電磁超聲換能器線圈設(shè)計(jì)與提高換能效率研究*

范吉志，吳運(yùn)新*，石文澤，龔　海，譚良辰（1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083）

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電磁超聲換能器線圈設(shè)計(jì)與提高換能效率研究*

范吉志1，2，吳運(yùn)新1，2*，石文澤1，2，龔海1，2，譚良辰1，2
（1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083）

摘要：提出了一種提高電磁超聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）換能效率的方法，首先在COMSOL Multiphysics軟件中建立了電磁超聲無損檢測激發(fā)探頭有限元模型，然后研究了電磁超聲換能器中雙層疊加螺旋線圈的基板厚度、銅箔厚度以及提離距離對換能效率的影響。結(jié)果表明：減小基板厚度以及提離距離，增加線圈銅箔厚度可以提高EMAT換能效率。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致。關(guān)鍵詞：電磁超聲換能器；有限元；螺旋線圈；換能效率

電磁超聲無損檢測技術(shù)由于具有不需要耦合介質(zhì)，檢測溫度最高可達(dá)1 000℃，對一般的被探工件表面不需經(jīng)過特殊清理，可直接進(jìn)行無損探傷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國際上快速發(fā)展的一項(xiàng)新的檢測手段，是無損檢測領(lǐng)域發(fā)展較快且較前沿的技術(shù)［1-2］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要的研究方向已經(jīng)集中在將電磁超聲技術(shù)推向工業(yè)應(yīng)用階段。JafariShapoorabadi采用考慮到EMAT線圈之間的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)源電流密度的完整方程，并利用有限元方法分析了EMAT換能過程中的電流和洛倫茲力特性，改進(jìn)之后的方法具有更好的穩(wěn)定性和收斂性［3-4］。英國華威大學(xué)Steve Dixon團(tuán)隊(duì)對高溫電磁超聲無損檢測技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，利用電磁鐵及陶瓷封裝間距線圈實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的應(yīng)用［5-8］。張廣純教授在國內(nèi)最早對EMAT的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，可以實(shí)現(xiàn)對500℃以下的鋼板進(jìn)行在線的缺陷檢測，并設(shè)計(jì)了大功率脈沖功率放大器來驅(qū)動(dòng)激發(fā)線圈，以便可以得到更高的激發(fā)能量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王淑娟教授科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了對列車輪對踏面的探傷裝置［9］以及利用Lamb波對鋁合金板材進(jìn)行無損檢測的裝置［10］。

電磁超聲無損檢測探頭是一種新型UT發(fā)射和接收的直接裝置，一般稱之為換能器，是電磁超聲探傷系統(tǒng)中的核心部件［11］。EMAT的局限性在于換能效率相比其它超聲激發(fā)形式低很多，并且換能機(jī)理較復(fù)雜，通過對EMAT的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及尺寸參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其換能效率［12］。上述研究已經(jīng)成為提升EMAT無損檢測能力中重要的手段［13］。EMAT的換能效率跟線圈的形狀密切相關(guān)［14-15］，為此，利用COMSOL Multiphysics軟件研究了改變雙層疊加線圈結(jié)構(gòu)尺寸對EMAT換能效率的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1　電磁超聲原理

電磁超聲的換能機(jī)理包括洛倫茲力機(jī)理、磁致伸縮機(jī)理和磁化力機(jī)理。目前的研究表明在非鐵磁性材料中主要是洛倫茲力機(jī)理的存在，而在鐵磁性材料中不僅包含洛倫茲力機(jī)理還包含了洛倫茲力機(jī)理，而且還包括了磁致伸縮機(jī)理和磁化力機(jī)理，但是一般情況下磁化力都比較小，在研究過程中可以忽略。

在非鐵磁性材料中僅有洛倫茲力來激發(fā)超聲波，其激發(fā)過程為：EMAT線圈中通過高頻、大功率的電流，其在被測試樣內(nèi)部產(chǎn)生與之流向相反的感生渦流，此時(shí)被測試樣的集膚層內(nèi)相當(dāng)于有電流流過，根據(jù)安培定律可知，永磁鐵的靜態(tài)磁場與感生渦流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，由于感生渦流為高頻變化的，為此產(chǎn)生的洛倫茲力在試樣的表面產(chǎn)生，并向內(nèi)部傳播。洛倫茲力機(jī)理的接收過程與發(fā)射過程互為逆過程。換能過程可表述如下：

式中：H為磁場強(qiáng)度；JC為激發(fā)電流密度；B為磁通密度；EE為交變磁場產(chǎn)生的交變電場強(qiáng)度；JE為交變電流密度；μr為導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；fL為洛倫茲力密度；σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率。

2　EMAT探頭的建模

本文主要研究基于洛倫茲力機(jī)理的EMAT所激發(fā)的超聲橫波信號(hào)，其探頭主要是由提供偏置磁場的圓柱形磁體、線圈以及非鐵磁性材料的被測試樣組成的。根據(jù)計(jì)算建立如圖1所示的EMAT發(fā)射探頭的二維軸對稱模型，圖中顯示的是隱藏了空氣域之后的EMAT有限元模型剩余部分。為了能夠使線圈的尺寸更加精確，更容易控制其結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文采用印刷電路板PCB（Printed Circuit Board）作為EMAT的螺旋線圈，為了增加信號(hào)的強(qiáng)度，本文采用雙層PCB電路板的結(jié)構(gòu)作為研究對象。EMAT結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：EMAT線圈的半徑（外徑）r21，EMAT線圈的內(nèi)圈半徑r11，EMAT線圈中銅箔的厚度h1，PCB電路板基板厚度D1，EMAT的提離距離l1以及永磁體與線圈的距離l2。

圖1　電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

EMAT中探頭的雙層螺旋線圈和被測鋁板試樣的尺寸參數(shù)等如表1所示。

表1　雙層螺旋線圈有限元模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

在EMAT二維軸對稱有限元計(jì)算過程中設(shè)定的螺旋線圈和被測鋁板試樣的材料參數(shù)如下：銅箔磁導(dǎo)率4π×10-7H/m，銅箔電導(dǎo)率2.667×10-7S/m，鋁板磁導(dǎo)率4π×10-7H/m，鋁板電導(dǎo)率2.667×10-7S/m，試樣彈性模量71 GPa，試樣泊松比0.33，剩磁密度1.21 T，磁鐵相對磁導(dǎo)率5.31，試樣相對磁導(dǎo)率1，空氣相對磁導(dǎo)率1。

電磁超聲無損檢測有限元仿真模擬中，網(wǎng)格大小以及計(jì)算時(shí)間步長的選擇，對仿真結(jié)果有很大的影響。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣內(nèi)部的網(wǎng)格大小為超聲波波長的1/20時(shí)，超聲波在試樣內(nèi)部的傳播有限元計(jì)算結(jié)果已經(jīng)完全收斂。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，被測試樣內(nèi)部的集膚深度內(nèi)應(yīng)至少有6個(gè)~7個(gè)網(wǎng)格，為此要對集膚層內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，圖2為對二維軸對稱模型以及線圈和集膚層進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的圖示。

圖2　網(wǎng)格劃分后的有限元模型

對于上述多物理場有限元模型的求解，永磁體的靜態(tài)偏置磁場為穩(wěn)定求解，螺旋線圈的動(dòng)態(tài)磁場以及機(jī)械力場均為瞬態(tài)求解。瞬態(tài)求解過程中需要對于求解時(shí)間步長以及其相對誤差、絕對誤差進(jìn)行設(shè)定。本文選用信號(hào)的頻率為1 MHz，根據(jù)對有限元結(jié)果的分析，可知當(dāng)設(shè)定的最大時(shí)間步長為1/1 000f時(shí)有限元仿真結(jié)果的收斂性較好，當(dāng)設(shè)定的絕對誤差為0.01時(shí)有限元模型才能順利的完成計(jì)算。

一般的EMAT的激勵(lì)信號(hào)為窄帶或調(diào)制tone burst信號(hào)，該信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并經(jīng)脈沖功率放大器放大之后得到。調(diào)制的tone burst信號(hào)利用下式進(jìn)行表征：

電流激勵(lì)信號(hào)的波形如圖3所示。

圖3　螺旋線圈所施加的tone burst電流信號(hào)的波形

由于電磁超聲激發(fā)過程的有限元模型中涉及到靜態(tài)磁場、螺旋線圈的脈沖感生渦流場以及機(jī)械力場，多場之間需要設(shè)置耦合變量。將靜態(tài)偏置磁場中求解所得到的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度和脈沖渦流場所得到的渦流密度的乘積，設(shè)置為機(jī)械力場中被測試樣的集膚層內(nèi)所受到的體力。

3　激發(fā)探頭結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對換能效率影響的仿真分析

3.1基板厚度對換能效率的影響

選取PCB的基板厚度D1為0.3 mm至2 mm之間的7組數(shù)據(jù)，為了消除由于基板厚度的變化導(dǎo)致永磁體與被測試樣距離的增加，設(shè)定永磁體與被測試樣之間的距離即基板厚度D1與磁鐵線圈距離l2之和保持3 mm不變，磁鐵、空氣域的尺寸參數(shù)以及線圈的內(nèi)外徑具體參照表1。通過有限元模型得到EMAT的等效阻抗，計(jì)算在不同的PCB厚度的參數(shù)影響下，通過螺旋線圈中的激勵(lì)的強(qiáng)度。

經(jīng)過有限元模型的計(jì)算，通過提取被測試樣的集膚層距離被測試樣表面0.01 mm處與線圈平行的直線上的渦流密度，求取在每個(gè)時(shí)刻上的平均值，作為EMAT線圈在此刻所產(chǎn)生的感生渦流密度。同樣的方法得到r軸與z軸方向振動(dòng)幅值的平均值，作為此刻所激發(fā)的超聲波信號(hào)強(qiáng)度，并提取不同PCB基板厚度下所激發(fā)超聲波的峰值，以此來評(píng)判電磁超聲激發(fā)探頭的換能效率。如圖4所示為不同PCB基板厚度的EMAT所產(chǎn)生的感生渦流密度與橫縱波峰值。

圖4　不同PCB基板厚度感生渦流與超聲波幅值

由上可知當(dāng)PCB板厚由0.5 mm增加至1.5 mm的過程中，螺旋線圈在被測試樣內(nèi)部產(chǎn)生的感生渦流密度不斷減小，超聲橫波與縱波的峰值分別下降了約23%和20%。

3.2銅箔厚度對換能效率的影響

選取銅箔厚度h1為0.035 mm、0.05 mm、0.07 mm和0.105 mm 4組數(shù)據(jù)，磁鐵、空氣域的尺寸參數(shù)以及線圈的內(nèi)外徑參照表1。通過有限元模型計(jì)算EMAT的等效阻抗，計(jì)算得到在不同銅箔厚度的影響下，螺旋線圈中激勵(lì)電流的強(qiáng)度。圖5所示為不同銅箔厚度的EMAT所產(chǎn)生的感生渦流密度與橫縱波峰值。

圖5　不同銅箔厚度下激發(fā)的超聲波信號(hào)

由上可知，當(dāng)銅箔厚度由0.035 mm增加至0.07 mm的過程中，感生渦流密度不斷的增加。超聲橫波與縱波的峰值均增加了17%。

3.3提離距離對換能效率的影響

提離距離由0.5 mm增加至2 mm的過程中，感生渦流密度急劇減小。超聲橫波與縱波的峰值均下降了約73%。

選取提離距離l1為0.5 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm 4組數(shù)據(jù)，磁鐵、空氣域的尺寸參數(shù)以及線圈的內(nèi)外徑具體參照表1。通過有限元模型計(jì)算EMAT的等效阻抗，計(jì)算得到不同提離距離的EMAT，螺旋線圈中激勵(lì)電流的強(qiáng)度。圖6所示為不同提離距離的EMAT所產(chǎn)生的感生渦流密度與橫縱波峰值。

圖6　不同提離距離下激發(fā)的超聲波信號(hào)

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電磁超聲激發(fā)探頭模型和仿真結(jié)果的正確性，將以實(shí)驗(yàn)的方法對螺旋線圈電磁超聲探頭所激發(fā)的橫波進(jìn)行檢測。通過對采集信號(hào)的處理來衡量超聲波激發(fā)信號(hào)的幅值，用來驗(yàn)證有限元模型中螺旋線圈的參數(shù)對激發(fā)信號(hào)的影響規(guī)律。

4.1實(shí)驗(yàn)方案

利用同一個(gè)電磁超聲接收探頭來接收不同螺旋線圈所激發(fā)的超聲波信號(hào)，通過對接收探頭所接收的超聲信號(hào)的幅值進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)不同探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁超聲激發(fā)探頭所激發(fā)的超聲波的信號(hào)的影響規(guī)律的研究和對有限元模型正確性的驗(yàn)證。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照實(shí)驗(yàn)方案，分別對利用不同的線圈激發(fā)超聲波，利用同一線圈接收，確保單一變量，圖7為實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場的圖片以及各組別線圈的實(shí)物圖。

圖8為在其它參數(shù)不變時(shí)，PCB板的厚度由0.5 mm增加至1.5 mm，接收到的超聲波的橫波幅值由145.35 mV減小至103.75 mV，減小了約26%，縱波幅值由43.15 mV減小至32.75 mV，減小了約24%，而在相同情況下有限元計(jì)算的結(jié)果分別為23%和20%，實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果有很好的吻合度。

圖9為銅箔的厚度分別為0.035 mm和0.07 mm，提離距離為0.5 mm的螺旋線圈組成的EMAT所激發(fā)的超聲波的對比，由圖可知隨著激發(fā)線圈銅箔厚度由0.035 mm增加至0.07 mm的過程中，所激發(fā)的超聲波的橫波幅值由101.45 mV增加至114.36 mV，增加了約13%，縱波幅值由29.25 mV增加至32.35 mV，增加了約11%，而有限元仿真的結(jié)果均增加了17%，說明了仿真結(jié)果的正確性。

圖10為提離距離由0.5 mm增加至2 mm的EMAT所激發(fā)的超聲波信號(hào)，對比分析可知，隨著提離距離的不斷增加，EMAT所激勵(lì)的超聲波信號(hào)的幅值逐漸減小，當(dāng)提離距離由0.5 mm增加至2 mm時(shí)，超聲信號(hào)的橫波幅值由160.04 mV下降至32.21 mV，下降的比例達(dá)到了80%，縱波幅值由49.55 mV下降至10.65 mV，下降的比例達(dá)到了79%，這與之前的仿真結(jié)果73%比較吻合。

圖7　實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)及所用線圈

圖8　相同線圈在不同基板厚度所激發(fā)的超聲波

圖9　不同銅箔厚度的螺旋線圈所激發(fā)的超聲波

圖10　相同線圈在不同提離距離所激發(fā)的超聲波

5　結(jié)束語

在建立的電磁超聲有限元模型的基礎(chǔ)上，通過仿真以及實(shí)驗(yàn)研究了EMAT雙層螺旋線圈基板的厚度、銅箔的厚度以及提離距離對激發(fā)的超聲橫波和縱波信號(hào)的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：①雙層螺旋線圈探頭的設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量的減小基板的厚度，以提升EMAT的激發(fā)效率，確保激發(fā)超聲橫波信號(hào)的強(qiáng)度。②螺旋線圈的設(shè)計(jì)中應(yīng)該適量的增加線圈中銅箔的厚度，以提升EMAT的激發(fā)效率。③盡量減小提離距離，嚴(yán)格控制提離距離的大小，避免因?yàn)樘犭x距離的變化導(dǎo)致超聲回波信號(hào)幅值的下降，從而引起對缺陷定量估計(jì)的誤差。

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范吉志（1989-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事電磁超聲無損檢測技術(shù)的研究，fjzcsu@163.com；

吳運(yùn)新（1963-），男，博士，博士生導(dǎo)師、教授，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、無損檢測、冶金機(jī)械研究，wuyunxin@csu. edu.cn。

DSP Implementation of Relative Position and Attitude Calculation*

FENG Yu，WANG Xiangjun*，CHEN Wenliang
（MOEMS Education Ministry Key Lab，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：To improve the speed and reduce the volume in position and attitude measurement，a real-time image ac?quisition and processing system based on TMS320DM6437 digital signal processor was designed.The Video Process SubSystem of TMS320DM6437 and ping-pong operation are used in processing the raw data acquired by CMOS im?age sensor to reduce the volume of system and improve the frame rate.The software and hardware of the system were debugged and the experiments of position and attitude measurement were carried out.When the frame rate of camera is 40fps，system can complete the real-time solution.Experiment results show that the designed system is reasonable and feasible in applications.

Key words：pose estimation；DSP；CMOS；ping-pong operation；image processing

doi：EEACC：6140C10.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.007

收稿日期：2015-08-13修改日期：2015-09-24，

中圖分類號(hào)：TB552

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）01-0029-06

項(xiàng)目來源：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAF12B01）；高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題項(xiàng)目（zzyjkt2013-06B）