电磁超声在极端温度、非接触式等条件下的超声无损检测中有巨大的应用需求。按偏置磁场的产生方式电磁超声传感器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)主要有永磁体式和电磁铁式两种类型。永磁体式EMAT结构简单、磁场稳定、成本廉价,在实际中获得大量应用,但其也存在以下几个主要问题:一是检测铁磁性材料时吸力大,接触和移动难,不便于进行手动检测;二是实际工况下很容易吸附铁屑等杂质,对检测结果造成不良影响,且不易清理;三是永磁体的居里温度点限制了传感器高温环境下的使用,特别是需要长期进行高温环境下在线监测的应用。为了克服上述缺点,人们开始研究电磁铁式EMAT,尽管它结构较复杂且需要在仪器上加入驱动电路,但却具有不工作时无吸力、不易粘附杂物、受温度限制较小的优点。
电磁铁按照通入电流的类型主要有直流电磁铁、交流电磁铁和脉冲电磁铁。前两种类型的电磁铁在电磁超声传感器中均有使用,但是存在能量消耗大,并且长时间工作时线圈发热的问题,而脉冲电磁铁只在需要激励接收超声信号时工作,能量消耗小,减弱了线圈长时间工作发热效应,在电磁铁式电磁超声传感器的应用中更具有优势[1-2]。
现有电磁铁式的电磁超声换能器中,电磁铁形状多为U型和E型结构,它们主要产生平行于材料表面的磁场。Dixon S提出的用于解决高温下测厚的传感器[3],张晓辉提出用于铝板测厚的传感器[4]和张恒用于钢轨探伤的传感器[5]均使用E型硅钢片堆叠形成的电磁铁,其缺点在于体积比较大,且方形探头在工程应用中不利于检测与携带。Mikhailov A V在产生兰姆波和表面波时[6],朱红秀在用于钢管缺陷检测的电磁超声传感器中[7],以及王小民对传感器声场的研究中使用U型电磁铁[8],同样存在体积较大,且磁力线分布不够密集的问题。吸盘式脉冲电磁铁与上述两种结构电磁铁相比,一方面主要产生了垂直偏置的磁场。另一方面其中心磁轭为圆柱形,形状与圆形或环形线圈EMAT十分吻合,具有极大的结构优势。此外由于柱状外壳即为其一个磁极,将磁场包围在磁铁内部,使磁力线更加集中,在相同大小的安匝数时,可以产生更高的磁感应强度。为此本文提出了一种吸盘式脉冲电磁铁作为偏置磁场的电磁超声传感器。
本文围绕吸盘式脉冲电磁铁的电磁超声传感器开发,组建了脉冲电磁铁式电磁超声传感器实验系统,研究了吸盘式脉冲电磁铁与环形收发一体式线圈组成的EMAT工作方式,验证了该传感器的可行性,同时还研究了其在不同材料(铁磁材料和非铁磁材料)上的检测信号特点,以及励磁电流和提离距离对此种传感器检测信号的影响。可以为电磁铁式电磁超声传感器的开发和应用提供参考。
1 实验研究
1.1 吸盘式脉冲电磁铁电磁超声传感器
吸盘式脉冲电磁铁EMAT结构示意图如图1所示。主要由吸盘式脉冲电磁铁和EMAT线圈组成。吸盘式磁轭中心圆柱缠绕线圈,形成一个磁极,磁轭外圈圆柱状壳体形成另一磁极,使得在线圈区域形成一个磁感线沿竖直方向的磁场,此磁场即为电磁超声传感器的偏置磁场。
图1 吸盘式脉冲电磁铁EMAT结构示意图
实验中采用的吸盘式脉冲电磁铁,磁轭为圆柱状,外直径50 mm,高27 mm;中心柱直径22 mm,高22 mm;侧面壳体厚2 mm;磁轭材料为DT4C电工纯铁。中心柱缠绕直径0.56 mm的铜质漆包线380圈。EMAT线圈采用环形线圈,内径4.25 mm,外径18.25 mm,绕线19圈,如图2中所示。
图2 环形线圈
组成EMAT传感器时吸盘式磁铁置于环形线圈正上方,使得磁轭中心柱体磁极覆盖线圈,线圈与磁极间采用厚0.5 mm的塑料薄片进行隔离,避免线圈磁轭中心柱体表面形成感生涡流[9],整个吸盘式脉冲电磁铁EMAT实物图如图3所示。
图3 吸盘式脉冲电磁铁EMAT实物图
1.2 脉冲电磁铁EMAT实验系统
脉冲电磁铁式电磁超声传感器实验系统原理框图如图4所示。
图4 脉冲磁铁式电磁超声实验系统原理框图
实验系统主要有两部分组成:一部分为脉冲电磁铁励磁系统,由电磁铁信号源、电磁铁功率放大器组成,用于驱动电磁铁产生磁场[10]。本实验使用 Agilent33522B 双通道信号发生器作为电磁铁信号源,使用N4L LPA05A作为电磁铁功率放大器。另一部分为电磁超声激励接收系统,由EMAT信号源、EMAT功率放大器、双工器、前置放大器、收发一体式线圈以及被检测试件组成,主要信号通过示波器观察。EMAT信号源和功率放大器由RAM-5000-SNAP设备实现,双工器和前置放大器由RDX-EM2(DIPLEXER&PRE-AMPLIFIER)实现,用于驱动线圈激励、接收电磁超声。实验系统实物图如图5所示。
上周（10月15日-10月19日），钾肥市场交投偏弱，氯化钾价格盘整运行。10月22日中国氯化钾批发价格指数（CKPI）为2266.13点，环比上涨5.92点，涨幅为0.26%；同比上涨398.94点，涨幅为21.37%；比基期下跌1024.47点，跌幅为31.13%。
图5 脉冲磁铁式电磁超声实验系统实物图
工作时,电磁铁信号源(Agilent33522B双通道信号发生器)第1通道产生矩形脉冲信号,经过电磁铁功率放大器放大后输入电磁铁,用于产生偏置磁场;电磁铁信号源第2通道输出触发信号,用于外部触发EMAT信号源输出激励信号,且对两通道设置同步触发。EMAT信号源输出信号经过EMAT功率放大器放大后,由双工器输入到收发一体式线圈,激发超声波。超声波检测信号再由收发一体式线圈接收,由双工器给到前置放大器进行接收信号放大,再输入示波器显示。
系统信号时序图如图6所示,第1栏为信号发生器1通道一个周期的激励信号图,第2栏为信号发生器2通道EMAT外部触发信号,上升沿触发后EMAT开始工作,第3栏为EMAT原始激励信号,第4栏为一组实验得到的EMAT典型检测信号。电磁铁激励信号与EMAT激励信号频率相同,且电磁铁工作时间段覆盖电磁超声激励和接收过程,一般接收时长为几次超声回波所需要的时间,依据检测目的设置。值得注意的是由于电磁铁的磁感应强度达到最大时需要一段响应时间,因此电磁铁通电起始时间与EMAT外部触发时间设置一定的延时。本实验中电磁铁脉冲激励重复频率设为20 Hz,幅值为2.0 V,占空比设置为40%,输入N4L LPA05A功率放大器后放大10倍用于驱动吸盘式电磁铁产生磁场。电磁超声激励信号重复频率同样为20 Hz,激励波形为5个周期频率为3.5 MHz的正弦波,电磁铁与EMAT线圈间的触发延时设置为19 ms。
图6 脉冲电磁铁式电磁超声实验系统工作时序图
实验中选用铁磁性材料430钢和非铁磁性材料铝作为典型进行测试,试样厚10 mm,分析比较脉冲电磁铁式EMAT在这两类材料上进行脉冲回波检测时的信号特点,并研究了电磁铁励磁电流和提离距离对检测信号的影响规律。
2 结果及讨论
2.1 检测信号与被检材料的关系
使用上述吸盘式脉冲电磁铁EMAT,按2.2中的实验设置,分别在430钢和铝试块上进行脉冲回波检测实验,得到的典型检测信号如图7所示。检测中仪器、传感器及相关参数设置完全相同,仅改变被测材料种类。图7(a)和图7(b)分别为430钢试块和铝试块上的检测信号,它们均具有良好的回波信噪比,能清晰地区分出回波波包。在同样的尺度下,铝试块上检测信号的波包幅值水平远小于430钢试块上的检测信号的波包幅值水平。图7(c)对两种材料上第2次回波波包进行对比,定量地可知430钢上的检测信号幅值大约为铝板上的12倍。值得指出的是,图7(c)中的相位信息不具有参考价值,作图中仅是截取了两个波包信号进行比对,只是为了清晰显示,没有严格对齐时间或是相位。
保妇康栓的主要成分为冰片与莪术油。前者具有止痛、抗菌、止痒、凉血的功效；后者消积止痛，行气破血、活血化瘀。现代药理学认为，莪术油具有类固醇样作用，与雌激素作用机制类似，可调节甾体激素代谢，改善阴道内环境，促进阴道上皮增生，增强其抵抗力和自洁力[5]；该药物还可促进糜烂面愈合，抑制细菌繁殖。雌激素可提高阴道抗菌作用，抑制病菌滋生。两药协同发挥抗菌、消炎、改善阴道内环境的作用。该组资料中，观察组治疗后有效率、生活质量评分均高于对照组。与资料报道相似[4-5]。提示保妇康栓与雌激素软膏联合治疗老年糖尿病阴道炎优势明显，可明显改善患者阴道炎症状和体征，解除患者痛苦，提高其生活质量。
图8 电磁铁在430钢和铝上产生的磁感应强度仿真计算
图7 检测信号图
对于这种信号幅值的巨大差异,其主要原因是在检测铁磁性材料时,一方面,吸盘式的结构有助于在铁磁性材料表面形成闭合磁路,提高了线圈感生涡流区域内磁感线的密度;另一方面,中心圆柱磁极与铁磁性材料表面更易形成沿垂直方向的较为均匀的磁场;此外,众所周知的铁磁性材料中的磁致伸缩力和磁化力也加强了EMAT的换能效能。为了验证上述想法,对吸盘式脉冲电磁铁在430钢板和铝板上产生磁场进行仿真,比较磁感应强度的分布和大小。
在Maxwell电磁场仿真软件进行三维静磁场仿真,设置材料属性:电磁铁外壳材料为DT4C,线圈材料为铜,试块分别为430钢和铝,分别设置对应材料属性;设置激励条件为安匝数1 900。仿真计算模型结构如图8(a)所示。
仿真计算得到的吸盘式脉冲电磁铁在430钢板和铝板表面磁化区域的磁场强度分布分别如图8(b)和图8(c)所示,这两个磁场分布均以圆心为对称中心向外扩散分布,中心圆形磁极正下方的区域中,边缘处磁感应强度较强,如图中红色部分,离开边缘后磁感应强度迅速减小到一个较为平坦的低谷区。图8(d)中给出了磁场区域中沿任意一条直径的磁感应强度分布曲线。430钢试块中心圆形区域的磁感应强度,内部平坦区比边缘略小。而铝试块中心圆形区域的磁感应强度,内部平坦区远小于边缘,有明显的阶梯。由于环形EMAT线圈的有效作用区域主要是在平坦区中,因此平坦区的磁感应强度大小决定了洛仑兹力的大小。比较两种材料上磁感应强度分布中平坦区值的大小,取中心点的磁感应强度值,430钢试块为1.339 9 T,而铝试块为0.152 1 T,430钢上的磁感应强度为铝试块上的8.8倍。由仿真计算结果可以近似地估测,两种材料上检测信号巨大差异的产生,磁感应强度引起的洛仑兹力起到了主要作用[11],约贡献了73%的增长量,其他的主要由铁磁性材料表面因线圈中电流的动态磁化作用引起的磁致伸缩力和磁化力的作用,贡献约23%。
在确定神经网络模型时，要决定其结构形式和训练算法。接着用一组训练用数据组中未曾出现过的数据去测试。训练过的网络是否有普遍性，往往取决于所选择网络结构的合适性与对评估损坏所需有关信息是否丰富。
2.2 检测信号与励磁电流的关系
由电磁超声原理可知,励磁系统的主要作用是提供偏置磁场。在铁磁性材料中激励超声波时,试件表面振动源质点的振动主要由洛伦兹力、磁致伸缩力叠加作用产生,振动产生的超声波的幅值和试件表面磁感应强度相关。对电磁铁而言[12],其产生的磁感应强度值与安匝数F直接相关,在电磁铁未达到磁饱和且线圈匝数为定值时,可以通过改变通入线圈中励磁电流的大小改变电磁铁产生的磁感应强度,从而改变检测信号的强度。以下定量研究励磁电流与检测信号强度的关系。
患者取臀高头低的膀胱截石位,导尿,进行外阴、阴道、宫颈消毒。应用直角阴道窥器暴露宫颈,进行阴道镜检查后进行碘试验宫颈、阴道穹隆及阴道壁,确定病变位置及范围,依据宫颈外形、范围及锥切目的设计锥切大小和形态[2]。固定宫颈采用宫颈钳牵拉子宫颈前唇,在碘染不着色区边缘外3~5mm处作用手术尖刀做环形切口,切口深度应达宫颈间质,锥体高度应达2~2.5cm。采用锥尖内斜向宫颈内口,最后用完整地切除宫颈锥体尖。锥体切面可予电凝止血,采取缝扎止血,可将锥切后的宫颈前后唇各自折叠缝合后经组织加压止血,也可行连续或简单的褥式缝合或间断的“8”字形缝合。切下的宫颈锥体12点处予以系线标记。
图9 等效磁路图
针对铁磁性材料检测,基于等效磁路定理对吸盘式脉冲电磁铁建立等效磁路模型如图9(a),其中R0为气隙磁阻,R1、R2、R3为电磁铁各部分对应的磁阻,R4为430钢对应的磁阻,图中各部分磁阻的分布考虑了吸盘式对磁路进行简化可得图9(b),进行等效磁路计算[13-14]。
磁通:
(单位:Mx)
(1)
磁感应强度:
(单位:Gs)
(2)
安匝数:
F=NI
(3)
磁阻:
(单位:Ω)
(4)
气隙磁阻:
(单位:Ω)
(5)
式中:N为线圈匝数,I为线圈中通入电流大小,l为对应磁体等效磁路长度,δ为气隙长度,S为对应磁体截面积,μ为对应磁体的相对磁导率,μ0为空气相对磁导率。
因为空气的磁导率要比外壳和衔铁的磁导率小的多,电磁铁工作时如果存在气隙,则大部分的磁动势都将消耗在气隙中,则带气隙的磁路中的磁通近似为式(6):
对照品马钱素（批号20150112）、芍药苷（批号20141205）、野黄芩苷（批号20150306）、黄芩苷（批号20150129）、黄芩素（批号20150415）、五味子甲素（批号20141204）、五味子乙素（批号20150430）、五味子丙素（批号20150506）和熊果酸（批号20150727）均购自南昌品正商贸有限公司，质量分数均≥98.0%。乙腈、甲醇，色谱纯，德国Merck公司；磷酸，色谱纯，天津市光复精细化工研究所；乙醇，色谱纯，天津市北联精细化学品开发有限公司；实验用水为二次纯化水，天津市第一中心医院药厂提供。
4.1.3 安全套的推广使用 使用安全套是减少暴露危险的最直接方法之一，是阻断艾滋病性病传播的重要手段。早在泰国推行“100%使用安全套”行动后，安全套使用率大幅上升，大大降低了泰国HIV感染人数，取得举世瞩目的成功，此后该项目计划在柬埔寨、菲律宾、缅甸和中国等国家推广实施［29］。但配偶间安全套的使用目前仍处于降低水平，据国内一项对妊娠妇女的调查显示非常愿意使用安全套的比例仅为55.00%～58.80%［30］，在配偶间推广使用安全套仍需加强健康教育和引导。
(6)
考虑到在实际的磁路中,外壳和衔铁也消耗部分磁动势,取实际值减小5%,即:
该农田灌溉技术具有较好的节约水资源的效果，不仅能够有效的防止水资源出现外漏现象，也能防止水分出现严重的蒸发现象。而在使用该技术的过程中所施工的机械设备较为简单，主要包括滴头、管道设备、滴灌带等设备，不需要运用规模相对来说较大的机械设备，可在节约投入的基础上有效达到节约水资源的效果。
φ=φ′(1-5%)
(7)
(8)
由上式可知,在电磁铁设计中,安匝数提高可以有效地增大磁感应强度。对于一个设计好的电磁铁,式中R0、S、N均为定值,此时磁感应强度值与励磁电流为线性关系。从而使得洛仑兹力与励磁电流呈线性关系,电磁超声检测信号也与励磁电流呈线性关系。
为了验证上述由式(8)得到的结论,对电磁铁两端施加从6 V到24 V励磁电流,步进间隔为2 V,在430钢板上进行实验,观察检测信号幅值随电流的变化规律。实验中采用的电磁铁线圈电阻值为4 Ω,在通以矩形脉冲电压期间,等同为直流电,由欧姆定理可得对应的励磁电流值为1.5 A到6 A。图10为不同励磁电流下几组信号图,取检测信号一次回波的峰值得到的关于励磁电流与检测信号幅值关系如图11所示,图11中显示了脉冲回波检测信号随励磁电流线性增加。
图10 不同励磁电流下检测信号的幅值
图12 不同提离距离下检测信号的幅值
图11 励磁电流与信号幅值关系图
2.3 检测信号与提离距离的关系
对于铁磁性材料检测而言,改变电磁铁式EMAT传感器的提离距离,一方面会引起涡流效应减弱,导致洛伦兹力减小,使得检测信号变小;另一方面,由3.2节中式(8)得到的等效磁路模型中气隙长度与磁感应强度的关系,电磁铁的气隙长度增大,会引起磁感应强度减小,导致洛伦兹力减小,使得检测信号变小。因此提离距离造成的检测信号减小主要是由上述两种效应引起的。
在此次选取的样本孕妇当中，均进行了三维超声与二维超声检查，使用的探头频率为2.0～5.0MHz，患者需要保持仰卧位进行检查。在进行检查的时候，首先需要对患者的全貌进行检查，同时进行相关数据的收集，对胎儿的颜面部进行仔细的观察，然后对胎儿的具体位置进行分析，进行探头角度的调整，如果显示不太清晰，需要进行适当的加压观察[3]。在形成三维超声以及二维超声成像之后，需要由专门的医生进行判断。
在430钢板上研究吸盘式脉冲电磁铁EMAT的提离效应规律,提离值分别选0 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm,得到脉冲回波检测信号如图12(a)～12(e)所示。取检测信号一次回波的幅值,得到提离距离与检测信号幅值关系图,如图12(f)所示。同时给出了相同实验设置下使用永磁铁时提离距离与检测信号幅值关系图。拟合图中曲线,有关系式:
(9)
可知检测信号幅值与提离距离近似呈的函数关系。为了比较,图12(f)中表示出了将脉冲电磁铁换为圆柱型永磁铁时,检测信号幅值与提离距离的关系曲线。由图中可知,两者有相似的提离衰减规律,即都为反函数关系,但在衰减速度上有所差异,吸盘式脉冲电磁铁电磁超声传感器的提离衰减效应更强烈,在430钢材上,提离2mm信号衰减了约24 dB。
3 结论
本文研究了基于吸盘式脉冲电磁铁的电磁超声传感器,使用环形收发一体式线圈和吸盘式脉冲电磁铁组成电磁超声传感器,组建了脉冲电磁铁式电磁超声传感器的检测实验系统,验证了传感器的有效性,比较了铁磁性材料和非铁磁性材料上的检测信号特征,分析了励磁电流、提离距离对检测信号的影响。主要结论如下:
七氟烷具有麻醉诱导快、对循环影响小、术后苏醒快等诸多优势，是外科全麻手术过程中一种重要的吸入型麻醉药物[7]。王建平等[8]研究证实，对大鼠采用七氟烷处理，可以明显减少炎症反应。此外，在进行Ivor-Lewis手术的过程中实施七氟烷麻醉，可以有效减少CRP、IL-6等炎症介质生成[9]。然而，现阶段临床上对七氟烷是否有助于减轻腹腔镜子宫肌瘤手术患者的炎症反应尚未明确[10]。
①本文研制的吸盘式脉冲电磁铁电磁超声传感器在铁磁性和非铁磁性两种材料上能得到信噪比良好的信号,证明了其有效性。因电磁铁在铁磁性材料表面的磁感应强度较非铁磁性材料有大幅提高,且还存在线圈动态磁场引发的磁致伸缩力和磁化力,在铁磁性材料上的检测信号幅值远大于非铁磁材料上的检测信号幅值。
②在电磁铁未达到磁饱和时,吸盘式脉冲电磁铁电磁超声传感器脉冲回波检测信号幅值随励磁电流增加呈线性增加关系。
③提离距离对吸盘式脉冲电磁铁电磁超声传感器检测信号幅值衰减影响巨大,在430钢材上提离2 mm,信号衰减约24 dB。
通过使用吸盘式脉冲电磁铁可替代永磁体作为作为偏置磁场源,并能获得良好的检测信号,对于电磁超声手动检测、存磁性粉屑环境检测等具有巨大的应用价值。
