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摘要：为提高超声波探伤系统的精度和稳定性，针对超声波探伤系统发射模块中含有高压尖负脉冲和较大幅值信号，设计了超声波探伤系统的接收模块，对发射模块的回波信号进行限幅保护、预放大、程控放大、可变增益放大处理，实现了对超声波探伤系统缺陷回波信号的提取，并使信号能够满足高速AD模块的输入要求。经实验验证：该模块可完全满足超声波探伤系统的实际要求。
关键词：超声波探伤；接收模块；限幅保护；程控放大；可变增益
1前言
超声表面波探伤是检查工件表面缺陷的一种手段。随着电力工业的发展，单机容量越来越大，汽轮机叶片断裂事故对电厂是一种严重威胁。用超声表面波对叶片和叶根进行定期探伤，是防止发生事故的措施之一。但因叶片间隙小，为此我们研制了微型表面波探头气目前，这种探头已不限于电力系统使用，如飞机压缩机、涡轮机叶片、柱塞弹簧的质量检验，以及各种锻件表面裂纹深度测量，均收到较好效果。
2原理
电磁超声表面波产生的原理是由电磁学、力学和声学组成的复杂的产生机理。其基本过程可以表述为：在某一个时间点，在被检测试样上，放置折线形线圈，在线圈两端通入高频高压脉冲串，此时线圈中产生很大的高频电流，高频电流在试样趋肤层耦合出频率相同但方向相反的涡流，在偏置磁场的作用下，产生交变的洛伦兹力，从微观角度来讲，质子和质子之间相互碰撞，在被测试样表面发生周期性的振动和形变。一般认为被测试样的厚度超过4倍超声波波长，质点的高频振动就会以表面波的形式在试样中传播，当表面波在向下传播时，其信号会衰减的非常快，当深度超过其一倍波长时，表面波会急剧衰减。因此表面波只能对被测物体的表面和近表面缺陷进行检测。
3电磁超声探伤系统
电磁超声硬件系统包括激励电路，接收电路以及换能器（包括用磁体、线圈、被测试件）三部分组成。电磁超声硬件系统如图1所示。
程序大体思想为：在控制信号为高脉冲时，允许DDS产生的方波信号进入并进行计数，若计数为9，让9个脉冲串通过，然后控制信号电平置为低，当控制信号为低电平时，输出也为低电平，等待下一个控制信号的高电平到来，如此反复循环，产生的脉冲经过取反模块后，由FPGA输出两路正负脉冲串。脉冲控制是由两个按键来控制的，一个按键减少脉冲个数，一个增加脉冲个数，由于脉冲个数在1～16个范围内可调，数量多了很难确定有几个脉冲，所以脉冲个数由LED显示出来，实验时会很方便知道由FPGA产生脉冲的周波数。
3.2功率放大电路
脉冲通过功率放大电路来提高电压，然后通入发射线圈获得大电流，产生大电流在铝板中耦合出涡流，就可以更好地进行电磁超声检测。由FPGA发出的脉冲一般只有5V左右，其功率和幅值都无法驱动MOS管，所以脉冲由发射电路产生后，先经过驱动电路，然后输入到功率放大电路（主要是提升电压），脉冲串的电压将提升到400V左右，然后输入到发射线圈中。功率放大电路采用推挽式放大，MOS管的作用如同开关，功率放大电路如图3所示。
图4高压激励脉冲串
电压经过激励电路后升压到400V左右，由于MOS管导通有上升和下降时间，使输出脉冲变成尖峰状，便于激励探头激发出表面波出来。因为尖峰状脉冲能量更集中，输入线圈时，更容易在铝板的趋肤层耦合出涡流。
3.3电磁超声表面波的线圈形式
放大后的脉冲串通入高频线圈中，接收和发射线圈均为折线形线圈，由线圈的几何形状可知相邻导线内的电流方向是相反的，在导线下方产生的应变位移也相反，在空间形成周期性的正负交替，周期的表面应力作用在试样上，当满足以下位移匹配条件时，该应力即产生超声波，即：
nλ=2L
式中n—奇整数；
λ—瑞利波长；
L—相邻线圈的间距。
匹配的目的是利用回折形线圈空间周期性的特点，对表面波的叠加来增强激发超声波信号，减弱其他干扰信号，当线圈的声同步频率等于激励信号的电流频率时，即当λ=2L时，线圈所激发的声波最强。电流越大，就能在铝板上耦合出更大的涡流，接收到回波效果更明显、幅值更大。本文采用来回往复绕制线圈，在同一束线圈中有多根导线，电流往复循环提高了导线中单位面积的电流。导线应排列紧密且平行，而且间隔相等，为了保证电流能够达到足够大，接收线圈绕制方式和间距一致，由于电磁超声信号很微弱，接收线圈匝数要比发射的多，这样接收到的回波信号效果好。
发射线圈和接收线圈的匝数绕制比为3：7，接收回波效果明显好于匝数比1：1。
4结束语
采用单磁铁和折线形线圈组合，采用一发一收的换能器模式，线圈采用间隔为3mm的折线形线圈可以在厚度30mm的铝板上产生表面波并且可对铝板的表面缺陷进行检测，效果明显，可实现金属板材表面大范围检测。
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论文作者:郑文亮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/20
标签：线圈论文; 脉冲论文; 表面波论文; 超声论文; 信号论文; 电磁论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第20期论文;