Page 195 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 杨超等： 基于电磁 -压电混合结构的超声波穿金属通信系统 729

DFEکᛦ٨ 生器在 400 ∼ 600 kHz 的区间进行扫频，输出信号
经过 LYD-504功率放大器来驱动发射端EMAT，接
In x↼n↽ Out
ࣜᤰ໚ฉ FFF FBF 收端通过数字示波器采集和观察微弱信号放大电
ኀՂѼх
路的输出信号，得到接收信号的特性如图 12 所示，
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a↼k↽ b↼j↽ y↼n↽ y↼n↽ 图中实线代表接收端有用信号的幅值，虚线代表接
e↼n↽
ચ݀ጇ஝ូட ឨࣀ଍҄Ѧ஝ 收端信号的 SNR。可以看出，由于超声信道的频率
选择性，信号幅值和 SNR 都出现振荡特性，并且在
图 11 DFE 的模块结构
493 kHz 附近及 500 kHz 附近出现峰值。在提离距
Fig. 11 Modular structure of the DFE
离的测试中，通过在 EMAT 与金属壁之间插入指
经过 DFE 之后，信号进入 OOK 解调模块，通
定厚度的垫片来调整提离距离，并固定发射频率为
过 PLL 同步算法从解调出的串行比特流中提取出 500 kHz，测试结果如图13所示，可以看到提离距离
判决脉冲作为同步时钟，该算法可以动态调整同步 与幅值成反比关系，提离距离越大，接收端信号幅值
时钟相位，以保证在正确的时间点进行判定，且消耗
越小。上述SNR通过公式(5)进行计算：
FPGA内部逻辑资源较少。最后串行比特流经过串
SNR = 20 lg (V EMAT /V noise ) , (5)
并转换和数据包解包，完成信息的接收。
其中，V EMAT 是接收端电压幅值，V noise 是接收端的
3 实验结果及分析 噪声幅值。
0.8
3.1 EMAT性能测试 16
0.7
本文在不同频率和提离距离下进行了实验，以
0.6 14
确定最优的通信方案。实验测试平台由任意函数发
ࣨϙ/V
生器 DG-1022U、数字示波器 DSO-X 2012A、宽带 0.5 12 η٪උ/dB
功率放大器 LYD-504、微弱信号放大模块组成。需 0.4 10
ࣨϙ
要注意的是，将 EMAT 应用于测厚和无损检测时， 0.3 η٪උ
8
超声回波被视为有用信号，因此大量研究通过不同 0.2
方式提高换能效率的同时，回波信号也得到了增强， 0.1 6
400 450 500 550 600
而回波在超声波通信中是影响通信质量最主要的 ᮠဋ/kHz
噪声。因此通过实验确定换能效率和 SNR 之间的
图 12 不同频率下接收端的信号幅值与 SNR
平衡是至关重要的。 Fig. 12 Signal amplitude and SNR at the receiver
实验中，接收换能器保持固定，微弱信号放大 for different frequencies
电路电压增益固定为 67 dB。由于 EMAT激发超声
1.0
波的幅度与线圈电流大小成正比，本文在 1.5 A 的
0.9
电流激励下，比较了 EMAT 在不同频率和提离距 0.8
离下接收端的信号幅度与 SNR。由于 EMAT 需要
大电流激励来产生超声波，目前市场上用于激励 ࣨϙ/V 0.7
0.6
EMAT 功率放大器输出高频率且大电流的，都只能 0.5
放大脉冲。可以放大连续波且支持大电流输出的 0.4
功率放大器，其工作频率一般不超过兆赫兹。因此 0.3
基于实验室功率放大器 LYD-504 的频率条件限制， 0.2 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
选择测试频段在 400 ∼ 600 kHz。同时需要说明的 ଢሏᡰሏ/mm
是，由于接收端信号在微伏到毫伏级别，直接用示
图 13 不同提离距离下接收端的信号幅值
波器无法观察信号，因此接收端信号幅值均指经过 Fig. 13 Signal amplitude at the receiver for dif-
微弱信号放大电路后的幅值。实验通过任意函数发 ferent lift-off distances