專利名稱：改進的主脈沖信號過載矯正電磁聲換能器的制作方法
本申請是1999年8月23日提交的中國專利申請?zhí)枮?9118154.9，名為“改進的大脈沖信號過載矯正電磁聲換能器”的申請的分案申請。
本發(fā)明涉及使用電磁聲換能器(EMAT)來測試材料，尤其涉及使用EMAT進行非破壞性測試的有用的新方法和設備，該EMAT避免了“主脈沖信號(main bang)”問題，即高能發(fā)射機脈沖所產生電干擾引起的EMAT接收機過載。
在大多數情況下，已有技術的EMAT測試系統(tǒng)使用同一個EMAT線圈來發(fā)射波和接收反射的波。在某些情況下，為了減小調諧電路的Q值，把電阻加到EMAT線圈增加電阻，從而縮減主脈沖信號或過載信號的持續(xù)時間，但同時也減小了信號幅度和信噪比。在其它情況下，對于發(fā)射和接收使用分開的非重疊線圈。這樣可能因線圈不在同一位置發(fā)射和接收而產生問題。
在使用EMAT進行非破壞性測試時，靠近EMAT通常存在因主脈沖信號而不能接收到反射波的區(qū)域。主脈沖信號是發(fā)射機脈沖在接收機輸出端產生的一種大信號。此信號大得使接收機完全過載，因而接收機在此期間不能檢測任何反射波。主脈沖信號的持續(xù)時間包括發(fā)射脈沖的長度以及緊接在發(fā)射后的一段時間，在這一段時間內，發(fā)射脈沖衰減到足以不再干擾檢測反射波的程度。目前，主脈沖信號的持續(xù)時間明顯地阻礙了EMAT的許多潛在的應用。
本發(fā)明的一個目的是縮減基于EMAT的系統(tǒng)中主脈沖信號的持續(xù)時間。經過測試，依據本發(fā)明的方法和設備把主脈沖信號的持續(xù)時間縮減到二分之一。
本發(fā)明的另一個目的是通過對發(fā)射和接收穿過待測試工件的EMAT波使用分開的線圈，通過把這兩個線圈之間的耦合減到最小，并通過分開和隔離發(fā)射機和接收機電子線路，達到減小主脈沖信號。這樣減小了用于使EMAT線圈與EMAT電子線路匹配的調諧電路的Q值。
通過構成發(fā)射和接收的線圈分開的EMAT以及在發(fā)射機線圈和接收機線圈之間加上靜電屏蔽，大大減小了大的發(fā)射脈沖與接收機線圈的電容性耦合。通過使用諸如鈦等電阻率高的非磁性金屬或者諸如銅等高度導電的非磁性金屬構成的非常薄的層來形成靜電屏蔽，在此屏蔽層中蝕刻縫隙以防止在屏蔽層中產生渦電流，這種電流將使實際的EMAT信號發(fā)生衰減。對于彎曲形線圈的EMAT，發(fā)射機EMAT線圈與接收機EMAT線圈偏移了線對線間隔的一半或者波的四分之一波長，從而使這兩個線圈之間的磁性耦合減到最小，也縮減了主脈沖信號的持續(xù)時間。
為了對EMAT線圈優(yōu)化功率傳遞，通常通過與其平行地放置電容器使EMAT線圈的電感發(fā)生諧振。通過選擇電容器使電感在所需的工作頻率下發(fā)生諧振，從而阻抗變?yōu)閷崝?，可最大限度地把功率傳遞到EMAT線圈的電阻。通常，在EMAT線圈與匹配網絡之間連接相當長度的電纜。一般，這些電纜給EMAT電路加上了相當的電感和較小的附加電阻。這樣將增大Q值，此Q值定義為電感性阻抗(ZL＝2πfL)除以電路的電阻(Q＝ZL/R)。Q值越高導致調諧電路在去除激勵驅動后的“減幅振蕩”時間較長，從而造成主脈沖信號的持續(xù)時間增加。
通過把調諧電容器放置得盡可能靠近EMAT線圈，并用印刷的軟性電路帶狀線(stripline)把EMAT線圈連到電容器，可把附加電感減到最小。通過把兩條細銅條放置在諸如Kapton(聚酰胺塑料)等薄的軟性塑料的兩側來構成軟性帶狀線。例如，銅條可以是0.25″寬0.001″厚，Kapton塑料為0.001″厚。這提供了Q值低得多的諧振電路，從而使主脈沖信號的持續(xù)時間縮減，同時提供相同或稍稍提高的信噪比(通過減小連接電纜的電阻)。使用這些技術的組合，基本上可縮減脈沖信號的持續(xù)時間。
測試表明，與使用同一線圈來進行發(fā)射和接收不同，使用本技術可把主脈沖信號的持續(xù)時間縮減到二分之一。此外，已發(fā)現(xiàn)本技術在減小對電噪聲的敏感度方面非常有效。靜電屏蔽用于防止把該部分上的電噪聲電容性地耦合到接收機EMAT線圈。
或者，可用印刷電路技術來構成或者使用手繞線圈通過手工來構成線圈和屏蔽。靜電屏蔽可以是在銅上有窄的縫隙的銅層，以防止在銅層中產生渦電流，從而防止磁性耦合的EMAT信號的衰減。
相應地，本發(fā)明的一個方面是提供一種EMAT裝置，它包括具有相對的線圈端的至少一個EMAT線圈、調諧電容器以及連接在線圈端與電容器之間用以把線圈與電容器之間的損耗減到最小的帶狀線電纜。
本發(fā)明的一個方面是提供通過靜電屏蔽而相互分開的發(fā)射機EMAT和接收機EMAT。
本發(fā)明的另一個方面是提供這樣的裝置，其中每個分開的線圈具有以某一節(jié)距分開的多節(jié)，線圈相互偏移一半節(jié)距或者偏移要從發(fā)射機線圈發(fā)射的波的四分之一波長。
本發(fā)明的再一個方面是提供一種EMAT裝置，它包括連到接收機EMAT線圈的前置放大器以及EMAT電子線路與發(fā)射機EMAT線圈之間用以產生聲信號的匹配網絡。
在附屬于本公開并構成其一部分的權利要求書中指出了表示本發(fā)明特征的各種新特征。為了更好地理解本發(fā)明、其操作上的優(yōu)點及其使用所獲得的具體效果，參考附圖和說明本發(fā)明較佳實施例的描述。
在圖中

圖1是依據本發(fā)明的相互偏移的一對EMAT線圈的平面俯視示意圖；圖2是依據本發(fā)明的EMAT線圈與調諧電容器的等效電路；圖3是依據本發(fā)明的EMAT裝置的示意分解圖；圖4是依據本發(fā)明其間有靜電屏蔽的接收機EMAT和發(fā)射機EMAT的側仰視圖。
參考附圖，在這些圖中相同的標號表示相同或在功能上類似的元件，參考圖1，其中實施的發(fā)明包括改進的EMAT裝置，該裝置使用各種技術來縮減主脈沖信號的持續(xù)時間，從而能用該EMAT裝置來檢查非?？拷麰MAT線圈的構件。
已對本發(fā)明進行了測試，具體應用2.25MHz的EMAT來檢測管狀產品的縱向缺陷。把主脈沖信號的持續(xù)時間從大于20毫秒減小到小于11毫秒。靜電屏蔽也消除了來自被測試部分的EMI干擾。
EMAT是效率低的超聲波發(fā)生器和接收機。通常，把1000伏的單音(tone)短脈沖串加到EMAT線圈可能導致接收到的信號只有1毫伏。為了獲得信噪比足夠的信號，必須使用非常大的發(fā)射脈沖和非常敏感的接收機。還需要仔細地調諧EMAT線圈并使之與發(fā)射機和接收機的電子線路匹配，以保證最大的功率傳遞。從電學上來說，EMAT線圈表現(xiàn)為圖2所示與電阻器R串聯(lián)的電感器L。當EMAT線圈中的發(fā)射機電流最大時獲得最大信噪比，這發(fā)生在從發(fā)射機電子線路傳遞到EMAT線圈電阻的功率最大時，因為P＝I2R，這里P＝功率，I是EMAT線圈中的電流，R是線圈電阻。為了使功率傳遞最大，必須中和EMAT線圈的電感，并對阻抗進行變換以與使發(fā)射機電子線路產生最大功率的電阻匹配。一般，這是通過把一電容器C與EMAT線圈并聯(lián)從而使EMAT電路在所需的工作頻率下諧振來實現(xiàn)的。近似地給出這種電路的諧振頻率f0為f0≈1/(2π(LC)1/2)。
調諧電路具有在此諧振頻率f0下為實數(表現(xiàn)為電阻性)的阻抗Z，給出其值為Z≈(2π(f0L)2/R。這里，R為EMAT線圈的電阻。使用變換器使該阻抗與發(fā)射機匹配，從而經變換的阻抗與最佳發(fā)射機負載電阻匹配。通過電容器使EMAT線圈諧振，并通過變換器對其進行匹配，可把接近于100％的發(fā)射機功率傳遞到EMAT線圈電阻。
然而，調諧電路的副作用是，在發(fā)射脈沖停止后，電路將繼續(xù)在諧振頻率下振蕩一段時間。這種振蕩的幅度呈指數衰減。由諧振電路的Q值來確定衰減速率。Q值越高，則諧振電路減幅振蕩的時間越長。Q值越低，則該振蕩衰減得越快。給出Q值為Q＝2πf0L/R。
在給定的頻率下，以電路的電感除以電路的電阻的比值來確定Q值。電壓振蕩的幅度以下式給出的速率衰減V(t)＝V0e-tR/2L＝V0e-tω/2Q這里ω＝2πf0。
通過增高頻率并降低Q值來增大衰減速率，從而縮減大主脈沖信號的持續(xù)時間。假設使用同一EMAT線圈來發(fā)射和接收，可估計主脈沖信號的持續(xù)時間。主脈沖信號的持續(xù)時間是發(fā)射脈沖的長度加上電壓衰減到低于接收機的噪聲底值所需的時間。當發(fā)射機的振蕩幅度落到低于接收機的噪聲底值，則不可能再檢測該幅度?？砂阎髅}沖信號的持續(xù)時間表示為t主脈沖信號＝t發(fā)射+2Q/ωln(V發(fā)射/V噪聲)。
例如，典型的EMAT系統(tǒng)以以下參數操作1000伏峰-峰值發(fā)射單音短脈沖串、4毫秒發(fā)射脈寬、2MHz的頻率、為5的Q值以及峰-峰值為2毫伏的接收機噪聲底值。使用這些值，計算得到主脈沖信號的持續(xù)時間為20毫秒。這與測試期間觀察到的實際主脈沖信號持續(xù)時間非常一致。對于切變(shear)波測試，這相當于近似為1″的死區(qū)。
通過使用分開的線圈來進行發(fā)射和接收，可大大地減小發(fā)射機脈沖在接收機線圈上感應的電壓。大多數EMAT設備利用彎曲形線圈。圖1示出一EMAT彎曲形線圈裝置，其中發(fā)射機線圈10和接收機線圈12偏移1/4波長(D/2)。由于發(fā)射機EMAT線圈中電流方向交替變化，所以接收機線圈偏移1/4波長使線圈之間的電磁耦合減小到接近于零。通過把圖4所示非常薄的高電阻率金屬屏蔽14置于兩個線圈10和12之間，并如圖3所示把它連到前置放大器15處的公共地端16而接地，從而幾乎可消除兩個線圈之間的電容性耦合。
這樣導致發(fā)射機線圈10在接收機線圈12上感應的信號大大衰減。所感應的發(fā)射機信號減小60dB(減小到千分之一)導致先前例子中的主脈沖信號持續(xù)時間為14.4毫秒，這相當于主脈沖信號死區(qū)顯著減小。
依據本發(fā)明減小主脈沖信號持續(xù)時間的第二方法是降低調諧EMAT電路的Q值。這樣做的一個方法是加上與EMAT線圈串聯(lián)的電阻。這樣具有減小Q值的所需效果，但也減小了可獲得的信噪比。然而，在許多應用中，為了取得主脈沖信號持續(xù)時間的縮減，信噪比的某些損失是可以容忍的。在大多數應用中，用電纜把EMAT匹配和調諧電子線路連到EMAT線圈。把電纜的電感和電阻加到EMAT線圈的電感和電阻上。然而，應注意電纜引起的任何電阻會減小對EMAT線圈的功率傳遞。在某些情況下，電纜所加的電感基本上可能比EMAT線圈本身的電感大幾倍。這將增大調諧電路的Q值，導致主脈沖信號的持續(xù)時間增加。實驗表明，通過調諧EMAT盡可能靠近EMAT線圈，可獲得Q值為2或更小。
使用圖3所示的帶狀線結構可獲得電阻和電感非常低的電纜。通過使直接相互跨接的兩條寬線20和22在薄的軟性塑料層24的兩側上延伸來形成帶狀線18。通過一段短的帶狀線18把EMAT線圈10或12連到調諧電容器C，使非常小的附加電感和電阻加到EMAT線圈的電感和電阻。這樣使得把功率有效地傳遞到EMAT線圈，并把諧振電路的Q值保持在盡可能低而不犧牲信噪比。使用的Q值為2，且假設接收機線圈上感應的發(fā)射機信號的衰減60dB，計算得到主脈沖信號的持續(xù)時間值為8.2毫秒。這樣明顯地改善了主脈沖信號的持續(xù)時間，相當于切變波測試的死區(qū)僅為1/2″。公知的EMAT電子線路30在其輸出端32產生發(fā)射機信號，通過匹配網絡34和電纜18把該信號提供給發(fā)射機線圈10。在線圈12處反射的波產生一信號，沿另一電纜18把該信號提供給前置放大器15，該前置放大器的引出線連到電子線路30的接收機輸入端36。
為了測試本發(fā)明，使用標準實驗室EMAT電子線路30來裝配實驗設備。裝配分開的EMAT發(fā)射機線圈10和接收機線圈12。用分開的電子線路附件34分別對EMAT發(fā)射機線圈10和用于接收機EMAT線圈12的前置放大器15進行匹配。通過把兩個EMAT線圈分開較大的距離，可進行檢查來證明發(fā)射脈沖未通過電子線路而明顯地耦合到前置放大器和接收機電路。這證明了主脈沖信號的源耦合在發(fā)射線圈和接收機線圈之間。
測試兩個彎曲線圈EMAT之間的耦合。用粘合劑把彎曲線圈EMAT裝到鋁板上。把頻譜分析儀的跟蹤信號發(fā)生器輸出端經由用于隔離的1∶1RF變換器連到EMAT線圈之一。把同樣的第二EMAT線圈置于第一EMAT線圈上方并經由1∶1變換器連到頻譜分析儀的高阻抗輸入端。所有的測量在2MHz下進行。在發(fā)射機EMAT線圈的兩端產生6.3mV r.m.s.的信號。如果兩個線圈精確對準，則在接收機EMAT線圈的末端測得2.32mV r.m.s.的信號。通過把接收機EMAT線圈相對于發(fā)射機EMAT線圈移動，可獲得接收機線圈電壓為零。這個零是在兩個EMAT線圈如圖1所示對準時相當快地發(fā)生的，此時接收機EMAT線圈的筆直部分精確地在發(fā)射機EMAT線圈的筆直部分之間。在變?yōu)榱銜r，測得來自接收機EMAT線圈的信號為14mVr.m.s.。這比發(fā)射機線圈兩端的電壓小450倍。
使用以上所述的原理，把EMAT線圈設計成用作測試管狀產品的檢查系統(tǒng)的一部分。把具有耐久的表面涂層的發(fā)射機印刷電路彎曲線圈置于靠近待測試的部分或工件40。把一層0.0005″厚的高電阻率金屬14置于發(fā)射機線圈10上方。用一層薄(0.0005″厚)的Kapton絕緣體(未示出)使線圈與屏蔽層絕緣。接著，把相同的被絕緣接收機線圈12置于屏蔽層上方，如圖1所示偏移1/4波長。屏蔽層電氣連接到前置放大器公共地端16。新的設計進行得非常好。在測試電子線路的顯示器中清楚地示出來自管狀樣品40中EDM(電致放電機)缺口的反射。該電子線路具有消除來自接收機輸出的主脈沖信號的電路。由測試設備的發(fā)射機電子線路控制屏中的“主脈沖信號消除”(Main Bang Blanking)調整來設定此消除的持續(xù)時間。使用11毫秒的調整值來完全消除主脈沖信號。這使得可容易地檢測到來自管狀樣品中缺口的反射。此外，接收機線圈下的金屬層用于使接收機線圈對電磁噪聲屏蔽。此EMAT線圈設計已應用于軋鋼廠而且有良好的效果。消除了電磁噪聲，而且短的主脈沖信號使得系統(tǒng)完全可對壁厚小到0.150″的管狀樣品起作用。
從先前的裝置中知道了典型的主脈沖信號的持續(xù)時間。在此情況下，使用相同的線圈來進行發(fā)射和接收。在EMAT線圈與發(fā)射機匹配網絡/前置放大器之間使用約3′長的電纜。顯示器使用表面波線圈示出來自板邊緣的反射。必須使用22毫秒的主脈沖信號消除調整值來消除主脈沖信號。
依據本發(fā)明，EMAT可明顯地縮減主脈沖信號的持續(xù)時間，繼而減小由主脈沖信號所產生的檢查死區(qū)，其方法是1.發(fā)射機和接收機使用分開的線圈。
2.使接收機前置放大器對發(fā)射機匹配電子線路屏蔽。
3.使接收機線圈對發(fā)射機線圈偏移1/4波長(可用的)。
4.通過把調諧電容器置于盡可能靠近EMAT線圈處來調諧EMAT線圈，并把它與一段短的帶狀線電纜段相連。
在螺旋形線圈EMAT的情況下，除了不可能使接收機線圈對發(fā)射機線圈偏移1/4波長以外，與上文所述相同的技術也是有效的。
已證明把主脈沖信號的持續(xù)時間減到最小的這些技術是非常有效的。已把減小主脈沖信號的這些技術應用在設計用于檢查管狀物品的系統(tǒng)中。主脈沖信號的減小導致對于壁厚薄到0.150″的管子有極好的裂紋檢測能力。本發(fā)明還應用在開發(fā)用于檢測鍋爐管子中腐蝕疲勞開裂的系統(tǒng)。主脈沖信號的減小將導致有能力使用靠近膜片的EMAT來檢測來自膜片焊接的裂縫。所有的EMAT的新設計應包括可能的新技術。
雖然已詳細地表示和描述了本發(fā)明的具體實施例來說明本發(fā)明原理的應用，但應理解，本發(fā)明可以其它方式來實施而不背離這些原理。
權利要求
1.一種EMAT裝置，其特征在于包括發(fā)射機EMAT線圈；靠近發(fā)射線圈的接收機EMAT線圈；所述線圈之間的靜電屏蔽。
2.如權利要求1所述的EMAT裝置，其特征在于所述線圈中的每一個都具有分開一節(jié)距的多節(jié)，所述線圈相互偏移節(jié)距。
3.如權利要求1所述的EMAT裝置，其特征在于包括連接在所述線圈之間的電子線路、連接在接收機線圈與EMAT電子線路輸入端之間的前置放大器以及連接在EMAT電子線路的輸出端與發(fā)射機線圈之間的匹配網絡，所述電子線路具有把一信號提供給發(fā)射機線圈的輸出端以及接收來自接收機線圈的信號的入口。
4.如權利要求1所述的EMAT裝置，其特征在于包括連到每個線圈用以把調諧電容器連到每個線圈的帶狀線電纜，所述電纜包括第一和第二導體以及所述導體之間的絕緣層，所述第一導體連接在一線圈的一端與所述電容器的一端之間，所述第二導體連接在所述線圈的另一端與所述調諧電容器的另一端之間。
5.一種EMAT裝置，其特征在于包括發(fā)射機EMAT線圈，具有分開一節(jié)距的多節(jié)；靠近發(fā)射線圈的接收機EMAT線圈，所述接收線圈具有分開一節(jié)距的多節(jié)，所述線圈相互偏移節(jié)距的一半。
6.如權利要求5所述的EMAT裝置，其特征在于包括連接在所述線圈之間的電子線路、連接在接收機線圈與EMAT電子線路輸入端之間的前置放大器以及連接在EMAT電子線路的輸出端與發(fā)射機線圈之間的匹配網絡，所述電子線路具有把信號提供給發(fā)射機線圈的輸出端以及接收來自接收機線圈的信號的入口。
7.如權利要求5所述的EMAT配置，其特征在于包括第一和第二導體以及所述導體之間的絕緣層的帶狀線電纜，所述第一導體連接在每個線圈的一端與所述電容器的一端之間，所述第二導體連接在所述線圈的另一端與所述調諧電容器的另一端之間。
8.一種EMAT裝置，其特征在于包括發(fā)射機EMAT線圈，具有分開一節(jié)距的多節(jié)；用于把信號加到所述發(fā)射機線圈以把波發(fā)射到工件的裝置，所述波具有一波長；靠近發(fā)射線圈用以接收從工件反射的波的接收機EMAT線圈，所述接收線圈具有分開一節(jié)距的多節(jié)，所述線圈相互偏移節(jié)距的一半。
9.一種EMAT裝置，其特征在于包括發(fā)射機EMAT線圈；靠近發(fā)射線圈的接收機EMAT線圈；具有連到所述接收線圈的輸入端且具有輸出端的前置放大器；具有連到所述發(fā)射線圈的輸出端的發(fā)射機匹配網絡；EMAT電子線路，具有把發(fā)射機信號加到用于所述發(fā)射機線圈的所述網絡的輸出端以及連到所述前置放大器的輸出端以接收相應于所述接收機線圈所接收反射波的信號的輸入端。
全文摘要
一種EMAT裝置利用分開的發(fā)射機和接收機EMAT，每一個EAMT都可通過帶狀線電纜連到調諧電容器。還可在線圈之間提供靜電屏蔽，線圈可相互偏移線圈中節(jié)距的1/2。這樣就縮減了主脈沖信號的持續(xù)時間，因而可使EMAT裝置檢測非常靠近線圈的構件。
文檔編號G01N22/00GK1769875SQ20051009109
公開日2006年5月10日 申請日期1999年8月23日 優(yōu)先權日1998年8月24日
發(fā)明者D·T·麥克勞克蘭, J·W·漢考克 申請人:麥克德莫技術股份有限公司