曲折線圈折線角度對EMAT換能效率的影響

楊理踐，宋靖宇，高松巍，劉　斌

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

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曲折線圈折線角度對EMAT換能效率的影響

楊理踐，宋靖宇，高松巍，劉斌

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

針對曲折線圈型電磁超聲換能器的換能效率，分析了不同折線角度曲折線圈對EMAT(電磁超聲換能器)換能效率的影響。根據(jù)聲束指向原理，通過改變載流導(dǎo)線的角度,設(shè)計了0°、30°、60°、90°曲折線圈激勵產(chǎn)生電磁超聲導(dǎo)波，并采用收發(fā)分離式換能器結(jié)構(gòu)在鋼板上進行檢測試驗。結(jié)果表明，曲折線圈載流導(dǎo)線角度為0°時，EMAT激發(fā)的聲波能量集中，方向性好，回波信號幅值強，為鋼板的長距離檢測提供了可能；曲折線圈載流導(dǎo)線角度增加為30°、60°、90°時，EMAT激發(fā)的聲波信號純凈，簡化了模態(tài)分析，對工程中鋼板檢測的信號簡化處理具有重要意義。

電磁超聲換能器;曲折線圈;鋼板;換能效率;折線角度

換能器中不同種類的線圈能夠產(chǎn)生不同種類的波形及換能效率，適用于不同的被檢對象，電磁超聲換能器(EMAT)在檢測時無需耦合劑、檢測范圍廣，還能夠在高溫、高速等惡劣環(huán)境下進行在線檢測，在板材、管道等檢測領(lǐng)域中應(yīng)用普遍。

康磊等[1]通過仿真分析分別從EMAT磁鐵尺寸和線圈中導(dǎo)線的分布方式兩個角度對電磁超聲表面波換能器進行優(yōu)化，信號幅度提高了39%。PETCHER P A等[2]運用數(shù)值模擬的方法設(shè)計了輕便易彎曲的EMAT線圈，能夠在10 mm內(nèi)變化的提離距離下對鋼軌進行檢測，有效提高了缺陷檢測信噪比。黃鳳英等[3]研究了探頭提離距離、激勵信號電流幅值、激勵頻率等參數(shù)對EMAT換能效率的影響，為換能器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

筆者采用收發(fā)分離式電磁超聲換能器結(jié)構(gòu)對鋼板進行檢測試驗，分析不同折線角度曲折線圈型EMAT產(chǎn)生的超聲回波信號，為EMAT的優(yōu)化設(shè)計及其板材檢測提供試驗依據(jù)。

1　EMAT基本理論及方程

根據(jù)電磁超聲理論可知，電磁超聲波的產(chǎn)生涉及電磁場、力場、超聲波場三場耦合的結(jié)果。電磁場、力場、超聲波場共同構(gòu)成了EMAT完整的作用原理，引起電磁超聲波的產(chǎn)生。

1.1EMAT理論方程

EMAT換能系統(tǒng)中的電磁超聲波場是由機械力學(xué)場、電磁波場、和超聲波場共同構(gòu)成的，由麥克斯韋方程可計算導(dǎo)出電磁超聲波電場和磁場系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的基本理論[5]，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，麥克斯韋方程組及邊界條件用如下方程描述：

(1)

各向同性彈性體中聲波的運動方程為：

(2)

(3)

式中：ρ為介質(zhì)的體密度；u為帶電粒子的位移向量；r為介質(zhì)的阻尼系數(shù)；ftotal為質(zhì)點的總受力；λ、μ為被測材料的彈性常數(shù)；fL為洛倫茲力；fMS為磁致伸縮力；fM為磁化力。

這三種力的表達(dá)式分別為：

(4)

式中：:Je為密度向量；B0為靜態(tài)偏置磁場。

(5)

式中：:eT為磁致伸縮系數(shù)，由試驗得其具體值；H為動態(tài)磁場強度向量。

(6)

式中：:M0為磁化強度向量；B為變化的磁通密度向量。

周期性的高頻脈沖激勵EMAT線圈，在被測材料表面感應(yīng)出的渦流會在靜磁場中產(chǎn)生高頻振動，引起應(yīng)力波的傳播。其中，靜磁場減弱時，磁化力常忽略不計，鐵磁性材料中磁致伸縮力占主導(dǎo)作用；靜磁場逐漸增強時，鐵磁性材料被磁化飽和，洛倫茲力是超聲應(yīng)力波產(chǎn)生的主要原因。

1.2EMAT換能機理

EMAT的換能機理包括洛倫茲力機理、磁化力機理、磁致伸縮力機理[6]。在鐵磁性材料中，EMAT的換能機理是由磁致伸縮機理以及洛倫茲力機理構(gòu)成的，且一般磁致伸縮機理占主要作用。由于磁化力的作用非常微弱，通常忽略磁化力對超聲波產(chǎn)生的影響。

1.2.1洛倫茲力機理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，EMAT中線圈的高頻交變電流會在鋼板趨膚層產(chǎn)生感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流可以看成是無數(shù)帶電粒子的集合，帶電粒子在磁場中受力產(chǎn)生高頻振動引起超聲波的傳播。洛倫茲力效應(yīng)激發(fā)電磁超聲波的原理示意如圖1所示。

圖1　洛倫茲力效應(yīng)激勵超聲波原理示意

由圖1可見，交變的洛倫茲力引起趨膚層帶電粒子受力振動，帶動周圍粒子一起以機械波的形式傳播。

1.2.2磁致伸縮機理

通以高頻交變電流的EMAT線圈,會在鋼板趨膚層中產(chǎn)生周期性交變電磁場，而具有磁致伸縮效應(yīng)的鋼板在交變電磁場的作用下會產(chǎn)生周期性的壓縮或拉伸變化，這種周期性的變化引起質(zhì)點的高頻振動，從而形成電磁超聲波[7]。磁致伸縮效應(yīng)激勵超聲波原理示意如圖2所示。

圖2　磁致伸縮效應(yīng)激勵超聲波原理示意

由圖2可見，在鋼板中激勵電磁超聲導(dǎo)波時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，具有磁致伸縮效應(yīng)的鋼板在交變電磁場的作用下產(chǎn)生周期性的伸縮或拉伸變化而引起材料的體積變化，周期性的體積變化引起質(zhì)點的高頻振動，振動以機械波的形式傳播出去，形成電磁超聲波。

2　不同折線角度的曲折線圈

EMAT包括永磁鐵、載流線圈部分，其中線圈的類型和磁場的分布可直接影響換能效率。在折線角度為0°的直線型曲折線圈的基礎(chǔ)上，增加折線角度，設(shè)計不同折線角度的曲折線圈型EMAT。

為使激發(fā)的超聲波能量集中，根據(jù)聲束聚焦指向性原理，同心圓指向同一個圓心，將圓心視為聲束聚焦的焦點，截取同心圓的一段圓弧作為具有一定折線角度的曲折線圈，折線角度以焦點引出的兩條法線之間的夾角定義。同心圓曲折線圈設(shè)計原理示意，如圖3所示。

圖3　同心圓曲折線圈設(shè)計原理示意

基于同心圓弧線圓心交于一點的原理，設(shè)計具有不同折線角度的曲折線圈，分別取同心圓弧線夾角為整數(shù)倍角度30°、60°和90°，以折線為0°的曲折線圈為參考，保持線圈匝數(shù)一致，有效寬度一致。

在曲折型線圈的設(shè)計過程中，一般超聲波的波長與線圈結(jié)構(gòu)滿足以下匹配條件：

(7)

式中：d為線圈間距；λ為超聲波在介質(zhì)中傳播的波長；c為超聲導(dǎo)波傳播速度；f為激勵頻率。

在設(shè)計曲折線圈時，保證激發(fā)、接收線圈的間距相同，且滿足式(7)時，可實現(xiàn)激發(fā)和接收超聲波的最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率，同時減弱了其他模式的超聲波信號。試驗中超聲波波長λ為6 mm，因此能夠使換能效率達(dá)到最優(yōu)的線圈間距為3 mm。

采用PROTEL軟件繪制線圈PCB版圖，制成硬PCB板。

不同折線角度曲折線圈的周期均為12，線寬1.5 mm，線間距為3 mm，有效長度為45 mm。

試驗中采用釹鐵硼永磁體提供水平偏置磁場，釹鐵硼永磁體尺寸(長×寬×厚)為50 mm×50 mm×30 mm，靜態(tài)磁場強度1.2T，用于提供方向平行于鋼板的偏置磁場。

3　試驗與結(jié)果分析

3.1檢測系統(tǒng)

曲折線圈EMAT試驗檢測系統(tǒng)由高頻脈沖發(fā)生器RAM-5000-SNAP、前置放大電路、濾波電路、阻抗匹配電路、換能器、示波器以及鋼板組成。試驗檢測系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　曲折線圈EMAT試驗檢測系統(tǒng)框圖

如圖4所示，通有高頻電流的曲折線圈在偏置靜磁場的作用下,會在鋼板趨膚層產(chǎn)生交變的渦流場;在靜磁場與交變磁場的共同作用下，鋼板趨膚層帶電粒子形成的渦流受到應(yīng)力作用產(chǎn)生振動;該振動以超聲波的形式傳播出去，聲波被接收線圈接收，產(chǎn)生微伏級電壓，通過后續(xù)電路放大顯示。

采用收發(fā)分離式曲折線圈EMAT結(jié)構(gòu)激發(fā)與接收超聲波。發(fā)射線圈采用不同折線角度的曲折線圈，接收線圈采用折線角度為0°、匝數(shù)為4匝的曲折線圈，線圈周期為12，間距為3 mm，線寬為1.5 mm，有效長度為45 mm。鋼板幾何尺寸(長×寬×厚)為1 500 mm×1 000 mm×6 mm。發(fā)射線圈、接收線圈與鋼板的提離距離均為0.3 mm。發(fā)射EMAT與接收EMAT在鋼板中的位置分布見圖5。發(fā)射EMAT和接收EMAT呈線性置于鋼板上方，間距為98 cm。

圖5　曲折線圈EMAT的位置分布示意

3.2試驗結(jié)果

根據(jù)線圈結(jié)構(gòu)滿足的匹配條件式(7)，通過上位機軟件調(diào)節(jié)，確定換能器的換能效率最優(yōu)時線圈的激勵頻率為470 kHz。折線角度為0°時的曲折線圈型EMAT的試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　0°曲折線圈EMAT試驗波形

直達(dá)波為由發(fā)射EMAT直接傳播至接收EMAT的超聲波，回波信號幅值較強，能量集中。模態(tài)波為接收EMAT接收到的折射或反射回波的疊加，是鋼板上下界面反射回波信號在介質(zhì)中多次耦合疊加形成的結(jié)果，會導(dǎo)致回波信號難以識別，給后期回波信號的處理和分析帶來困難。

保持各參數(shù)不變，改變發(fā)射線圈類型，不同折線角度曲折線圈EMAT的試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可見：曲折線圈折線角度分別為30°、60°、90°時，直達(dá)波信號相比0°曲折線圈發(fā)射EMAT的回波信號略有減小，但模態(tài)減少,信號純凈,方便信號的后期處理。

圖7　不同角度曲折線圈EMAT試驗波形

由圖6,7可知:當(dāng)發(fā)射EMAT與接收EMAT相對位置不變且參數(shù)匹配的情況下，保持線圈激勵頻率為最優(yōu)頻率470 kHz，0°曲折線圈EMAT的回波信號幅值最大，指向性高，能量集中；隨著折線角度增加，回波信號純凈而便于識別，簡化了模態(tài)分析問題，為工程中鋼板缺陷檢測的信號簡化處理問題提供了依據(jù)。

4　結(jié)論

(1) 與折線角度為30°、60°、90°的曲折線圈相比，0°曲折線圈(直線型曲折線圈)EMAT激發(fā)的聲波能量集中，方向性好，回波信號幅值強，為鋼板的長距離檢測提供了可能。

(2) 折線角度為30°、60°、90°的曲折線圈EMAT激發(fā)的聲波信號純凈，無模態(tài)回波，簡化了模態(tài)分析，對工程中鋼板檢測的信號簡化處理具有重要意義。

[1]楊理踐,鄒金津,邢燕好.電磁超聲蘭姆波在鋁板傳播中的模態(tài)識別[J].儀器儀表學(xué)報.2014,35(4):910-916.

[2]PETCHER P A,DIXON S. A new electromagnetic acoustic transducer (EMAT) design for operation on rail[J]. NDT and E International,2014，65:1-7.

[3]黃鳳英,高東海.電磁超聲電聲轉(zhuǎn)換效率的影響因素分析[J].機械工程學(xué)報,2011,47(10):1-4.

[4]周海強,楊占鋒.靜態(tài)偏置磁場對鐵磁材料電磁超聲換能器信噪比的影響[J].無損檢測,2014,36(10):25-28.

[5]丁秀莉,武新軍,郭鍇.電磁超聲傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)[J].無損檢測.2015,37(1):96-100.

[6]康磊,金昱,潘峰，等.曲折線圈型電磁超聲表面波換能器的優(yōu)化設(shè)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(6):1-7.

[7]康磊,張曉輝,張雨平，等.電磁超聲蘭姆波換能器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].聲學(xué)技術(shù),2012,31(5):535-538.

Effect of Different Line Angle of Meander Coil on EMAT Energy Transfer Efficiency

YANG Li-Jian,SONG Jing-Yu,GAO Song-Wei,LIU Bin

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

By studying the energy transfer efficiency of the meande coil electromagnetic ultrasonic transducer,the impact of meande coils with different line angles on the energy transfer efficiency of the EMAT was analyzed. According to the principle of acoustic beam pointing in the direction and by changing the angle of the current-carrying conductor,0 degrees,30 degrees,60 degrees,and 90 degrees meander coils were designed for the excitation of ultrasonic guided wave,and the transceiver separation transducer structure on the steel plate was adopted for experimental research. The results have shown that when the current-carrying conductor angle of the meander coil is 0 degree,the excitation acoustic energy of EMAT is focused,owing high directivity and strong echo signal amplitude,which provides the possibility for the long distance detection in the steel plate;when the current-carrying conductor angle of meander coil increased to 30 degrees,60 degrees and 90 degrees,the EMAT inspires pure acoustic signal of being easy to identify and simplify the modal analysis,which has great significance for the signal processing in steel plate detection of the engineering.

Electromagnetic ultrasonic transducer;Meander coil;Steel plate;Energy transfer efficiency;Line angle

2016-01-29

科技部國家重大儀表專項資助項目(2012YQ090175)；國家863計劃資助項目(2012AA040104)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61571308)

楊理踐(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管道檢測及無損檢測技術(shù)等方面的研究。

高松巍，E-mail: gaosongwei888@163.com。

10.11973/wsjc201608006

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0026-04