CN110603442B - 用于腐蚀映射的电磁声换能器(emat) - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于检测管中的腐蚀的系统和方法。在一个实施例中，一种用于检测物体中的腐蚀的装置包括电磁声换能器(EMAT)，其具有铁磁芯和围绕铁磁芯周围布置的多个永磁体。永磁体布置成产生通过铁磁芯的磁场。该装置还包括在铁磁芯和物体之间的线圈。

Description

用于腐蚀映射的电磁声换能器(EMAT)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月2日提交的美国临时申请No.62/466264的权益，其内容通过引用合并于此。
背景技术
金属结构通常容易受到腐蚀和侵蚀。例如，管道通常在管的外表面上形成腐蚀，而在管的内表面上形成侵蚀。管道操作者使用B31G标准来评估管道“服务适合性”。在评估过程中，必须识别管上的腐蚀斑块，并估算这些斑块之间的间距，以确定是否应将紧密地间隔的斑块视为一个连续的斑块。接下来，可以将斑块的轴向范围和最大深度作为用于每个斑块的评估标准。腐蚀斑块的最大深度决定了管的最小可用壁厚。
图1是根据现有技术的裂缝检测的示意图。一些常规技术通过压电换能器或电磁声换能器(EMAT)在固体材料6(例如，金属板)中产生超声波。压电换能器包括振动晶体2和耦合剂4(例如，凝胶或流体)，该耦合剂将振动传递到固体材料6(例如，钢板)上。在另一种常规技术中，EMAT 15在固体材料6中产生振动。EMAT 15包括与线圈12磁耦合的永磁体10。当交流电(AC)在线圈12中流动时，线圈12中的AC电流在固体材料6中产生涡电流。永磁体10的磁场与这些涡流相互作用(例如通过洛伦兹力或磁致伸缩)，以产生通过固体材料的晶格传播的超声波。当超声波到达裂纹或分层5(或晶格中的其他不连续部)时，会生成反射超声波。这些反射波可以由也是EMAT的接收器检测。在接收EMAT(未显示)处，反射超声波与接收EMAT的磁场的相互作用在样品材料中感应出涡流，其进而在接收EMAT线圈电路中感应出电流。可以测量这些感应电流，并进行进一步分析以表征样品的裂纹、分层或壁厚。在某些应用中，EMAT 15既可以用作超声波发射器，也可以用作超声波接收器。
对于EMAT和压电换能器壁厚的测量，由于超声波能量从腐蚀斑块上的散射，腐蚀可能特别成问题。此外，EMAT难以在具有相对较薄的壁(例如0.25至0.5英寸)的管上操作，并且由于腐蚀而进一步变薄，因为第一回波(可能是唯一具有可检测到的幅度的回波)可能被掩埋在信号的“主脉冲(main bang)”中。因此，仍然需要有成本效益的测试方法，该方法能够在腐蚀存在的情况下不用耦合剂而精确地测量壁管的厚度。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解当前公开的各方面。附图中的组成部分不一定按比例绘制。相反，重点放在清楚地说明当前公开的原理上。
图1是根据现有技术的缺陷检测的示意图；
图2A是根据现有技术的用于具有未腐蚀壁的管的EMAT幅度扫描(ASCAN)响应；
图2B是根据现有技术的用于具有腐蚀壁的管的EMAT ASCAN响应；
图2C和2D是根据当前公开的技术的实施例的传感器尺寸对比腐蚀拓扑的部分示意图；
图3是根据当前公开技术的实施例的具有铁磁芯的EMAT的示意图；
图3A是图3所示的EMAT的剖视图；
图3B是图3所示的EMAT线圈的一条迹线的详细视图；
图4是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的布局的示意图；
图5A是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图；
图5B是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图；
图6A是根据当前公开的技术的实施例的EMAT线圈的示意图；
图6B是根据当前公开的技术的实施例的线圈信号的图形；
图7是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的示意性电路拓扑；
图8是根据当前公开的技术的实施例的用于EMAT系统的支持电子装置的示意图；
图9和图10示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的脉冲图；
图11和图12分别示出了根据当前公开技术的实施例的用于钢板和铝板的EMAT系统的模拟结果；
图13是根据当前公开的技术的实施例的信号强度对比剥离(lift-off)的图形；
图14示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的输出电压对比时间的模拟结果；
图15示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的电流对比时间的模拟结果。
具体实施方式
本发明的技术涉及可以量化管道或其他结构的剩余壁厚的EMAT(电磁声换能器)传感器。本发明的技术可以用于例如缺少传统压电(PZT)系统所需的液体耦合剂的气体管道或空管中。通常，当管被严重腐蚀时，传统的液体耦合的PZT系统和EMAT壁面损失系统都难获得测量。特别是腐蚀斑块的倾斜面会散射入射的超声波信号，从而使返回信号模糊或完全阻止反射信号的测量。
在操作中，EMAT传感器需要最大化准确确定腐蚀斑块之间的间距、腐蚀区域的长度和腐蚀斑块深度的概率。在一些实施例中，代替或者除了腐蚀之外，可以检测到物体中的其他缺陷，例如，物体中的裂纹或晶体结构缺陷。
在某些情况下，定义腐蚀斑块内的壁的剩余厚度的深腐蚀凹坑能够具有相对较小的横截面。即使没有专门针对B31G标准，找到最小的剩余壁厚对于使管或其他结构的剩余使用寿命达标也很重要。由于常规EMAT的感应区域的相对大的尺寸，因此现有的EMAT技术无法充分检测相对较小但较深的腐蚀凹坑。下面描述解决该问题的本技术的一些实施例。本技术可以适用于从管的外部的手持式或自动传感器应用或从管的内部的在线检查应用。
通常，EMAT的感应覆盖区(footprint)越小，从腐蚀凹坑的底部获得测量值的可能性就越高，因为如果超声波的方向竖直于腐蚀凹坑的底部，则腐蚀斑块会反射更多的能量。例如，具有相对较大的传感器覆盖区的EMAT传感器可以检测相对较大但浅的腐蚀斑块，而不能检测相对较小但深的腐蚀斑块。与具有0.5-1英寸数量级的线性尺寸的典型EMAT传感器覆盖区相比，在本技术的一些实施例中，传感器覆盖区的线性尺寸为大约1/4英寸至3/8英寸或大约1/8英寸至1/4英寸。本技术的一些实施例具有圆形或近似圆形的EMAT传感器覆盖区，其直径约为1/4英寸至3/8英寸或大约1/4英寸至1/2英寸直径。
在本发明技术的一些实施例中，增加了磁场强度，从而在小面积内产生了更强的磁场，从而提高了EMAT传感器的性能。通常，EMAT的灵敏度(例如，EMAT检测腐蚀的能力)与磁通量的密度的平方成比例。因此，如果磁通量保持不变的同时磁场面积例如小两倍，则EMAT传感器的灵敏度将增加四倍。换句话说，在一些实施例中，本发明技术不一定依赖于更强的信号，而是依赖于在较小的感测覆盖区内具有相同强度的信号。在至少一些实施例中，增加的磁场密度增加了从具有小的轴向和周向范围的腐蚀斑块的底部接收返回回波(或者多个回波)的可能性。
本技术的一些实施例可以表征样品(例如管)的外表面或内表面上的样品中的缺陷(例如，腐蚀凹坑的深度)。用于带有腐蚀的管和具有薄壁的其他结构(例如，平坦壁)的EMAT传感器的设计的一些注意事项是：
1.传感器衰荡/死区时间；
2.OD(外径)表面超声波散射；
3.ID(内径)耦合；和
4.传感器尺寸对比腐蚀拓扑。
传感器衰荡/死区时间
图2A是根据现有技术的用于具有未腐蚀壁的管的EMAT幅度扫描(ASCAN)响应。图2A中的图形在水平轴上显示时间，在竖直轴上显示信号幅度。以信号幅度的高强度(也称为“主脉冲”)为特征的初始阶段对应于当线圈120将电磁信号发送到管(样品)中的时间段。如上所述，电磁信号在管材料的晶体基质中转换为超声波信号；超声波信号反射出在晶体基质中的缺陷(例如，材料的腐蚀、破裂、分层或边缘)；并且反射波面积通过线圈120感测。由于线圈120基本上饱和有传输信号(“主脉冲”)时间期tD(“死区时间”或“衰荡”时间)，因此线圈120在这段时间内无法用于感应。在时间tE处，第一反射信号(“回波”)被线圈120接收并感测。然后，在方向16上来回传播的超声波以时间间隔Δt被线圈120感测。在图示的实施例中，tD为约10μs长，tE为约22μs长，并且Δt为约18μs长。在其他实施例中，可以应用其他时间间隔。例如，tE和时间间隔Δt随着管的厚度而增加。通常，传感器在测量腐蚀时应依靠多次反射。
此外，对于相对较薄的管壁，例如，对于约0.25至0.5英寸的管壁，不包括腐蚀，死区时间的长度可能会影响测量。例如，来自0.4英寸和0.1英寸厚壁的第一次反射分别约为6.2μs和1.5μs，在所示的情况下，这将被大约10μs长的死区时间tD掩盖。
OD表面超声波散射
图2B是根据现有技术的用于具有腐蚀的壁的管的EMAT ASCAN响应。通常，EMATASCAN在非腐蚀表面上或腐蚀拓扑变化远大于传感器尺寸的表面上产生多次反射。然而，当腐蚀斑块61包括小于传感器尺寸的拓扑时，来自腐蚀斑块61的反射被更多散射。结果，如下所述，EMAT传感器在腐蚀区域进行测量的能力降低。
在一些实施例中，EMAT 15向腐蚀斑块61发送超声波16T，并接收反射的超声波16R。然而，腐蚀斑块61的不平坦表面导致反射的超声波16R的散射。结果，减少了可观察到的超声波回波的数量。在一些实施例中，如图2B的图形所示，仅产生一个可观察到的回波。在图示实施例中，由于EMAT传感器的死区时间，对于小于约0.6英寸的管壁，可能无法检测到第一回波，因为衰荡时间(tD)掩盖了第一回波，并且操作者需要额外的回波来进行测量。在腐蚀导致显著的壁面损失的情况下，EMAT可能会简单地报告“无读数”。结果，在某些实施例中，传感器可能不会收到任何回波并且无法进行测量。
ID耦合
如上所述，EMAT传感器通过在管中的涡流与同位的静磁场的相互作用在管壁中产生超声波信号。这种转换方法为在现场使用EMAT提供了一个优势，因为不需要超声波耦合(例如，通过耦合液或凝胶)。
对于发送/接收EMAT，超声波信号与静磁场的平方成正比，并且相对于发送线圈电流呈线性。随着传感器与表面之间的距离(也称为“剥离”距离)增加，静磁场和感应的RF电流变小。在一些实施例中，EMAT传感器的剥离范围可以是约2毫米。在一些实施例中，管的内表面(ID)的腐蚀或侵蚀可有效地增加剥离，从而导致ASCAN信号的损失(例如，系统报告“无读数”)。因此，在一些实施例中，EMAT工具的机械设计使传感器可靠地保持抵靠在管的表面上，以最小化剥离和/或剥离变化。在一些实施例中，诸如激光表面映射之类的增强测量方法可以映射ID表面以确定ID腐蚀的程度。为了减少ID耦合问题，传感器可以在更高的静磁场强度和更高的RF电流水平下运行。
传感器尺寸对比腐蚀拓扑
图2C和2D是根据当前公开的技术的实施例的传感器尺寸对比腐蚀拓扑的部分示意图。在一些实施例中，可以减小EMAT传感器15的尺寸以减轻由腐蚀61引起的信号散射。例如，图2D图示相对大的EMAT 15，其跨越了腐蚀61的表面斜率的显著变化。在许多实际情况下，有用的反射超声波16R仅或主要地腐蚀峰反射。另一方面，腐蚀61的倾斜区域将超声波反射离开有用的测量方向，朝向EMAT 15返回。
反射的超声波的这种散射会引起某些问题：不同的信号路径长度导致模糊、模式转换、剪切波极化旋转以及错过的反射能量，所有这些都会降低反射信号的水平和/或导致回波的模糊。但是，如果相同的能量可以集中在较小区域内，腐蚀峰宽(腐蚀最深的地方)的百分比变成EMAT感应区域的较大百分比，因此增加了良好测量的可能性。在一些实施例中，EMAT感测面积(即，具有通过线圈120的高磁通量的区域)可以具有大约1/4英寸至3/8英寸或大约1/8英寸至1/4英寸的传感器覆盖区的线性尺寸。本技术的一些实施例具有是约1/4英寸至3/8英寸或约1/4英寸至1/2英寸直径的圆形或近似圆形的EMAT传感器覆盖区。在一些实施例中，传感器覆盖区可具有小于1/4英寸的线性尺寸或直径。在一些实施例中，以上列出的面积尺寸设置为对应于目标腐蚀峰的面积。
图3是根据当前公开技术的实施例的具有铁磁芯的EMAT的示意图。特别地，图3包括围绕铁磁芯110的四个径向面对的磁体100的建模结果，铁磁芯110具有10平方毫米的底部，高40毫米。磁体100为10mm厚、20mm宽和40mm高的N35 Nd。在某些运行中，使用此配置对4mm和8mm厚的钢板进行了模拟，而在其他模拟运行中，对铝进行了模拟。对于静态模拟，铝具有与空气相同的磁导率。矢量场表示由磁体110引起的磁场。
图示的EMAT 150包括在RF线圈120上方的高饱和铁磁芯110。被测试的管(未示出)将进一步在RF线圈120下方。各个磁体100被定向为以相同的极面对铁磁芯110，例如，以北(N)极面对。在一些实施例中，各个磁体100可以以其南(S)极面对铁磁芯110。在一些实施例中，磁体100是正方形或圆形的稀土磁体。在一些实施例中，磁体100沿着铁磁芯110的竖直长度彼此堆叠在顶部，以实现磁体100的所需高度。
对于常规的单个磁体EMAT，最大磁场为Br或剩余磁化强度(例如，对于Nd N52材料，约为1.5特斯拉)。实际上，由于磁体100周围的磁通量路径中存在气隙，因此无法获得该值。在空气中，用于单个磁体的磁表面场约为0.65T(现有技术配置)，当磁体100放置在钢或其他铁磁材料上时，达到约IT。在本技术的一些实施例中，磁体100的相对磁极之间的相对短的磁路可以将磁场强度(也称为磁通密度)增加到大约2.3T。箭头112指示铁磁材料110中间的磁场方向。对于依赖于常规单个磁体布置的常规EMAT，磁场强度通常约为IT。由于EMAT的灵敏度随磁场强度的平方而变化，因此磁场强度2.3倍增加会导致对于固定感应区域的信号水平检测(也称为EMAT的灵敏度)约5.3倍增加。因此，利用本发明的技术，可以在实现相同或更好的EMAT灵敏度的同时减小感测面积。例如，在本发明技术中利用我们的1/4英寸平方感测面积可获得的信号水平可以与常规EMAT传感器的利用1英寸平方感测面积可获得的信号水平相当。结果，在考虑传感器面积时，本发明技术可以产生16倍的明显改进。此外，由于线圈120的面积可以显著大于感测面积，所以还改善了EMAT的剥离性能。如上面参考图2C和2D所解释的，当检测相对较小的腐蚀斑块时，感测面积的减小可以具有附加的益处。
在不同的实施例中，线圈120可以具有不同的几何形状，例如，螺旋线圈和线性线圈。螺旋线圈和线性线圈都是安装在铁磁芯110与样品表面之间的平板线圈。线性线圈可以实现为“D”形或两个背对背的“D”形，有时也称为“蝴蝶形线圈”。
听觉上，螺旋线圈产生一个径向极化的剪切波，而线性线圈产生一个线性极化的剪切波。从理论上讲，径向极化线圈产生一个能量锥，几乎没有能量直接进入材料。方向取决于绕组间距。线性线圈产生竖直定向的波。发明人已经发现，与螺旋线圈相比，线性线圈在产生较长的多个回波序列方面可能更好。另一方面，螺旋线圈可能会产生更强的第一回波，其衰减更快。
在一些实施例中，可以使用多模态体波/导波。在一些实施例中，体波换能器被配置为产生以倾斜入射角传播通过样品的超声波(即，超声波相对于样品的表面沿非垂直方向行进)。
图3A是图3中所示的EMAT的截面图。在一些实施例中，铁磁芯110在磁体100的下表面下方突出距离ZP。在一些实施例中，铁磁芯110可以相对于磁体100在竖直方向(Z方向)上可移动，因此导致可变的ZP。因此，从铁磁芯110到线圈120并且进一步到样品6的距离也改变。当希望减小样品和EMAT之间的吸引力时，例如，当EMAT 150从管上的一个位置移动到另一位置时，铁磁芯110和样品之间的距离可以通过滑动(或竖直地缩回)磁体100内的铁磁芯110来增加。
剥离(Z剥离)是线圈120与样品6的表面之间的距离。如上所述，较小的剥离通常会增加样品6中的磁场和涡流，导致EMAT 150的提高的灵敏度。此外，由磁体110产生的磁场行进通过延伸的铁磁芯110，并且通过线圈120进入样品，从而减少由磁场行进通过空气引起的损失。
在一些实施例中，铁磁芯110的边缘可以是圆形的(由半径R1和R2标示)。例如，在铁磁芯的下端处的半径R2能够通过可以消除可以挖凿该线圈的拐角来减少线圈120的磨损和撕裂。铁磁芯110的上端上的半径R1促进了铁磁芯中产生的声波的更快耗散，使得这些不需要的声波对管中的声信号的干扰较小。
图3B是图3中显示的EMAT线圈的详细视图。在一些实施例中，线圈120的导电迹线121被封装在包层(cladding)122中。在一些实施例中，包层122可以是消音或吸音材料(例如，填充的环氧树脂)，减小在线圈120中产生的EMAT信号，因此改善了测量的质量(例如，信噪比或S/N比)。
在一些实施例中，导电迹线121的边缘可以是锯齿状的。当电磁场传播通过导电迹线121时，锯齿1215散焦和/或散射在导电迹线内自然发生的反射。结果，EMAT的S/N比可以进一步提高。在一些实施例中，迹线121可具有毫米级的直径，而锯齿1215的大小比迹线的直径小一个或多个量级。
图4是根据当前公开技术的实施例的EMAT布局的示意图。在所示的实施例中，磁体100被布置为在多个铁磁芯110下方创建多个感测区域。例如，磁体100的北极N可产生通过铁磁芯110-1和110-4的磁通量，而磁体100的南极S产生通过磁芯110-2和110-3磁通量。所得的EMAT 150包括能够感测样品的多个区域的多个铁磁芯/线圈对。
取决于磁体的布局，至少一些磁体100可以具有两个接合的磁极N，S，以产生通过铁磁芯110的磁通量。在一些实施例中，磁体100可以具有不同的长度，例如，L1和L2。在一些实施例中，磁体的宽度W1、W2可以不同。例如，一些磁体的宽度W2可以大于它们面对的铁磁芯110-1的侧面。不受理论的束缚，据信具有较大宽度W2的磁体可以增加磁场的强度。
图5A是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图。在一些实施例中，EMAT150包括另外的磁体，例如磁体100T。在操作中，磁体100T的北极面对铁磁芯110的顶部。在至少一些实施例中，来自磁体100T的附加磁通量增加了铁磁芯110中的磁通密度。结果，磁通密度并且因此EMAT 150的灵敏度(例如，EMAT 150检测腐蚀的能力)也被提高。
图5B是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图。在一些实施例中，EMAT150包括楔形的磁体100。结果，可以将更多数量的磁体100布置成面对铁磁芯110，因此增加了通过铁磁芯的总磁通密度，这随而又增加了EMAT 150的灵敏度(例如，EMAT 150的检测小尺寸腐蚀的能力)。在图示的实施例中，八个磁体100面对八角形的铁磁芯，但是其他数量的磁体和铁磁芯的相应形状也是可能的。在一些实施例中，圆柱形铁磁芯110可以被磁体100围绕，磁体100被成形为空心圆柱体，该空心圆柱体例如使其北极在内径处和使其南极在外径处。
图6A和6B图示线圈110的布置，用于接收信号的主脉冲的改善的S/N比和减小的衰荡。图6A是根据当前公开技术的实施例的EMAT线圈的导电迹线的示意图。图6B是根据当前公开的技术的实施例的线圈信号的图形。
图6A示出了线圈120的发送器迹线120-TX和接收器迹线120-RX。在操作中，铁磁芯110-1可以竖直地位于发送器迹线120-TX的部分TX1和接收器迹线120-RX1的部分RX1的上方，而铁磁芯110-2位于部分TX2和部分RX2上方。铁磁芯110-1经受到强磁场，而铁磁芯110-2则受到弱磁场或完全没有磁场。为了简单起见，迹线120-TX和120-RX彼此相邻显示。然而，在一些实施例中，迹线120-TX和120-RX彼此重叠(例如，120-TX和120-RX迹线在彼此的顶部上)。
在一些实施例中，发送线圈TX1，TX2可以与两个接收线圈RX1，RX2类似地串联连接。接收线圈RX1，RX2以彼此相反的相位连接，使得看到相同电流的发送线圈TX1，TX2分别在两个接收线圈RX1，RX2中感应出相等但相反的电压。例如，接收线圈RX1的绕组以与接收线圈RX2相反的方式布置。结果，接收线圈RX1，RX2的串联组合两端的电压使其衰荡(死区时间)被抑制，如下面更详细地解释的。
图6B示出了利用图6A所示的布置获得的接收器(RX)信号的几个图形。上方的图形示出了由部分RX1接收的反射超声波信号，中间的图形示出了由部分RX2接收的反射超声波信号，并且下部的图形示出了由部分RX1和RX2接收的信号的总和。不受理论的束缚，相信接收器部分RX1和RX2在死区时间tD期间都感测到相对强的发送信号。然而，由于部分RX1和RX2的相反的镜像绕组，接收信号是异相的。因此，在tD内的接收信号大部分地相互抵消，如在以下图形中显示。在一些实施例中，在tD内的信号的这种消除通过减小衰荡来改善了测量的准确性，尤其是如果tD相对长并且开始侵占来自样品的返回(回波)超声波时，尤其如此。
当tD期间的强信号消散时，在铁磁芯110-1下方的部分RX1在tE处记录超声波回波。在铁磁芯110-2的相对弱的磁场下的部分RX2微弱地记录或不记录超声波回波。结果，在部分RX1和RX2中的信号的总和对应于由部分RX1接收的超声波回波。
图7是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的示意性电路拓扑。通常将C调谐设置为使其与L线圈共振。在发送时间期间，Rs代表结合有阻塞二极管的动态电阻和发送侧的任何其他损耗的发送器(TX)的有效源阻抗。一旦电压降低到阻塞二极管的电压水平以下，并且接收器开关导通，Rs表示接收器侧的输入阻抗。该电路还可以包括安装的任何并联电阻，以帮助减少衰荡。
进行分析以模制实现特定衰荡时间需要的组分值。该模制假定L线圈是固定的，并且C调谐设置为在操作频率处共振。对于图7所示的电路，这可能是3.06MHz。使用矢量阻抗分析仪在钢样本上以操作频率测量特定EMAT线圈的L线圈和R线圈。
为了简化分析，我们可以假设衰减包封与实际阻尼正弦曲线相反，以估计衰荡。我们还可以假设初始条件是在驱动器关闭时C调谐处于最大电压。用于图示电路的品质因数可定义为：Qp＝Rs/2πf L线圈和Qs＝2πf L线圈/R线圈，分别为并联和串联电路Q。Qe是Qp和Qs(即Qs*Qp/(Qs+Qp))的并行组合。
衰减包封在下面的公式1中提供。
如果共振频率为3MHz，则期望V(1.5μs)为50μv，脉冲电压Vi为500伏，则等效Qe需要约为0.9。Qs由EMAT线圈固定并且在这种情况下，约为2.7，因此，对于1.5μs衰荡，所需要的Qp为1.35。因此Rs的最大值为76欧姆。
该示例模拟有助于通过图7所示的电路拓扑来确定更快的衰荡时间。例如，对于较低输出阻抗的发送器，并联调谐电容器的使用不会在线圈中提供电流增益。但是，调谐电容器确实会抵消感抗，这对于某些发送器可能有用。并联电容器还根据Qs提供一些自由的接收器电压增益。请注意，如果Rs大，则电路两端和进入接收器中产生的电压是线圈中产生的接收信号的Qs倍。
图8是根据当前公开的技术的实施例的用于EMAT系统的支持电子装置的示意图。图示的示意图也称为H桥驱动器。虚线表示当场效应晶体管(FET)2和3导通时的电流路径。实线表示当FET 2和FET 4导通或当FET I和FET 3导通时的电流路径。虚线表示当FET 1和FET 4关闭时的电流路径。在一些实施例中，可以使用其他类型的快速开关，例如，双极晶体管。
在一些实施例中，打开和关闭FET 1-4驱动电流I沿期望方向通过线圈120。例如，在接收窗口期间，H桥驱动器的下部FET(FET 2和4)可以保持导通状态，以帮助在发送(TX)周期结尾时将能量从EMAT传感器中拉出。在某些实施例中，可以通过利用二极管阻塞阵列和基于FET的阻塞/保护来保护EMAT的接收器。在一些实施例中，可以监视死区时间tD或EMAT线圈120中的电流。基于此监视，H桥驱动器的动态调整可在突发的结尾处(例如，在死区时间tD结尾处)将EMAT传感器中的剩余电流或能量最小化。
在一些实施例中，EMAT可以将1000V驱动器信号用于TX，并且必须在关闭驱动器的几微秒内由RX检测和测量10-100μV信号。
图9和图10显示了用于根据当前公开技术的实施例的EMAT系统的脉冲图。图9包括两个图形。上方的图形示出了在线圈120处的常规电压脉冲序列220-1。常规的电压脉冲序列是在脉冲序列内具有均匀的脉冲宽度W的方波。下方的图形示出在本技术的一些实施例中应用于线圈120的电压脉冲序列220-2。例如，电压脉冲序列220-2可以以比后续电压脉冲更短(持续时间更短)的开始脉冲WB而开始。在一些实施例中，电压脉冲序列220-2以也比前面的电压脉冲更短的结尾脉冲WE而结尾。在一些实施例中，开始脉冲WB和/或结尾脉冲WE的宽度大约是在序列中部的脉冲宽度的一半。在一些实施例中，开始脉冲WB和结尾脉冲WE可以具有相同的宽度。开始脉冲WB和结尾脉冲WE的宽度可以通过硬件或软件来调节。在一些实施例中，开始脉冲WB和结尾脉冲WE的宽度可以在测量期间动态地调节。下面参照图10说明具有不同宽度的开始和/或结尾脉冲的一些优点。
图10示出了根据当前公开的技术的实施例的电压和电流脉冲序列。电压脉冲序列V通常对应于图9中所示的序列220-2。不受理论的束缚，电流脉冲序列I通常取决于作为传递功能的线圈120的电感和电阻，并且电压脉冲V作为输入变量。在一些实施例中，可以选择电压脉冲的宽度，包括结尾脉冲WE的宽度，以使得线圈120中的电流在脉冲序列的结尾处为零或接近于零。在一些实施例中，当在TX电压脉冲顺序(序列)的结尾处EMAT线圈中的电流接近零时，衰荡或死区时间tD减小。
图11和12分别示出了根据当前公开技术的实施例的用于钢板和铝板的EMAT系统的模拟结果。对于两个图形，水平轴表示以毫米为单位的距磁芯中心的距离，而竖直轴表示以特斯拉表示的磁场强度。以在铁磁芯中心处开始的水平轴上的零显示模拟结果。由于模拟场的对称性，仅需要显示了场的一半。
图11所示的模拟结果对应于4mm和8mm的钢板。图12所示的模拟结果对应于铝板。在每个图中，磁场Bz相对于样品表面竖直，而磁场By相对于样品表面平行。
图示的模拟对应于从样品表面剥离1毫米的距离，并且结果在进入测试板(对于钢板)0.1毫米处被模拟。除了在钢之上静态磁场的显著增加外，靠近芯的边缘的Bz与By的比率约为6：1。原则上，比率越大模态纯度越好，由于By组分会产生纵波，与由Bz产生的以较低速度行进的期望剪切波相反。通常，更好的模式纯度产生更准确且更易于解释结果。用于Bz：By的2：1比例通常是用于EMT的期望比例，在图示的模拟中超出了该比例，达到距离铁磁芯110的中心约4.5mm的距离。而且，对于离开铁磁芯110的中心约4mm的距离，模拟Bz几乎是常数，表明在铁磁芯上的相对均匀的磁场Bz。
图12对应用于铝的模拟结果，铝有与空气相同的磁导率。约0.8T的模拟Bz明显地小于图11中显示的用于钢的在约2.3T处的模拟Bz。换句话说，使用10x10x40 mm铁磁钢芯而不是仅用空气将磁体与样品分开，会使Bz增大约3倍。如上所述，3倍磁场的增加会导致传感器面积中可允许减少32或9倍，同时保持相同的传输阻抗(或仪器的灵敏度)。
图13是根据当前公开的技术的实施例的信号强度对比剥离的图形。对于此模拟，将具有相同线圈120的两个EMAT传感器放置在一块1英寸厚的钢板的相对两侧。一个EMAT传感器用于发送(TX)功能，并且另一个EMAT传感器用于接收(RX)功能。使用0.5mm增量的垫片来调整发送器的剥离。使用接收器下方的垫片重复实验，并使发送器处于零剥离状态。在一些实施例中，与发送线圈相比，接收线圈对剥离较不敏感。在接收器线圈剥离1mm的情况下，与使线圈剥离1mm的发送器相比，接收器增强约40％。因此，如果将单独的发送线圈和接收线圈用于同一EMAT，则发送线圈可以更靠近表面定位，而较少位置敏感的接收线圈则离样品的表面更远。在至少一些实施例中，接收器线圈和发送器线圈的这种布置可以减小互感，这通常减小耦合到接收器中的发送能量。
图14示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的输出电压对比时间的模拟结果。模拟的EMAT系统包括H桥驱动器、变压器耦合、阻塞二极管阵列、EMAT线圈、共振电容器和基于MOSFET的开关，以将接收器与高压信号隔离。该系统被模制在LTSpice中。为了模拟接收信号何时可以通过接收器开关，将一个0.1Vp-p源与EMAT感应线圈串联放置。如图8所示，调整了设计中的各种值，并切换了接收器的LTSpice输出。这三个迹线模拟了当传感器剥离变化时可能发生的电感变化。实线迹线是从一个EMAT线圈测得的标称3μH电感。假想线(phantom line)迹线用于2μH的电感，而虚线迹线用于4μH的电感。模拟结果表明三个电感(2μH，3μH和4μH)之间的衰荡时间中的显著变化。该模拟使用在3MHz或0.67μs周期处的两周期发送脉冲。接收信号开始以用于最佳电感的大约1.7μs而通过。
图15示出了根据当前公开的技术的实施例的用于EMAT系统的电流对比时间的模拟结果。对于三种不同的电感，通过EMAT线圈的发送器电流如图15所示。对于最小的衰荡(死区时间tD)，EMAT线圈中的电流在发送脉冲顺序的结尾(图15中的圆圈区域)处接近最小值。接收信号中的正和负峰值对应于EMAT线圈中的负或正剩余电流。在一些实施例中，可以优化发送脉冲宽度(如图9和10所示)，以最小化在发送脉冲顺序的结尾处在EMAT线圈中的电流。从系统实现的角度来看，由于电感随传感器从管壁上剥离而发生变化的事实，这可能会复杂。从机械上讲，系统应使剥离变化最小，但是系统中会有一些变化。因此，可以在操作期间动态地调整发送脉冲，用于最佳衰荡。用于3μH情况的模拟结果显示在接收信号的结尾处的相对较低电流，这是期望情况。因此，基于该模拟，EMAT设计者可以选择具有3μH电感的线圈120。
上述技术的许多实施例可以采用计算机或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解，可以在除了以上显示和描述的那些系统之外的计算机/控制器系统上实践该技术。该技术可以体现在专用计算机、控制器或数据处理器中，该专用计算机、控制器或数据处理器经过专门编程、配置或构造以执行以上描述的一个或多个计算机可执行指令。因此，本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网应用和手持装置(包括掌上计算机、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程的消费类电子产品、网络计算机、小型计算机等)。
根据前述内容，将理解的是，在本文中出于说明的目的已经描述了该技术的特定实施例，但是可以在不脱离当前公开的情况下进行各种修改。此外，尽管以上在那些实施例的上下文中已经描述了与某实施例相关的各种优点和特征，其他实施例也可以表现这样的优点和/或特征，并且并非所有实施例都必须显示出这样的优点和/或特征以落入本技术的范围内。因此，本公开可以涵盖此处未明确地显示或描述的其他实施例。

Claims (6)

1.一种用于检测或测量物体中腐蚀或侵蚀的装置，包括：
电磁声换能器EMAT，其具有：
铁磁芯；
多个永磁体，其围绕所述铁磁芯周围布置并且构造成通过所述铁磁芯产生磁场；和
线圈，其配置在所述铁磁芯和所述物体之间；
其中，所述线圈包括堆叠在所述物体与所述铁磁芯之间的发送器TX线圈和接收器RX线圈；
其中，所述TX线圈比所述RX线圈更靠近所述物体；并且其中，所述TX线圈包括第一TX导电迹线TX1和第二TX导电迹线TX2，并且所述RX线圈包括第一RX导电迹线RX1和第二RX导电迹线RX2，其中，所述TX1和所述RX1在所述铁磁芯下方，并且其中，RX1的绕组与RX2的绕组的走线方向相反，TX1的绕组与TX2的绕组的走线方向相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线圈包括具有锯齿状边缘的导电迹线。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线圈包括封装在吸声包层中的导电迹线。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：电连接到所述线圈的多个开关。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多个开关中的各个开关为单独地可控的场效应晶体管FET。
6.一种用于检测或测量物体中的腐蚀或侵蚀的方法，包括：
通过围绕铁磁芯周围布置的多个永磁体产生通过所述铁磁芯的磁场；
在配置于所述铁磁芯和所述物体之间的线圈中产生电流；
在所述物体中产生发送的超声波；和
检测反射的超声波，其中，所述反射的超声波的变化是由所述物体中的腐蚀引起的；并且
消除所述线圈中的死区时间，
其中，所述线圈包括堆叠在所述物体与所述铁磁芯之间的发送器TX线圈和接收器RX线圈，其中，所述TX线圈包括第一TX导电迹线TX1和第二TX导电迹线TX2，并且所述RX线圈包括第一RX导电迹线RX1和第二RX导电迹线RX2，其中，所述TX1和所述RX1位于所述铁磁芯下方，并且其中，RX1的绕组与RX2的绕组的走线方向相反，TX1的绕组与TX2的绕组的走线方向相同。
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