基于電磁超聲縱波的鋁板厚度檢測(cè)

楊理踐，陳俊哲，邢燕好

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

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基于電磁超聲縱波的鋁板厚度檢測(cè)

楊理踐，陳俊哲，邢燕好

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

電磁超聲縱波速度接近于橫波速度的2倍，當(dāng)應(yīng)用縱波對(duì)鋁板等金屬板進(jìn)行大面積的厚度檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)效率更高。為了提高電磁超聲縱波換能器(縱波EMAT)在鋁板厚度檢測(cè)中的換能效率，研究了縱波EMAT換能機(jī)理，采用有限元仿真軟件COMSOL分析了縱波EMAT的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及激勵(lì)電流頻率對(duì)其換能效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，縱波EMAT對(duì)鋁板進(jìn)行厚度檢測(cè)精確度達(dá)到0.01 mm，電磁超聲縱波能很好地應(yīng)用于鋁合金板材的厚度檢測(cè)。

電磁超聲縱波；換能效率；渦流密度；回波信號(hào)；洛倫茲力

0 引言

鋁板等金屬板材廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)及石油化工等領(lǐng)域，由于周圍介質(zhì)的作用，會(huì)發(fā)生大面積的腐蝕，對(duì)金屬板材厚度進(jìn)行精確的檢測(cè)非常重要。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)作為傳統(tǒng)壓電超聲檢測(cè)技術(shù)的重要補(bǔ)充，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面，包括在金屬的厚度檢測(cè)、探傷等方面的應(yīng)用。ZHAO Y和DIXON S采用電磁超聲技術(shù)激發(fā)出橫波，對(duì)應(yīng)用于腐蝕防護(hù)、熱或電絕緣的薄層厚度進(jìn)行了檢測(cè)[1-2]。武新軍等采用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)EMAT在鐵磁性材料中激發(fā)出縱波，并有效抑制橫波的幅值[3]。電磁超聲換能器能激發(fā)出表面波、蘭姆波、橫波及縱波，其中表面波和蘭姆波主要用于金屬板探傷，橫波和縱波主要應(yīng)用于金屬板、機(jī)械結(jié)構(gòu)薄層的厚度檢測(cè)[4-6]。文中研究了電磁超聲縱波換能器的換能機(jī)理及換能過程中的數(shù)學(xué)控制方程，得出了影響換能效率的主要因數(shù)，改變換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)及激勵(lì)電流頻率，使其換能效率達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)了縱波EMAT對(duì)鋁板的厚度檢測(cè)。

1 縱波EMAT及其測(cè)厚原理

電磁超聲縱波換能器主要分為3部分，即永磁體、線圈、被測(cè)試件?？v波EMAT采用通有高頻交變電流的跑道形線圈，在被測(cè)試件中產(chǎn)生交變的渦流，與永磁體提供的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)相互作用，在被測(cè)試件表面產(chǎn)生交變的應(yīng)力。這種交變的應(yīng)力可分解為垂直力和水平徑向力，交變應(yīng)力的不同成分產(chǎn)生不同模式的超聲波[7]，其中僅垂直力可產(chǎn)生縱波。電磁超聲縱波產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 電磁超聲縱波產(chǎn)生原理示意圖

圖中永磁體提供平行于試件表面的偏置磁場(chǎng)，被測(cè)試件中的渦流方向垂直于磁場(chǎng)方向。在偏置磁場(chǎng)和渦流的作用下，電磁超聲縱波換能器能產(chǎn)生垂直方向的力，激發(fā)出沿試件厚度方向傳播的超聲縱波。

1.1 縱波EMAT的數(shù)學(xué)控制方程

電磁超聲縱波的激發(fā)過程中，考慮線圈的集膚效應(yīng)等影響，被測(cè)試件表面的脈沖動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方程可表示為[8]

(1)

式中:Az為磁矢量；i為總電流；Sk為第k根線圈的截面積；μ為磁媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；σ為材料的電導(dǎo)率。

其中僅Az為未知量，可求得被測(cè)試件內(nèi)的渦流密度為

(2)

考慮交變電流在被測(cè)試件趨膚深度產(chǎn)生的交變動(dòng)態(tài)場(chǎng)，試件表面所受洛倫茲力為

FL=Je×(BS+BD)

(3)

式中：BS為外加靜磁感應(yīng)強(qiáng)度；BD為交變動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度。

質(zhì)點(diǎn)位移與洛倫茲力之間的關(guān)系為

(4)

式中：ρ為質(zhì)量體積密度；u為位移矢量；μ′和λ為拉梅常數(shù)。

由于激勵(lì)電流為高頻交變電流，洛倫茲力隨著激勵(lì)電流的變化發(fā)生交替的變化，而洛侖茲力和質(zhì)點(diǎn)的位移成正相關(guān)關(guān)系，所以電磁超聲縱波換能器的換能效率除了與換能器的線圈參數(shù)，永磁體提供的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與激勵(lì)電流的大小和頻率等因數(shù)有關(guān)。

1.2 電磁超聲縱波測(cè)厚原理

根據(jù)電磁超聲縱波產(chǎn)生原理，被測(cè)試件表面會(huì)產(chǎn)生垂直方向的應(yīng)力，試件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，激發(fā)出與應(yīng)力平行的波，即縱波。縱波沿試件厚度方向傳播，由于電磁超聲波在試件邊界面的透射能力低，聲波在試件中來回反射，回波聲壓使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，在磁場(chǎng)作用下使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，通過接收裝置接收并放大顯示。接收到的回波信號(hào)中，相鄰回波間的時(shí)間間隔即是波在試件中傳播的時(shí)間Δt，被測(cè)試件厚度的計(jì)算公式為

(5)

式中：v為縱波在試件中的傳播速度；d為被測(cè)試件的厚度。

由實(shí)測(cè)的時(shí)間差和縱波波速，根據(jù)厚度計(jì)算公式即可得到被測(cè)試件的厚度。

2 縱波EMAT的三維仿真分析

2.1 EMAT電磁場(chǎng)的仿真分析

采用有限元軟件COMSOL建立電磁超聲縱波換能器三維實(shí)體模型，對(duì)縱波EMAT的電磁場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析。

縱波EMAT有限元仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括線圈、鋁板、馬蹄形永磁體3部分。其中永磁體采用釹鐵硼燒結(jié)而成，由兩塊相同的方形磁體(底面為正方形，充磁方向均為厚度方向，充磁方向相反)和一塊軛鐵連接構(gòu)成。方形磁體長(zhǎng)30 mm、寬30 mm、厚30 mm，方形磁體間距為35 mm，矯頑力為880 kA/m，剩磁為1.26 T。

圖2 縱波EMAT仿真結(jié)構(gòu)圖

被測(cè)鋁板尺寸為0.15 m×0.1 m×0.03 m，楊氏模量為6.93×1010Pa，泊松比為0.3，電阻率為1×10-7Ω·m，密度為2.75×103kg/m3。線圈選取跑道型線圈有效部分，長(zhǎng)度為30 mm，線徑為1 mm，線間距為2 mm，線圈匝數(shù)為20匝，線圈寬度為32 mm，提離距離為0.2 mm。線圈中加載的脈沖電流峰值為100 A，頻率為0.9 MHz，周波數(shù)為1個(gè)，方向垂直于x軸。放置在馬蹄形永磁體的方型磁鐵之間。采用自由四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用雅可比梯度法求解該模型后得到鋁板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖3所示。

圖3 鋁板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖3中，線圈所在區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)稱，靠近方型磁體邊緣區(qū)域的磁場(chǎng)較強(qiáng)；遠(yuǎn)離方型磁體的區(qū)域，磁場(chǎng)較弱。為了提高電磁超聲縱波換能器的檢測(cè)靈敏度，需要增強(qiáng)換能效率來提高回波信號(hào)的幅值，鋁板趨附層的渦流應(yīng)集中分布于磁場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域。因此，可通過分析靜磁場(chǎng)和渦流場(chǎng)的分布情況，來分析換能器參數(shù)對(duì)換能效率的影響。

2.2 線圈參數(shù)對(duì)換能效率的影響

縱波EMAT參數(shù)示意圖如圖4所示，馬蹄形永磁體的兩個(gè)方形磁體分別命名為a磁體、b磁體。

圖4 縱波EMAT幾何參數(shù)示意圖

以靠近a磁體區(qū)域鋁板表面的渦流密度J為研究對(duì)象，考查線徑r、線間距d、線圈的提離距離h對(duì)渦流密度J的影響。根據(jù)EMAT線圈測(cè)厚的常用規(guī)格及電磁超聲發(fā)射系統(tǒng)的功率可以確定以上3個(gè)因素的取值范圍分別為r：0.1～1.5 mm；d：0.5～1.5 mm;h：0.1～0.8 mm。大量的實(shí)驗(yàn)組合使仿真過程變得復(fù)雜，采用正交試驗(yàn)優(yōu)選法可提高選取較優(yōu)參數(shù)的效率。在各自的取值范圍內(nèi)，取3個(gè)等間距變化的參數(shù)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)組合，如表1所示。按表1中9組參數(shù)對(duì)圖2中模型進(jìn)行修改，仿真計(jì)算可求得渦流密度。

分別計(jì)算表1中線徑r、線間距d、提離距離h，在相同條件下，取不同值時(shí)渦流密度的算數(shù)平均值ki(i表示各因數(shù)取不同值對(duì)應(yīng)的序號(hào)，i=1，2，3)。以各因數(shù)不同取值對(duì)應(yīng)的ki為縱坐標(biāo)，各因素不同取值為橫坐標(biāo)，繪制各影響因數(shù)與渦流密度J的趨勢(shì)圖，如圖5所示。

表1 線圈正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 J隨各因數(shù)取值變化的趨勢(shì)圖

由圖5可看出，對(duì)渦流密度J的影響程度從大到小依次為提離距離h、線徑r、線間距d。降低提離距離和增加線徑可明顯提高渦流密度，而線間距的變化對(duì)渦流的影響相對(duì)較小。當(dāng)渦流密度J達(dá)到較大值時(shí)，有利于增強(qiáng)換能效率，進(jìn)而增強(qiáng)檢測(cè)回波幅值，最優(yōu)的線圈參數(shù)為：r=1.0 mm，d=1.5 mm，h=0.2 mm。

2.3 永磁體參數(shù)對(duì)換能效率的影響

對(duì)馬蹄形永磁體按圖2所示的模型進(jìn)行有限元仿真，方型磁體的厚度t按20 mm、30 mm、35 mm變化，其他條件不變，取線圈正下方0.2 mm處一直線作為考察路徑，路徑長(zhǎng)度為線圈寬度，方向?yàn)閤軸方向?？疾炻窂缴系拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度x軸分量(Bx)和z軸分量(Bz)的分布情況，仿真結(jié)果如圖6所示，橫坐標(biāo)x為考察路徑上，距離線圈邊緣的距離。

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨永磁體厚度的變化

由圖6可以看出，線圈所在區(qū)域的磁場(chǎng)對(duì)稱分布，Bx隨著永磁體厚度的增大而增大，當(dāng)厚度大于30 mm時(shí)，鋁板表面的Bx值增大量逐漸變緩；而Bz有逐漸變小的趨勢(shì)，且變化量也逐漸減小。由電磁超聲縱波產(chǎn)生原理可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx分量對(duì)產(chǎn)生縱波起作用，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量的作用，會(huì)伴隨著較弱橫波的產(chǎn)生。為了增強(qiáng)縱波的回波幅值和抑制橫波的回波幅值，需增大Bx分量，并減小Bz分量?？紤]換能器成本，文中選取永磁體厚度為30 mm。

方型磁體的寬度w對(duì)換能效率的影響，可通過分析鋁板內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)所受水平徑向洛倫茲力最大值Fxmax和垂直方向的洛倫茲力最大值Fzmax來評(píng)估。由于水平磁場(chǎng)較弱，方型磁體寬度不宜太小，寬度x分別取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm時(shí)，靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力最大值繪制曲線如圖7所示。

圖7 洛倫茲力最大值隨方型磁體寬度的變化

從圖7可看出，垂直方向的洛倫茲力Fzmax遠(yuǎn)大于水平徑向洛倫茲力Fxmax。當(dāng)方型磁體寬度為40～50 mm范圍時(shí)，F(xiàn)zmax相對(duì)于Fxmax基本為最大值，F(xiàn)xmax相對(duì)較小，為了減小橫波對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，應(yīng)增大Fzmax，減小Fxmax，文中選取方型磁體寬度為50 mm。

3 電流頻率對(duì)換能效率的影響

激勵(lì)電流頻率從0.5 MHz開始，以0.1 MHz的頻率間隔增加，按圖2中模型進(jìn)行有限元仿真分析，取線圈正下方0.3 mm處一直線作為考察路徑，路徑長(zhǎng)度為線圈寬度，方向?yàn)閤軸方向?？疾炻窂缴腺|(zhì)點(diǎn)位移z軸分量v隨頻率的變化，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同頻率對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)位移

圖8為20 μs時(shí)刻，激勵(lì)電流頻率為0.5 MHz、1 MHz、1.5 MHz時(shí)質(zhì)點(diǎn)位移z軸分量v的變化情況。橫坐標(biāo)x為所取考察路徑下，距離線圈邊緣的距離?？梢钥闯?，隨著頻率的增大，位移z軸分量v先增大后減小，當(dāng)頻率為1 MHz時(shí)達(dá)到最大，超過1 MHz后，超聲波衰減加快。因此，縱波EMAT存在一個(gè)最佳頻率點(diǎn)，當(dāng)激勵(lì)電流頻率處于這個(gè)頻率點(diǎn)附近時(shí)，換能效率較高。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用Ritec RAM-5000-SNAP非線性高能超聲測(cè)試系統(tǒng)作為超聲波激勵(lì)裝置，產(chǎn)生高頻脈沖串，經(jīng)過功率放大后，再進(jìn)行阻抗匹配加載到探頭上激勵(lì)出超聲波。當(dāng)探頭接收到超聲回波后，通過前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大和高、低通波器濾波，最后通過示波器顯示檢測(cè)結(jié)果。其中雙工器起緩沖高頻脈沖串以及隔離發(fā)射和接收信號(hào)的作用。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

4.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用該換能器能激發(fā)出電磁超聲縱波，通過改變激勵(lì)電流頻率獲取較大的換能效率，并將其應(yīng)用于鋁板的厚度檢測(cè)中。脈沖串設(shè)置為1個(gè)周期，前置放大器增益設(shè)置為44 dB，激勵(lì)輸出電壓設(shè)為100 V，濾波器的通帶為0.5～3 MHz。方型磁體寬度為50 mm，厚度為30 mm，間距為35 mm。線圈采用印制電路板技術(shù)制作，線徑1.0 mm，線間距1.5 mm，提離距離0.2 mm，線圈寬度為32 mm。

對(duì)厚度為30 mm的鋁板進(jìn)行厚度檢測(cè)，改變激勵(lì)電流的頻率，以0.1 MHz的頻率間隔變化，得出在0.4～2.5 MHz頻率范圍內(nèi)，換能器能有效地激發(fā)出電磁超聲縱波。取頻率為0.4 MHz、0.9 MHz、1.6 MHz時(shí)的實(shí)測(cè)回波進(jìn)行分析，如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著頻率增大，縱波的回波幅值先增大后減小，信噪比逐漸提高。當(dāng)頻率為0.9 MHz附近時(shí)，縱波回波幅值較大，換能效率較高。根據(jù)圖10中電流頻率為0.9 MHz時(shí)的實(shí)測(cè)回波計(jì)算電磁超聲縱波在鋁板中傳播的速度。得到每相鄰回波之間的時(shí)間差為9.44 μs，已知鋁板厚度為30 mm，計(jì)算出縱波速度為6 355.93 m/s。

將激勵(lì)電流頻率設(shè)置為0.9 MHz，對(duì)厚度為5.73 mm的鋁板進(jìn)行厚度檢測(cè)，得到每相鄰回波之間的時(shí)間差為1.8 μs，實(shí)測(cè)縱波速度為6 355.93 m/s，由厚度計(jì)算公式可得實(shí)測(cè)鋁板厚度為5.72 mm，與實(shí)際板厚5.73 mm相比，誤差為0.01 mm。

5 結(jié)論

對(duì)電磁超聲縱波換能器進(jìn)行了有限元仿真分析，選取了較優(yōu)的換能器參數(shù)，設(shè)計(jì)的縱波EMAT在鋁板中能有效激發(fā)出超聲縱波，頻率為0.9 MHz時(shí)，換能效率最大，且信噪比較高；采用電磁超聲縱波換能器對(duì)5.73 mm鋁板進(jìn)行厚度檢測(cè)，精確度達(dá)到0.01 mm。

(a) 電流頻率0.4 MHz時(shí)的回波實(shí)測(cè)波形

(b) 電流頻率0.9 MHz時(shí)的回波實(shí)測(cè)波形

(c) 電流頻率1.6 MHz時(shí)的回波實(shí)測(cè)波形圖10 30 mm鋁板的厚度回波實(shí)測(cè)波形

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Thickness Detection of Aluminum Plate Based on Electromagnetic Ultrasonic Longitudinal Waves

YANG Li-jian,CHEN Jun-zhe,XING Yan-hao

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China)

The velocity of electromagnetic ultrasonic longitudinal wave is close to the twice of the shear wave velocity,when the longitudinal wave is applied to the thickness detection of the large area metal plate,such as an aluminum plate,the efficiency of the detection is higher. To improve the conversion efficiency of the electromagnetic ultrasonic longitudinal wave transducer (longitudinal wave EMAT)in aluminum thickness detection,the transducing mechanism of longitudinal wave EMAT was studied. The impact of structural parameters of the longitudinal wave EMAT and the frequency of excitation current on its conversion efficiency were analysed by the finite element simulation software COMSOL. The experiment results show that accuracy of thickness detection achieves 0.01 mm by using the longitudinal wave EMAT to detect the aluminum plate,and the electromagnetic ultrasonic longitudinal wave can be well applied to detect the thickness of the aluminum alloy material.

electromagnetic acoustic longitudinal wave;conversion efficiency;eddy current density;echo signal;lorentz force

十二五國(guó)家科技部支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAK06B01-03)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863資助項(xiàng)目(2012AA040104)；科技部國(guó)家重大儀表專項(xiàng)(2012YQ090175)

2015-02-10 收修改稿日期：2015-06-11

TB551

A

1002-1841(2015)11-0067-04

楊理踐(1957—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管道檢測(cè)及無損檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。 E-mail：gaosongwei888@163.com