采用RLC激励的EMAT圆柱探头设计参数分析

　　0 引言

　　电磁超声由于具有在检测过程中可以不与被检材料表面直接接触、无需加入声耦合剂、检测速度快、重复性好、耐高温、适宜对特殊形状材料的检测等优点而受到越来越多的关注[1]。对于非铁磁性被检导体，当把通有高频电流的线圈放置在被检对象附近时，根据法拉第电磁感应效应，在金属物体表层内将感生出涡流，如果同时在该金属物体表层附近施加一稳定外磁场，则该外加磁场将与感生涡流相互作用产生交变的洛伦兹力致使金属原子产生震动，并以一定方式传播出去，就可以产生超声波。电磁超声换能器(EMAT)工作过程实质是电磁场、力场和超声场之间的相互作用[2]。

　　由于EMAT存在噪声大、发热量高以及转换效率低等问题，EMAT的优化设计一直是电磁超声研究的重点之一。本文采用RLC高压电容储能式脉冲激励，线圈探头为空心圆柱线圈，线圈探头既是RLC激发部分的电感器L，又是产生交变磁场EMAT的线圈，不仅要满足激励信号对频率和幅值的要求，还要满足缺陷检测对激发出的超声波信号频率与幅值的要求，并达到一定换能器转换效率，所以，针对线圈的设计参数分析就显得尤为重要。

　　1 RLC电容储能式脉冲激励源原理

　　电容储能型脉冲发生电路是以电容器为储能元件，其所储存的能量以电能的形式实现，发射之前通过高压直流电源给电容器充满电，通过放电开关直接对放电回路上的负载放电，构成RLC放电回路。这种方法具有能量集中，瞬时电流峰值高和发热量小等优点[3]，可以提升磁—声转换效率和激发信号强度，故采用RLC振荡电路产生的信号作为电磁超声检测的激励信号，其基本电路图如图1所示，其中，E为电源电势，C为电容，L为线圈电感，R为线圈电阻、放电回路连接导线电阻、接触电阻以及放电器件内阻总和，S为控制开关。

　　电容储能式脉冲发生器的基本原理是: 开关拨到“1”时，高压直流电源E对电容器C进行充电，充满高压后，开关迅速拨到“2”的位置，此时C通过电阻R、电感L进行放电，构成RLC二阶零输入响应放电回路，形成衰减振荡的脉冲信号。

　　根据基尔霍夫定律和电路元件特性，电容器电压值UC可以用二阶零状态响应常微分方程描述[4]

　　电路的初始条件为

　　通过解此方程可以得到3种不同条件的情况:

　　1) 过阻尼情况，即时，电容电压是基本上是单调下降的，是一个非振荡衰减过程;

　　2) 临界阻尼情况，即时，电路的响应仍然是非振荡过程;

　　3) 欠阻尼情况，即时，电路的响应是振荡衰减过程。