基于孤立电流脉冲群的电磁导波激励源优化设计

　　0　引言

　　电磁导波是铁磁性材料在受外加磁场作用时,其外型尺寸发生变化而产生磁致伸缩应变,从而在铁磁体内激发出的应力波,这种应力波实际上是结构导波,也是一种弹性波[1-2]。由于铁磁性材料所固有的磁致伸缩特性,波在管道内外壁的导向下,由管道介质在平衡位置处的振动传播出去,形成导波,传播过程中导波与管道中的介质作用,在遇到裂纹、腐蚀凹坑、管道端部、焊缝、法兰等介质不连续时就会发生反射、散射、透射和模式转换等物理现象,所以导波的传播波形能够反应管道中介质的疏密和连续性状况,通过分析弹性导波传播过程中的回波特征就可以判断缺陷的有无,实现对管道缺陷的长距离、非接触式快速检测,进而对管道的健康状况进行评估[3-5]。

　　激励源是电磁导波缺陷检测系统的关键部分之一[6]。目前已有的电磁导波检测系统的激励源基本都采用重复电流脉冲群+高频大功率放大器输出大电流脉冲的方式[7]。由于这种电流脉冲是连续的,平均功耗较大,因此这种方式需要性能优良的高频大功率放大器,往往需要从国外进口,成本较为昂贵;此外, 大功耗直接导致系统其他部分电子器件需要较高的功率参数,不利于系统的简单化和实用化。本文采用由一些简单的无源器件组成的电路输出孤立电流脉冲群,作为激励信号,瞬时电流高,能达到上述重复脉冲群激励信号的3倍以上,且无需功率放大器的放大,整个系统的成本大为降低,可广泛应用于管道电磁导波无损检测中。

　　1　电容储能脉冲放电电路设计与动态分析

　　电容储能放电产生强电流脉冲装置如图1所示,装置通过储能电容器组C对螺旋线圈L (脉冲磁体)放电,产生瞬时大电流,从而激发脉冲强磁场(图中R为放电回路等效电阻,包括脉冲磁体线圈内阻和线路电路)。王卓曾针对Hall超声的激励源进行过试验[8],其开关采用IGBT,在本研究中采用激光开关,主要用于陡化脉冲上升沿。

　　当开关接通B点时,图1电路构成一个RLC二阶振荡电路,可知:

　　欠阻尼振荡放电波形为周期振荡衰减,衰减的速率明显大于前两种状态的放电曲线,可以看到,在欠阻尼振荡状态,电流的峰值最大,电流的前沿最为陡峭,控制放电回路的电阻、电容和电感等基本参数,就可有效控制放电电流的峰值和前沿宽度。因此在实际脉冲磁场放电电路中都设计电路参数使放电状态处在欠阻尼振荡状态。

2　电路参数的优化选取

　　要得到较为理想的信号作为脉冲电磁导波的激励,应合理选择电路参数,使RLC脉冲放电电路工作在欠阻尼状态下,产生的信号频率高于20kHz,同时,信号的电流峰值应尽量高,信号衰减的不能过快。