ｇ ｅ ｐ ｌｒ ｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒ
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电磁超声脉冲激励系统设计
第４０卷第１期２０１９年１月自㊀动㊀化㊀仪㊀表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ ４０Ｎｏ １Ｊａｎ.２０１９收稿日期:２０１８￣０６￣１９基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１０６５０２４)作者简介:于腾飞(１９９２ )ꎬ男ꎬ在读硕士研究生ꎬ主要研究方向为电磁超声无损检测ꎬＥ￣ｍａｉｌ:１０４９６３９５２１＠ｑｑ.ｃｏｍꎻ任尚坤(通信作者)ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要研究方向为电磁无损检测ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｒｅｎｓｈａｎｇｋｕｎ＠ｙｅａｈ.ｎｅｔ电磁超声脉冲激励系统设计于腾飞ꎬ任尚坤ꎬ张㊀丹(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室ꎬ江西南昌３３００６３)摘㊀要:为了更好地解决电磁超声检测技术换能效率低的问题ꎬ在对当前已有的激励系统进行调查研究的基础上ꎬ设计了一种新型的电磁超声脉冲激励系统ꎮ该系统可以针对不同的检测对象ꎬ设定频率㊁脉冲个数㊁相邻两组脉冲的间隔时间等参数ꎮ在设计中ꎬ采用了现场可编程门阵列(ＦＰＧＡ)提供控制信号ꎬ采用光电耦合器对前后端系统电气隔离㊁全桥逆变技术ꎬ对输入信号进行直流到交流的变换ꎬ并且可以实现较大的功率输出ꎮ同时ꎬ基于线圈和涡流场的相互耦合作用ꎬ设计了由单层完全相同的线圈组成的堆积线圈ꎬ完成换能器的阻抗匹配ꎮ为了控制处于活跃状态线圈的阻抗值ꎬ可根据实际阻抗灵活选择线圈的个数从而实现阻抗匹配ꎬ解决了电磁超声换能效率低的问题ꎮ试验结果表明ꎬ该设计达到了预期的设计目标ꎬ为进一步研究电磁超声检测技术提供了参考ꎬ具有一定的推广价值ꎮ关键词:电磁超声ꎻ脉冲激励系统ꎻ全桥逆变ꎻ互补波形ꎻ功率放大ꎻＦＰＧＡꎻ换能效率ꎻ堆积线圈中图分类号:ＴＨ７０１㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６０８６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１０００￣０３８０.２０１８０６００３１ＤｅｓｉｇｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＰｕｌｓｅＥｘｃｉｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＹＵＴｅｎｇｆｅｉꎬＲＥＮＳｈａｎｇｋｕｎꎬＺＨＡＮＧＤａｎ(ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００６３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｗｉｔｈｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎻｎｕｍｂｅｒｏｆｐｕｌｓｅｓꎻａｎｄｉｎｔｅｒｖａｌｂｅｔｗｅｅｎａｄｊａｃｅｎｔｔｗｏｇｒｏｕｐｓｏｆｐｕｌｓｅｓｃａｎｂｅｓｅｔｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｓ.Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎꎬｔｈｅｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ(ＦＰＧＡ)ｉｓｕｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓꎬｔｈｅｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｉｓｏｌａｔｅｓｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄｒｅａｒｅｎｄｓｙｓｔｅｍｓꎬａｎｄｔｈｅｆｕｌｌ￣ｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｎｖｅｒｔｓｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌｆｒｏｍＤＣｔｏＡＣꎬａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｕｔｕａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｉｌａｎｄｔｈｅｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｆｉｅｌｄꎬａｓｔａｃｋｅｄｃｏｉｌｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｓｉｎｇｌｅｌａｙｅｒｏｆｉｄｅｎｔｉｃａｌｃｏｉｌｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｃｏｉｌｉｎｔｈｅａｃｔｉｖｅｓｔａｔｅꎬｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃｏｉｌｓｃａｎｂｅｆｌｅｘｉｂｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇꎬｔｈｕｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｉｓｓｏｌｖｅｄ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｇｏａｌｓａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｗｈｉｃｈｈａｓｃｅｒｔａｉｎｐｒｏｍｏｔｉｏｎｖａｌｕｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｕｎｄꎻＰｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎻＦｕｌｌ￣ｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒꎻＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｗａｖｅｆｏｒｍꎻＰｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎꎻＦＰＧＡꎻＴｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻＳｔａｃｋｅｄｃｏｉｌ０㊀引言与传统的压电超声检测技术相比ꎬ电磁超声检测技术具有结构简单㊁易于使用㊁非直接接触㊁环境适应性强的特点[１￣３]ꎮ但是由于其能量转换效率较低ꎬ低电压下很难由脉冲激励产生超声波ꎬ需要高压㊁高频的激励脉冲才能得到用于检测的超声波[４￣５]ꎮ由于被检测材料的特性不同ꎬ激励系统的输入参数不尽相同ꎮ因此ꎬ需要开发一种能够应用在多数材料检测中的激励系统ꎮ目前ꎬ国内外已有研制成功的电磁超声脉冲激励系统ꎬ如Ｉｎｎｅｒｓｐｅｃ科技生产的高频脉冲发生器ꎬ在１００ｋＨｚ~６ＭＨｚ频率范围内对５０Ω的负载有８ｋＷ的功率输出ꎬ在２５Ａ电流峰值下有着最大１２００Ｖ的自㊀动㊀化㊀仪㊀表第４０卷电压峰峰值ꎮ北京化工大学的李爽等采用了复杂可编程逻辑器件(ｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｄｅｖｉｃｅꎬＣＰＬＤ)和ＥＰＭ１２７０芯片ꎬ设计了一种激励频率为５００ｋＨｚ㊁可输出电流峰值约为３Ａ的激励系统[６]ꎮ辽宁科技大学的姜海君等设计了一种采用函数发生器驱动三极管和金属氧化物半导体(ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒꎬＭＯＳ)管的激励系统[７]ꎮ但该系统结构较为复杂ꎬ实用性不高ꎮ为使电磁超声技术达到更好的检测效果ꎬ本文选用ＭＯＳ管组成全桥电路ꎬ通过在现场可编程门阵列(ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙꎬＦＰＧＡ)芯片中产生若干个脉冲激励信号ꎬ完成直流到交流的变换以及功率的放大ꎬ实现换能线圈中能量转换产生超声波ꎮ输出脉冲的频率范围是３００ｋＨｚ~５ＭＨｚꎮ１㊀激励系统的总体结构激励系统总体结构如图１所示ꎮ被检材料的特性决定了激励脉冲的频率以及脉冲个数ꎬ这可以通过预先设定ＦＰＧＡ控制电路的参数来实现ꎮ控制电路根据设定的参数产生一定个数的脉冲信号ꎬ在光耦隔离后ꎬ经驱动电路提高驱动能力控制全桥逆变电路中相应开关管的开启与关断ꎬ将直流高压发生电路产生的高压转换成可以驱动换能线圈的高频脉冲ꎮ全桥逆变电路输出的激励脉冲信号会在反馈调节电路的监控下实时反馈ꎬ并使整个系统得到控制调节ꎮ图１㊀激励系统总体结构图Ｆｉｇ.１㊀Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ２㊀硬件电路设计２.１㊀直流高压发生电路电磁超声的换能效率较低ꎬ因此需要提高供电电压才能够激发出超声波ꎮ国内外已有的激励系统使用的电压都是几百伏及上千伏ꎬ从安全角度和经济方面考虑ꎬ本设计高压模块输出电压为２８０Ｖ左右ꎬ能够满足中小功率电磁超声换能线圈的换能需求ꎮ设计中采用了整流桥的方式ꎬ直接将２２０Ｖ交流电转换成需要的直流电压ꎮ直流高压发生电路如图２所示ꎮ在设计中ꎬＤＰ￣１和ＤＰ￣２分别是双向㊁单向二极管ꎮ这是一种新型高效的电路保护器件ꎬ具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力ꎮ设计中采用的整流桥是ＧＢＪ３５０６￣ＢＰꎬ耐压值６００Ｖꎻ滤波电容ＣＰ￣０１选用耐压值４５０Ｖ㊁容值４７０μＦ的电解电容ꎮ同时ꎬ使用了去高频干扰电容ＣＰ￣０２ꎮ高频干扰既有电网的干扰又有电源的干扰ꎬ只需使用２μＦ左右的无极性电容即可滤除高频干扰ꎮ图２㊀直流高压发生电路Ｆｉｇ.２㊀ＤＣｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ２.２㊀ＦＰＧＡ控制电路本设计采用了Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｃｌｏｎｅＩＶＥ系列的ＥＰ４ＣＥ６Ｅ２２Ｃ８可编程器件ꎮ该ＦＰＧＡ芯片功能强大㊁Ｉ/Ｏ端口资源丰富ꎬ可以实现多路输出ꎮＣｙｃｌｏｎｅＩＶＥ芯片有四个通用锁相回路(ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐꎬＰＬＬ)ꎬ对芯片时钟管理㊁外部系统时钟管理以及高速Ｉ/Ｏ接口ꎬ提供了可靠的[８]激励信号控制电路ꎬ如图３所示ꎮ图３㊀激励信号控制电路Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｏｆｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ本设计采用输入时钟为５０ＭＨｚ的有源晶振提供系统时钟信号ꎮ在模块的作用下ꎬＰＬＬ将系统时钟信号转换成更加稳定且可以控制占空比㊁相位差的两路互补信号ꎮＰＬＬ模块不是一直输出的ꎬ而是在计时控制模块的控制下每隔一定时间输出设定个数的时钟脉冲信号ꎮ这两路信号在空闲状态时均处于低电平ꎬ激励系统不会产生激励脉冲ꎮ相邻两组脉冲的间隔时间可以根据实际检测的要求进行调节ꎬ一般以１ｓ为宜ꎮ２.３㊀光耦隔离和驱动电路脉冲发生系统在工作时ꎬ会对前端控制信号产生干扰ꎬ引起控制信号不稳定ꎬ可能产生错误输出导致后００１第１期㊀电磁超声脉冲激励系统的设计㊀于腾飞ꎬ等端电路无法正常工作[９]ꎬ因此ꎬ高频脉冲激励系统与ＦＰＧＡ控制电路之间需要电气隔离ꎮ故在ＦＰＧＡ控制电路后ꎬ添加光耦芯片进行隔离ꎮ光耦芯片选择的是ＴＬＰ２３４８ꎮ它是一种超高速光耦ꎬ传输速度可达１０Ｍｂｉｔ/ｓꎬ输出电流５０ｍＡꎮ但这远远达不到驱动ＭＯＳ管工作的要求ꎬ所以需要增加额外的驱动芯片使其正常工作ꎮ本设计采用了一款ＭＯＳ管专用驱动芯片ＵＣＣ２７３２１ꎮ它是ＴＩ公司推出的一种新的ＭＯＳＦＥＴ驱动芯片ꎬ能输出９Ａ的峰值电流ꎬ并快速驱动ＭＯＳＦＥＴ开关管ꎬ在１０ｎＦ的负载下ꎬ其上升时间和下降时间的典型值仅为２０ｎｓꎬ工作电源为４~１５ＶꎮＦＰＧＡ控制电路产生预先设定个数的脉冲信号ꎬ经过光电耦合器后生成的信号与控制电路隔离ꎬ不会对前端控制电路产生影响ꎮ信号通过驱动芯片ꎬ产生可以驱动ＭＯＳ管的脉冲信号ꎮ光耦隔离和驱动电路如图４所示ꎮ图４㊀光耦隔离和驱动电路Ｆｉｇ.４㊀Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｉｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ２.４㊀全桥逆变电路常规功率放大电路大都使用功放芯片㊁Ｄ类功率放大器以及半桥逆变电路ꎮ但这些功率放大电路具有输出功率低㊁效率低㊁开关损耗大的缺点ꎮ与之相比ꎬ本设计采用的全桥逆变电路可以很好地解决以上问题ꎮ设计使用的是威世公司生产的Ｎ型ＭＯＳ管ＳＩＨＰ２３Ｎ６０Ｅ￣ＧＥ３ꎮ它的最大漏源电压ＶＤＳ为６５０Ｖꎬ持续漏电流为２３Ａꎬ最大脉冲漏电流为６３Ａꎬ开启电压为２~４Ｖꎬ正向导通电阻为０.１５８Ωꎬ导通时间为２２ｎｓꎬ关断时间为３４ｎｓꎬ适合作为中小功率脉冲发生器的开关管ꎮ全桥逆变电路如图５所示ꎮ图５㊀全桥逆变电路Ｆｉｇ.５㊀Ｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ由于开关管的工作频率很高ꎬ其导通和关断时间非常短ꎬ因此在开关管上可能会产生过压㊁过流现象ꎬ导致开关管无法正常工作甚至损坏ꎮ为此ꎬ在功率回路上采用了缓冲吸收电路ꎮ它是用来吸收开关管关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压ꎬ在某些应用中还可以减少开关管的损耗ꎮ其中ꎬ元件的选择应能够满足吸收缓冲的要求ꎬ电容应该选择无感电容器ꎮ电容值为:Ｃ＝ＩＤ(ｔｒｖ＋ｔｆｉ)ＶＤＳ(１)式中:ＩＤ为最大漏极电流ꎻＩｒｖ为最大漏记电压上升时间ꎻｔｆｉ为最大漏极电流下降时间ꎻＶＤＳ为最大漏极与源极电压ꎮ需注意的是ꎬ电容Ｃ要足够大ꎬ使得开关管电压上升速度足够缓慢ꎬ以保证开关管不受冲击ꎻ而由于电容Ｃ的损耗ꎬ其值不能取得太大ꎮ电阻Ｒ没有特别的要求ꎬＲ越小ꎬＣ放电速度越快ꎬ只需保证电容Ｃ在下次开关管关断时放完电荷就可以了ꎮ因为吸收缓冲电路是在短路时工作ꎬ且放电电压是按指数规律下降的ꎬ故该电阻应选用较大功率的无感电阻器ꎮ电阻Ｒ为:Ｒ＝ｔｏｎ３Ｃ(２)１０１自㊀动㊀化㊀仪㊀表第４０卷式中:ｔｏｎ为开关管的最小导通时间ꎻＣ为吸收缓冲电路中的电容值ꎮ稳压保护电路是防止系统带感性负载时ꎬ开关管在高速开关时导致驱动芯片引脚出现负电压ꎬ使负载电流流经驱动芯片ꎬ引起驱动芯片的损坏ꎮ设计中Ｍ１器件采用了稳压二极管Ｄ６防止反向电压过大ꎬ导致前端芯片过压损坏ꎻ电阻Ｒ１０７则是提供电荷泄放通道ꎬ同时防止静电损坏开关管ꎬ其他ＭＯＳ管以此类推ꎮ快恢复二极管的反向恢复时间短(一般在几百纳秒时间范围内)ꎬ具有正向导通电流大㊁反向峰值电压高的特点ꎬ这能够保证对开关管中产生的突波进行有效的吸收ꎮ与激励系统内的阻抗相比ꎬ换能线圈的阻抗非常小ꎬ若不进行阻抗匹配很难使输出电压峰峰值达到最大ꎬ这将会使换能线圈的效率极低[１０]ꎮ为此ꎬ使用了从线圈和涡流场相互耦合作用方面进行阻抗匹配的方法[１１]ꎮ为了灵活控制处于活跃状态线圈的阻抗值ꎬ设计了由单层完全相同的线圈组成的堆积线圈ꎮ这种堆积线圈模型所产生的涡流场的阻抗是不变的ꎬ但线圈的阻抗可由所选定的线圈的层数加以控制ꎮ２.５㊀反馈调节电路为了防止全桥逆变电路中的电压和电流过大而影响系统安全ꎬ设计了反馈调节电路实时监测系统中的电压等参数ꎬ使用负反馈的方式来保证输出信号的参数稳定在设定的范围内ꎮ３㊀试验结果由以上硬件电路组装脉冲激励系统ꎮ其中ꎬ控制系统电路由ＦＰＧＡ的最小系统及其外围电路组成ꎮ对此脉冲激励系统进行测试ꎬＦＰＧＡ芯片设定的参数为激励频率５００ｋＨｚꎬ脉冲个数为８个ꎮ从示波器上可以看到ꎬ激励系统可以输出８个接近方波的脉冲信号ꎬ其最大输出有效电压Ｖｏｕｔ约为２６０Ｖꎮ激励系统输出脉冲信号如图６所示ꎮ图６㊀激励系统输出脉冲信号Ｆｉｇ.６㊀Ｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌｏｆｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ㊀㊀从图６可以看出ꎬ该系统能够按照设定参数输出符合要求的近似脉冲方波信号ꎬ达到激励换能器工作的要求ꎮ但由于缓冲吸收电路没有达到最佳状态ꎬ故图６中仍存在尖峰现象ꎮ下一步需要根据试验与计算设计出更加实用的缓冲吸收电路ꎬ使脉冲波形更加接近理想方波信号ꎬ保证换能器激发出实用的超声波ꎮ４㊀结束语为了使电磁超声检测技术在实际中得到更好的应用ꎬ设计了基于ＦＰＧＡ的电磁超声脉冲激励系统ꎮ在设计中ꎬ采用了全桥逆变电路实现从直流到交流的变换ꎬ同时输出高频脉冲信号ꎻ为了防止后端大电压电路对前端控制系统的影响ꎬ进而使整个系统出现不可预测的情况ꎬ采用了超高速光耦对前后端电路进行隔离ꎻ为了满足驱动ＭＯＳ管的要求ꎬ采用了一款新型的专用驱动芯片驱动ＭＯＳ管工作ꎮ系统可以根据检测对象的不同设定不同的输入参数ꎬ从而输出满足要求的高频激励脉冲ꎬ为进一步开发电磁超声检测仪器奠定了基础ꎮ参考文献:[１]黄松岭ꎬ王哲ꎬ王珅ꎬ等.管道电磁超声导波技术及其应用研究进展[Ｊ].仪器仪表学报ꎬ２０１８ꎬ３９(３):１￣１２.[２]陈鹏ꎬ李固ꎬ刘美全ꎬ等.电磁超声检测信号的小波自适应阈值降噪研究[Ｊ].自动化仪表ꎬ２０１２ꎬ３３(８):９￣１１.[３]ＨＩＬＬＳꎬＤＩＸＯＮＳ.Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｐｅｒｉｏｄｉｃｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｏｕｓｔｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ[Ｊ].Ｎｄｔ＆ＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌꎬ２０１４ꎬ６２(２):１３７￣１４３.[４]ＮＡＫＡＭＵＲＡＮꎬＡＳＨＩＤＡꎬＫꎬＴＡＫＩＳＨＩＴＡＴꎬｅｔａｌ.Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇｉｎｗｅｌｄｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｐｉｐｅｕｓｉｎｇｐｏｉｎｔ￣ｆｏｃｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ￣ａｃｏｕｓｔｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ[Ｊ].Ｎｄｔ＆ＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌꎬ２０１６ꎬ８３:８８￣９３.[５]康宜华ꎬ涂君ꎬ杨芸ꎬ等.一种简便的电磁超声测厚实现方法探究[Ｊ].自动化仪表ꎬ２０１２ꎬ３３(１０):８３￣８６.[６]李爽ꎬ曹晖ꎬ郑志受ꎬ等.管壁缺陷的电磁超声检测技术实验研究[Ｊ].计量技术ꎬ２０１０(５):１９￣２２.[７]姜海君.ＥＭＡＴ电磁超声无损检测系统设计[Ｄ].鞍山:辽宁科技大学ꎬ２０１２.[８]刘芳.基于ＦＰＧＡ核的任意波形产生研究[Ｄ].西安:西安电子科技大学ꎬ２００９.[９]杨胜.电磁超声系统的设计与研究[Ｄ].成都:电子科技大学ꎬ２０１５.[１０]刘立军.阻抗匹配原理分析[Ｊ].计算机光盘软件与应用ꎬ２０１０(８):７９￣８０.[１１]郝宽胜ꎬ黄松岭ꎬ赵伟ꎬ等.电磁超声换能器新型线圈阻抗及匹配电容的计算[Ｊ].高技术通信ꎬ２０１０(８):８４５￣８４９.２０１。
多频超声波换能器激励锁频及回波电路的设计与实现
多频超声波换能器激励锁频及回波电路的设计与实现多频超声波换能器激励锁频及回波电路的设计与实现导语：多频超声波换能器是一种基于超声波技术的设备，可以用于医学影像、工业检测、无损检测等多个领域。
它通过激励锁频及回波电路的设计与实现，实现了多频超声波的发射和接收功能。
本文将从设计原理、工作过程和应用实例等方面进行全面评估，旨在帮助读者全面了解多频超声波换能器的工作原理与设计方法，并探讨其在不同领域的应用前景。
一、设计原理1. 激励锁频原理多频超声波换能器通过激励锁频原理实现了多频超声波的发射。
在超声波发射过程中，通过改变激发信号的频率，可以实现不同频率的超声波的发射。
激励锁频技术通过精确控制激发信号的频率，使得超声波的频率可以精确地锁定在特定的频率上。
这样可以有效地控制超声波的频率，提高超声传感器的工作性能和成像质量。
2. 回波电路设计多频超声波换能器的回波电路设计是实现超声波接收功能的关键。
回波电路设计主要包括前端信号放大、滤波和数字化处理等环节。
在回波电路中，超声波接收到的信号首先经过前端信号放大，增强信号的强度，然后通过滤波电路进行滤波，去除杂波和干扰信号，最后进入数字化处理环节，将接收到的超声波信号转换为数字信号，以便进一步处理和分析。
二、工作过程1. 发射过程多频超声波换能器的发射过程主要包括两个步骤：激发信号的生成和超声波的发射。
在激发信号的生成过程中，通过改变激发信号的频率，使得超声波的频率可以精确地控制在特定的频率上。
通过激发信号激励换能器，产生超声波信号，并向外发射。
2. 接收过程多频超声波换能器的接收过程主要包括超声波的接收、信号的放大和数字化处理等步骤。
在超声波接收过程中，换能器接收到外界的超声波信号，并将其转化为电信号。
通过前端信号放大和滤波等环节，对接收信号进行处理和增强。
将处理后的信号进行数字化处理，以便后续的数据分析和处理。
三、应用实例1. 医学影像多频超声波换能器在医学影像中有着广泛的应用。
超声换能器阵列的多路激发电路设计
超声换能器阵列的多路激发电路设计，有句子不能重复超声换能器阵列是一类多路电子设备，能够实现对多种信号的收发。
由于其应用范围日益广泛，超声换能器阵列的电路设计一直是研究人员探讨的热点。
超声换能器阵列的多路激发电路设计是多路超声换能器阵列的基础研究内容之一，也是该领域最为重要的内容之一。
首先提出的超声多路激发电路是以固定波形电路为基础，其包含延迟线路、滤波器、夹层线圈和共模抑制等元器件。
此类电路能够将复杂的多频信号同步输出，且输出质量高，并可实现宽带的收发功能。
然而，在此基础上，研究人员还发展了基于改进的放大器、锁相环以及全数字实现的多路电路激发技术。
基于改进放大器超声换能器阵列多路激发电路是研究人员提出的改进激发方案，主要由将多种信号串联放大器、滤波器和高增益电路构成，并实现了多频信号发射方式的切换，可以实现对信号的微调及多路放大和输出功能。
第三种超声换能器阵列多路激发电路是基于锁相环的，主要分为滤波器、发生器、波形取样器、多种发射频率同步激发器和功率放大器等模块，通过发生器和波形取样器实现了多频信号同步发射；通过功率放大器实现了多频信号的有损增益放大，可满足多种发射功能要求。
最后一种多路激发电路是用数字信号处理技术实现的全数字多频多路电路，如基于DSP的超声换能器阵列电源，其核心部件由数字放大器、高通滤波器、发生器以及宽带放大器等构成，可实现高质量的超声发射。
综上所述，超声换能器阵列的多路激发电路是多路超声换能器阵列设计中必不可少的一环，研究者已经提出了基于固定波形、改进放大器以及锁相环等多种多路激发技术，并且结合数字信号处理技术运用了全数字技术，为超声换能器阵列的设计带来了更大便利。
曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计
曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计康磊;金昱;潘峰;苏日亮【摘要】The low efficiency of electromagnetic acoustic transducers ( EMAT) severely confines their futher development. Therefore,on the basis of traditional meander-line-coil EMATs’ multifield finite elementmodel,reserch was carried out on the opti-mal design of the EMAT by individually studying the dimensions of the magnet and the way of distribution of the wires of the mean-der-line coil.Supposing the new EMAT shared the same magnet volume with the traditionalones,experiments indicated that com-pared with the traditional EMATs,the amplitude of the receiving signal can be improved by 39% under the pitch-catch configura-tion,while the amplitude of receiving signal can be improved by 86.2% under the pulse-echo configuration,proving that the per-formance of the EMAT has been effectively improved.%电磁超声表面波换能器的换能效率较低，严重限制了其进一步的发展。
高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计
高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计董明;李航辉;马宏伟;陈渊;曹现刚【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2024(39)11【摘要】蝶形线圈电磁超声换能器(EMAT)能够在铝块中同时激发出超声横波和纵波,接收信号中存在横波反射回波和纵波反射回波,纵波回波会影响缺陷检测的准确性。
该文设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,通过改变线圈不同位置导线的宽度与间距,改变不同位置的换能效率,以实现横波的增强和纵波的抑制。
首先,考虑永磁体的空间磁场分布,分析蝶形线圈EMAT不同位置导线所受洛伦兹力与激发超声波类型的关系,结合有限元声场云图,得到EMAT接收信号中存在多个回波的原因;其次,研究线圈参数对换能效率和横波纵波幅值比的影响规律,利用有限元仿真确定变尺寸EMAT的设计参数;最后,制备常规与变尺寸蝶形线圈EMAT,采集无缺陷铝合金试块的回波,结果表明,当永磁体直径与线圈中心宽度比为1.92时,纵波幅值削弱了66.1%,横波幅值增大了36.3%,横纵波幅值比从5.8升至23.1。
该文设计的变尺寸蝶形线圈EMAT实现了对纵波的削弱和横波的增强,提升了横波电磁超声内部缺陷检测的可靠性。
【总页数】10页(P3270-3279)【作者】董明;李航辉;马宏伟;陈渊;曹现刚【作者单位】西安科技大学机械工程学院;西安科技大学陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TB552;TM93【相关文献】1.曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计2.电磁超声横波换能器中线圈的优化设计3.曲折线圈电磁超声换能器激励性能优化设计4.多层螺旋线圈电磁超声换能器优化设计及其实验研究5.横波测厚电磁超声换能器的优化设计及试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电磁换能器加载效率的优化设计与仿真
电磁换能器加载效率的优化设计与仿真林志琦;赵江托;施欣蓉;张睿【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(040)001【摘要】Because of the skin effect between the wire and the aluminum plate,the traditional electromagnetic ultrasonic transducer's load efficiency is low. In view of this situation,we design a novel electromagnetic ultrasonic loading device which have transformed the loading coil and the whole structure. Based on the finite element simulation software, the traditional and novel electromagnetic ultrasonic loader finite element analysis models were established separately. After simulating the excitation process,we can get the simulation results (the Lorenz force in aluminum plate,the alternating current density) of the two models.After analyzing and contrasting the simulation results, we get the conclusion:the novel electromagnetic ultrasonic design can effectively improve the loading efficiency.%针对传统的电磁超声换能器导线与铝板间由于集肤效应导致加载效率较低这种情况,设计了一种改造电磁超声加载线圈和整体结构的新型电磁超声加载装置.基于有限元仿真软件,分别建立传统与新型的电磁超声加载器的有限元分析模型,并对其激发过程进行仿真,将两模型所得仿真结果(铝板内洛伦兹力,交变电流密度)进行分析对比.得出结论:新型的电磁超声设计能够显著提高加载效率.【总页数】4页(P102-105)【作者】林志琦;赵江托;施欣蓉;张睿【作者单位】长春工业大学电气与电子工程学院,长春 130012;长春工业大学电气与电子工程学院,长春 130012;长春工业大学电气与电子工程学院,长春 130012;长春工业大学电气与电子工程学院,长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TM15【相关文献】1.电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究 [J], 范吉志;吴运新;石文泽;龚海;谭良辰2.力磁耦合作用下电磁超声换能器换能效率仿真分析 [J], 宋小春;王亚午;李羽可3.非铁磁性金属材料螺旋线圈电磁超声换能器接收效率场路耦合分析 [J], 石文泽;吴运新;龚海;张涛;谭良辰;韩雷4.多层螺旋线圈电磁超声换能器优化设计及其实验研究 [J], 唐琴;石文泽;卢超;陈巍巍;张金;陈尧;黄祺凯;程进杰5.基于Halbach阵列电磁超声纵波换能器优化设计 [J], 蔡智超;李毅博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。