電磁超聲換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)與板狀結(jié)構(gòu)損傷成像應(yīng)用研究*

郭 鵬,徐 鴻,田振華,鄧 博,藍(lán) 翔,陳顯會(huì)

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

電磁超聲換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)與板狀結(jié)構(gòu)損傷成像應(yīng)用研究*

郭 鵬,徐 鴻*,田振華,鄧 博,藍(lán) 翔,陳顯會(huì)

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

提出了一種用于板狀結(jié)構(gòu)損傷成像的虛擬電磁超聲換能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)陣列。由螺旋線圈和圓柱形永磁鐵組成的電磁超聲換能器可以通過洛倫茲力在鋁板中有效地激發(fā)低頻散和高幅值的單一S0模態(tài)蘭姆波。實(shí)驗(yàn)研究了電磁超聲換能器配置參數(shù)(如激發(fā)頻率,螺旋線圈外徑、螺旋線圈內(nèi)徑和提離距離)對S0模態(tài)蘭姆波性能的影響。另外,將接收電磁超聲換能器移動(dòng)到用于接收蘭姆波的多個(gè)預(yù)定義位置來構(gòu)建虛擬傳感器陣列,實(shí)驗(yàn)研究了陣元間距和陣元數(shù)量對成像結(jié)果的影響。結(jié)果表明,通過相控虛擬聚焦成像方法,虛擬電磁超聲換能器陣列的成像結(jié)果與實(shí)際損傷位置吻合良好。

電磁超聲換能器;洛倫磁力;優(yōu)化設(shè)計(jì);S0模態(tài);損傷檢測;陣列成像

電磁超聲換能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)是通過洛倫茲力原理或磁致伸縮效應(yīng)在導(dǎo)電或磁性材料中產(chǎn)生蘭姆波[1]。因?yàn)镋MAT依賴于電磁耦合而不是機(jī)械耦合,所以EMAT無需在傳感器和測試板之間產(chǎn)生物理接觸,EMAT也不需要通過任何超聲波耦合劑或粘合劑將傳感器與待測結(jié)構(gòu)表面接觸,可以通過將EMAT移動(dòng)到用于激發(fā)和接收蘭姆波的多個(gè)預(yù)定義位置來構(gòu)建虛擬傳感器陣列。EMAT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)來激發(fā)所需模態(tài)的導(dǎo)波[1-6]。近年來,通過EMAT激發(fā)和接收蘭姆波用于板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測已經(jīng)成為一種主流的無損檢測技術(shù)之一。

為了提高EMAT接收信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比,大量學(xué)者的研究工作為EMAT激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波奠定了理論基礎(chǔ),并提出了數(shù)值模型。然而,相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究仍然缺乏。楊理踐[7,8]通過仿真計(jì)算研究了金屬板檢測中的電磁超聲蘭姆波換能器的換能機(jī)理,得出了低頻率范圍內(nèi)A0、S0模態(tài)蘭姆波具有遠(yuǎn)傳特性;焦敬品[9]研制了一種周向一致蘭姆波電磁超聲換能器,有效地激勵(lì)單一模態(tài)的S0蘭姆波,滿足板狀結(jié)構(gòu)大范圍無損檢測;Huang S[10]提出了一種由回折線圈構(gòu)成的全周向電磁超聲換能器,該換能器可以激發(fā)高信噪比的單一A0模態(tài)蘭姆波,并利用有限元模擬了在不同提離距離下交變磁場的分布和磁場強(qiáng)度;范吉志[11]借助于COMSOL Multiphysics軟件研究了基板厚度、銅箔厚度和提離距離對電磁超聲換能器性能的影響;江念[12]研究了激勵(lì)信號(hào)頻率、脈寬及換能器提離距離對厚度測量結(jié)果的影響;Kang L[13]建立了基于洛倫磁力的電磁超聲換能器的三維模型,研究了各種EMAT參數(shù)(線圈長度、線圈寬度、提離距離,磁體尺寸和電流)對信號(hào)幅度的影響。為了在實(shí)際應(yīng)用中更好地選擇EMAT的最佳結(jié)構(gòu)配置,本文對EMAT結(jié)構(gòu)配置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。

本文提出了一種用于板狀結(jié)構(gòu)損傷成像的虛擬EMAT陣列,虛擬陣列是通過將EMAT移動(dòng)到多個(gè)預(yù)定義位置來構(gòu)建EMAT陣列。在本文中第一小節(jié)介紹了蘭姆波的基本原理,并解釋了EMAT如何通過洛倫茲力激發(fā)和接收蘭姆波的原理;第二小節(jié)探討了用于產(chǎn)生S0模態(tài)蘭姆波的EMAT的優(yōu)化設(shè)計(jì),并研究了EMAT配置參數(shù)(如激發(fā)頻率,螺旋線圈外徑,螺旋線圈內(nèi)徑和提離距離)對S0模態(tài)蘭姆波性能的影響,從而可以在鋁板中激發(fā)低頻散和高振幅的S0模式;在第三小節(jié)中,利用虛擬EMAT陣列,通過相控虛擬聚焦成像算法,對帶有通孔的鋁板進(jìn)行損傷成像。

1 EMAT激發(fā)和接受蘭姆波的基本原理

1.1 鋁板中蘭姆波傳播特性

蘭姆波是在板狀結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導(dǎo)波,根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的不同,可分為對稱模態(tài)(S)和反對稱模態(tài)(A)。對于各向同性均勻介質(zhì),由對稱和反對稱模態(tài)的頻散方程可以得到平板中蘭姆波的頻散曲線,如圖 1所示[2]。對于厚度一定的鋁板,在低頻域,反對稱模態(tài)A0的速度隨頻率變化劇烈,而對稱模態(tài)S0的速度近似保持穩(wěn)定;在高頻域,高階模態(tài)(A1,S1,S2和A2)隨著頻率的增加逐漸出現(xiàn)。蘭姆波的多模態(tài)和頻散特性會(huì)對損傷檢測和損傷成像造成干擾。因此,在許多基于蘭姆波的損傷成像方法中,需要低頻散的單一模態(tài)。在本文中,我們采用的是S0模態(tài),相對于A0模態(tài),S0模態(tài)在低頻域具有低頻散特性,且具有較高的傳播速度。

剪切模量μ=70 GPa,密度ρ=2 700 kg/m3,泊松比ν=0.33圖1 鋁板中蘭姆波的頻散曲線

圖2 基于洛倫磁力的EMAT設(shè)計(jì)

1.2 基于洛倫茲力的EMAT

圖 2為基于洛倫茲力的EMAT的三維示意圖和實(shí)物照片?；诼鍌惼澚Φ腅MAT由圓柱形永磁體和平面螺旋線圈組成,圓柱形永磁體提供垂直靜磁場,平面螺旋線圈提供交變磁場,螺旋線圈在垂直靜磁場作用下可以對待測平板進(jìn)行全周向的損傷檢測。如圖2(a)和(b)所示,圓柱形永磁鐵主要成分是Nd2Fe14B,由于永磁鐵具有高靈敏度,且不產(chǎn)生電磁噪聲和機(jī)械振動(dòng),所以能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。在圖2(b)中,傳感器外殼由亞克力板制成,外徑為22 mm,壁厚為2 mm,高度為30 mm。圓柱形永磁體的外徑為15 mm,高度為20 mm。螺旋線圈由布置在印刷電路板正反兩面的螺旋銅線繞制而成,銅線的直徑0.25 mm,相鄰銅線線圈間距為0.25 mm,印刷電路板基板的厚度0.8 mm。

在圖 2(c)中,當(dāng)螺旋線圈通入交變電流時(shí),螺旋線圈周圍會(huì)形成一個(gè)交變磁場。然后,在這個(gè)交變磁場的作用下,待測平板中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,其方向與螺旋線圈中電流的方向相反。平板中的感應(yīng)渦流和永磁鐵提供的垂直靜磁場相互作用下會(huì)在平板中形成洛倫磁力,在該洛倫磁力影響下,平板中質(zhì)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng),并以波形的形式沿著平板傳播,完成EMAT在平板中激發(fā)蘭姆波的過程。EMAT對蘭姆波的接收過程與激發(fā)過程相反,當(dāng)蘭姆波沿平板傳播到EMAT底部時(shí),由于平板中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)切割靜磁場,平板中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)渦流,導(dǎo)致EMAT周圍的磁場發(fā)生變化,螺旋線圈中隨之發(fā)生變化。最后,通過電壓信號(hào)獲得蘭姆波。

2 EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)

在EMAT的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中,EMAT配置參數(shù)對傳感器性能有不同的影響。主要性能指標(biāo)包括蘭姆波信號(hào)幅值和信噪比。信噪比被定義為S0模態(tài)的幅值與最大噪聲的比值。當(dāng)損傷檢測進(jìn)行時(shí),接收信號(hào)具有特定的噪聲,其強(qiáng)度太高則不能形成具有一定幅值的波包,將會(huì)干擾我們對有缺陷的波包的判斷,使得缺陷不能被清楚地識(shí)別。在本小節(jié)中,描述了EMAT的配置參數(shù)對其性能的影響,影響傳感器性能的EMAT配置參數(shù)為激發(fā)頻率、螺旋線圈外徑、螺旋線圈內(nèi)徑和提離距離。

2.1 激發(fā)頻率優(yōu)化

本小節(jié)通過建立了一套實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)蘭姆波的激發(fā)和接收。該實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)工作流程如圖3所示,主要包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、電磁超聲換能器、信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)發(fā)生器可以激發(fā)穩(wěn)定的脈沖信號(hào),其峰-峰值為10 V,最大激發(fā)頻率為5 MHz。數(shù)據(jù)采集卡使用NI USB-5133,它能提供兩個(gè)同時(shí)采樣的通道,分辨率為8位,帶寬為50 MHz,最大采樣速率高達(dá)100 Msample/s。

圖4 采用EMAT激發(fā)和接收蘭姆波和激發(fā)頻率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

圖3 實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)流程圖

由LabVIEW軟件編程的控制程序發(fā)出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)命令,隨后信號(hào)發(fā)生器向功率放大器輸入周期性的脈沖信號(hào),同時(shí)輸出一個(gè)同步信號(hào)給數(shù)據(jù)采集卡。然后經(jīng)過阻抗匹配后的信號(hào)輸入到激發(fā)EMAT,阻抗匹配的目的是使螺旋線圈中的電流最大化,然后在鋁板中形成強(qiáng)烈的渦流,如圖4(a)所示。根據(jù)洛倫茲力的EMAT工作原理,蘭姆波沿著鋁板傳播,被另一個(gè)EMAT接收。接收到的信號(hào)屬于弱信號(hào),在接收到的信號(hào)可被數(shù)據(jù)采集卡識(shí)別之前,需要由前置放大器進(jìn)行放大,如圖4(b)所示。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的同步信號(hào)被接收到時(shí),數(shù)據(jù)采集卡開始信號(hào)采集,然后將其傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

如圖1所示,EMAT可以在低頻域同時(shí)激發(fā)具有不同傳播速度的A0和S0模態(tài)蘭姆波。隨著激發(fā)頻率的變化,S0和A0模態(tài)蘭姆波的振幅將會(huì)相應(yīng)變化。因此,實(shí)驗(yàn)研究了激發(fā)頻率和蘭姆波振幅之間的關(guān)系,以確定EMAT的最佳激發(fā)頻率。最佳激勵(lì)頻率可以最大化地抑制A0模態(tài)蘭姆波激發(fā),能夠在鋁板中獲得單一的S0模態(tài)蘭姆波。在最佳激發(fā)頻率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中,螺旋線圈的外徑和內(nèi)徑分別為28 mm和0 mm。圓柱形永磁體的磁場強(qiáng)度為0.3 T。鋁板的長度1 m,寬度1 m,厚度2 mm。兩個(gè)EMAT傳感器之間的距離為1 000 mm。其中一個(gè)換能器用作激勵(lì)換能器,其激發(fā)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波作為激發(fā)信號(hào),另一個(gè)換能器用作接收換能器,如圖4(a)和(b)所示。

圖5 螺旋線圈外徑實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中,激發(fā)頻率范圍為100 kHz～400 kHz,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(c)所示。隨著激勵(lì)頻率的增加,A0模態(tài)和S0模態(tài)振幅初始增加后降低。S0和A0模態(tài)的幅值比最初隨著頻率的增加而增加,在225 kHz的頻率下達(dá)到最大值,然后隨著頻率的進(jìn)一步增加而降低。因此,激發(fā)頻率對EMAT模態(tài)選擇有較大的影響。我們可以通過優(yōu)化激發(fā)頻率來增強(qiáng)S0模態(tài)蘭姆波并抑制A0模態(tài)蘭姆波,在最佳激發(fā)頻率下可以得到所需模態(tài)的蘭姆波。

2.2 螺旋線圈外徑優(yōu)化

本小節(jié)為了優(yōu)化螺旋線圈外徑,設(shè)計(jì)了不同螺旋線圈外徑的EMAT,如表1和圖5(a)所示。除螺旋線圈外徑外的EMAT所有參數(shù)均相同。由圖5(b)可以看出具有不同螺旋線圈外徑的EMAT在不同激發(fā)頻率下S0模態(tài)蘭姆波幅值變化情況。不同螺旋線圈外徑的EMAT具有不同的最佳激發(fā)頻率,且該最佳激發(fā)頻率會(huì)隨著螺旋線圈外徑的增加而減小。將不同螺旋線圈外徑的EMAT在各自最佳激發(fā)頻率時(shí)的S0模態(tài)信號(hào)幅值和信噪比數(shù)據(jù)提取并繪制曲線,如圖5(c)所示,S0模態(tài)信號(hào)幅值隨著螺旋線圈外徑增加而增加。而S0模態(tài)信號(hào)信噪比呈現(xiàn)出不規(guī)側(cè)的變化規(guī)律,在螺旋線圈外徑為16 mm時(shí),其信號(hào)信噪比最高。因此,改變螺旋線圈外徑大小將直接影響信號(hào)強(qiáng)度。在相同條件下,當(dāng)螺旋線圈外徑增大時(shí),鋁板中的渦流面積增加,從而產(chǎn)生較大的洛倫茲力,從而使蘭姆波強(qiáng)度增加。由于螺旋線圈外徑的變化,信噪比沒有呈現(xiàn)規(guī)律性地增加,這表明通過改變螺旋線圈外徑來改善信號(hào)強(qiáng)度,但并不一定能獲得良好的信號(hào)純度。當(dāng)選擇最合適的螺旋線圈外徑以進(jìn)行損傷檢測時(shí),必須考慮諸如信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)純度和傳感器大小等方面的因素。

表1 不同的螺旋線圈外徑

另外,波長和螺旋線圈外徑之間存在關(guān)系,如圖5(d)所示。利用頻散曲線計(jì)算得到各個(gè)EMAT在最佳激發(fā)頻率下的波長,隨著螺旋線圈外徑的增加,波長呈現(xiàn)線性增加的趨勢,并且螺旋線圈的外徑與波長的比值約為1.2,該比值為確定EMAT最佳激發(fā)頻率和螺旋線圈外徑提供便利。

2.3 螺旋線圈內(nèi)徑優(yōu)化

本小節(jié)設(shè)計(jì)了5種具有不同螺旋線圈內(nèi)徑的EMAT,如表2和圖5(a)所示,研究了螺旋線圈內(nèi)徑對EMAT的影響。在實(shí)驗(yàn)中,除了螺旋線圈的內(nèi)徑以外的所有參數(shù)是一致的。

表2 不同的螺旋線圈內(nèi)徑

圖6(a)顯示了不同頻率下S0模態(tài)蘭姆波幅值隨頻率變化情況。具有不同螺旋線圈內(nèi)徑的EMAT的最佳激發(fā)頻率沒有顯著變化,主要集中在225 kHz～250 kHz范圍內(nèi)。螺旋線圈內(nèi)徑越大,導(dǎo)致S0模態(tài)蘭姆波幅值越小。螺旋線圈內(nèi)徑增加,使得螺旋線圈的有效面積和鋁板中產(chǎn)生的渦流面積都減小。因此,S0模態(tài)蘭姆波幅值降低。如圖6(b)所示,具有不同螺旋線圈內(nèi)徑的EMAT在最佳激發(fā)頻率下的S0模態(tài)幅值隨著內(nèi)徑增加而逐漸減小,當(dāng)螺旋線圈的內(nèi)徑為0 mm時(shí),信噪比最高。當(dāng)內(nèi)徑為14 mm、10 mm和6 mm時(shí),信噪比僅略微變化。然而,當(dāng)內(nèi)徑大于外徑的一半時(shí),信噪比會(huì)急劇下降。

圖6 螺旋線圈內(nèi)徑實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)螺旋線圈內(nèi)徑為0 mm時(shí),S0模態(tài)蘭姆波在信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)純度方面都具有最佳性能。因此,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中使用螺旋線圈內(nèi)徑為0 mm的EMAT進(jìn)行更準(zhǔn)確的損傷檢測。

2.4 EMAT提離距離優(yōu)化

非接觸是電磁超聲換能器最大的優(yōu)點(diǎn)[1-6]。電磁超聲換能器可以在不接觸鋁板的情況下,在鋁板中形成感應(yīng)渦流并激發(fā)蘭姆波。因此,對于待測平板,表面不需要進(jìn)行預(yù)處理測,以減少檢測所需的時(shí)間和精力。提離距離是電磁換能器和鋁板之間的距離,如圖2(c)所示。當(dāng)傳感器的提離距離越大時(shí),傳感器的非接觸性就越好。當(dāng)提離距離足夠大時(shí),EMAT可用于高溫加熱面的在線檢測。因此,研究提離距離對傳感器性能的影響是有意義的。在研究傳感器提離距離的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中,螺旋線圈外徑和內(nèi)徑分別為14 mm和0 mm。S0模態(tài)蘭姆波幅值和信噪比的曲線如圖 7所示。在圖7(a)中,激發(fā)EMAT的提離距離在0～2.2 mm的范圍內(nèi)變化,接收EMAT的提離距離設(shè)定為0 mm。圖7(b)顯示了相反的情況。隨著激發(fā)或接收EMAT的提離距離的增加,S0模態(tài)蘭姆波幅值和信噪比降低。實(shí)驗(yàn)證明了電磁超聲換能器確實(shí)具有非接觸能力。

圖7 S0模態(tài)和信噪比的曲線圖

3 板狀結(jié)構(gòu)損傷成像實(shí)驗(yàn)

由于電磁超聲換能器可以在不使用超聲波耦合劑或粘合劑的情況下在板狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生蘭姆波,本小節(jié)利用優(yōu)化的電磁超聲換能器構(gòu)建虛擬EMAT陣列,通過相控虛擬聚焦成像方法,對帶有通孔的鋁板進(jìn)行損傷成像檢測,研究了陣列間距和陣元數(shù)量對成像結(jié)果的影響。

3.1 相控虛擬聚焦成像算法

本小節(jié)描述的相控虛擬聚焦方法利用單個(gè)固定位置的EMAT作為激發(fā)端,另一個(gè)EMAT通過自由移動(dòng)到多個(gè)預(yù)定義位置構(gòu)成虛擬陣列作為接收端。根據(jù)EMAT陣列陣元到虛擬焦點(diǎn)的距離計(jì)算時(shí)間差,然后將時(shí)間差分配給相應(yīng)的回波信號(hào),用于計(jì)算機(jī)中信號(hào)的虛擬合成[14-17]。合成后,虛擬焦點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)能量聚集現(xiàn)象,從而可以識(shí)別損傷的位置和大小,如圖8所示。

損傷成像需要精確計(jì)算每個(gè)回波信號(hào)疊加的時(shí)間延遲。圖8示出了一維虛擬EMAT陣列的布局,其中T是激發(fā)換能器,點(diǎn)T和點(diǎn)P之間的時(shí)間是固定的。點(diǎn)P是損傷,R是接收換能器,假設(shè)陣列元素n是從點(diǎn)P到接收換能器的最遠(yuǎn)點(diǎn),則每個(gè)接收換能器的時(shí)間延遲計(jì)算如下:

(1)

式中:τi是第i個(gè)陣元的時(shí)間延遲;c是S0模態(tài)蘭姆波的波速;(xn,yn)和(xi,yi)分別是第n個(gè)和第i個(gè)陣元的坐標(biāo)。

圖9 10個(gè)接收換能器陣列具有不同陣元間距的損傷成像(λ=12 mm)

3.2 損傷成像檢測實(shí)驗(yàn)

本小節(jié)實(shí)驗(yàn)中EMAT的螺旋線圈的外徑和內(nèi)徑分別是14 mm和0 mm,鋁板為700 mm×800 mm×1 mm。每次激發(fā)頻率優(yōu)化時(shí),主頻率為450 kHz。當(dāng)激發(fā)頻率為450 kHz時(shí),1 mm厚的鋁板中的S0模態(tài)蘭姆波的傳播速度為5.36 km/s,S0模態(tài)蘭姆波波長λ=12 mm。

為了更好地確認(rèn)傳感器和缺陷位置,建立如圖8的直角坐標(biāo)系。損傷為一個(gè)直徑10 mm的通孔,其坐標(biāo)為(350 mm,550 mm)。激發(fā)端的坐標(biāo)為(400 mm,11 mm),每個(gè)接收換能器陣元的y坐標(biāo)均等于11 mm,即每個(gè)接收換能器陣元平行于激發(fā)換能器。第1個(gè)接收換能器陣元的x坐標(biāo)為x=300 mm,其他接收換能器陣元的x坐標(biāo)基于陣元間距和陣元數(shù)量計(jì)算得到。在實(shí)驗(yàn)中將陣元間距設(shè)置為波長的倍數(shù)。以陣元間距λ=12 mm為例,第16個(gè)接收換能器陣元的坐標(biāo)為(120 mm,11 mm)。

圖8 一維電磁超聲傳感器陣列布局

波場的相位疊加會(huì)隨陣元間距變化而變化。當(dāng)陣元間距過大時(shí),會(huì)產(chǎn)生柵瓣,從而影響損傷成像的對比度。本小節(jié)實(shí)驗(yàn)中接收換能器陣元間距分別取0.5λ、1λ和1.5λ,接收換能器陣元數(shù)量均為10個(gè),損傷成像結(jié)果如圖9所示。圖 9中紅色圓圈代表通孔實(shí)際位置,其坐標(biāo)為(350 mm,550 mm)。接收換能器陣元間距分別取0.5λ、1λ和1.5λ時(shí),損傷成像顯示的通孔坐標(biāo)分別為(530 mm,529 mm),(268 mm,555 mm)和(503 mm,536 mm),損傷位置偏差分別為181.22 mm,82.15 mm和153.64 mm。當(dāng)陣元間距為1λ時(shí),損傷成像偏差最小。

當(dāng)接收換能器陣元間距定為1λ時(shí),分別取接收換能器陣元數(shù)量為10、13和16來研究陣元數(shù)對損傷成像的影響。損傷成像如圖 10所示。在圖 10中,陣元數(shù)量為10、13和16的損傷成像通孔的位置坐標(biāo)(268 mm,555 mm),(344 mm,560 mm)和(350 mm,555 mm),而通孔的實(shí)際位置坐標(biāo)(350 mm,550 mm),相應(yīng)的位置偏差分別為82.15 mm,11.66 mm和5 mm。隨著陣元數(shù)量增加,損傷位置偏差減小,成像的準(zhǔn)確性得以提高。當(dāng)陣元數(shù)量為16時(shí),損傷位置偏差僅為5 mm,小于通孔的半徑(直徑等于10 mm),表明通孔成像位置和實(shí)際位置完全吻合。

圖10 接收換能器陣元間距為1λ時(shí)不同陣元數(shù)量的損傷成像

4 結(jié)論及展望

本文設(shè)計(jì)了一種基于洛倫茲力的電磁超聲換能器,該電磁超聲換能器由螺旋線圈和圓柱形永磁體組成,適用于非鐵磁性板狀結(jié)構(gòu)的全周向檢測。另外,利用該電磁超聲換能器構(gòu)建虛擬電磁超聲換能器陣列損傷檢測系統(tǒng),通過激發(fā)單一S0模態(tài)蘭姆波,實(shí)現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)損傷成像檢測。實(shí)驗(yàn)研究了EMAT配置參數(shù)對S0模態(tài)蘭姆波信號(hào)強(qiáng)度和信噪比的影響規(guī)律,包括激發(fā)頻率、螺旋線圈外徑、螺旋線圈內(nèi)徑和提離距離等參數(shù),得到的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果:①不同配置參數(shù)的EMAT具有不同的最佳激發(fā)頻率,在最佳激發(fā)頻率下可以獲得有更高的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比;②螺旋線圈的外徑對EMAT的性能有很大的影響,螺旋線圈外徑通常是最佳激發(fā)頻率下S0模態(tài)蘭姆波波長的1.2倍;③當(dāng)螺旋線圈內(nèi)徑為0時(shí),EMAT在信號(hào)強(qiáng)度和信噪比方面表現(xiàn)最好;④增加提離距離會(huì)降低EMAT的性能,但是EMAT能夠在適當(dāng)?shù)奶犭x距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)非接觸無損檢測。換能器陣元間距和陣元數(shù)量對損傷成像有影響,當(dāng)陣元間距等于S0模態(tài)蘭姆波波長時(shí),損傷成像效果最佳。隨著陣元數(shù)量的增加,損傷處能量聚焦效果更好,損傷檢測更準(zhǔn)確。

[1] Hirao M,Ogi H. EMATs for Science and Industry:Noncontacting Ultrasonic Measurements[M]. Springer Science and Business Media,2013.

[2] Giurgiutiu V. Structural Health Monitoring:With Piezoelectric Wafer Active Sensors[M]. Academic Press,2007.

[3] 劉增華,謝穆文,鐘栩文,等. 超聲導(dǎo)波電磁聲換能器的研究進(jìn)展[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,43(2):192-202.

[4] 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(shí)別[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(4):909-916.

[5] 孫斐然,孫振國,張文增,等. 基于洛倫茲力機(jī)制的電磁超聲發(fā)射換能器的建模與優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(6):12-21.

[6] 譚良辰,吳運(yùn)新,石文澤,等. 鋁板縱波電磁超聲檢測中電磁鐵的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(6):813-820.

[7] 楊理踐,鄒金津,邢燕好. 電磁超聲蘭姆波換能器在金屬板檢測中的優(yōu)化[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(5):537-542.

[8] 楊理踐,李春華,高文憑,等. 鋁板材電磁超聲檢測中波的產(chǎn)生與傳播過程分析[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(6):1218-1223.

[9] 焦敬品,劉文華,曾憲超,等. 周向一致蘭姆波電磁超聲換能器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2010(6):1387-1393.

[10] Huang S,Wei Z,Zhao W,et al. A New Omni-Directional EMAT for Ultrasonic Lamb Wave Tomography Imaging of Metallic Plate Defects[J]. Sensors,2014,14(2):3458-3476.

[11] 范吉志,吳運(yùn)新,石文澤,等. 電磁超聲換能器線圈設(shè)計(jì)與提高換能效率研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(1):29-34.

[12] 江念,王召巴,陳友興,等. 電磁超聲檢測鋼板厚度實(shí)驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(4):498-502.

[13] Kang L,Zhang C,Dixon S,et al. Enhancement of Ultrasonic Signal Using a New Design of Rayleigh-Wave Electromagnetic Acoustic Transducer[J]. NDT&E International,2017,86:36-43.

[14] 焦敬品,楊敬,何存富,等. 基于虛擬聚焦的板結(jié)構(gòu)蘭姆波換能器陣列檢測方法研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(8):12-20.

[15] 田振華,徐鴻,李鴻源,等. 基于單激發(fā)端多接收端壓電陣列的板內(nèi)損傷檢測[J]. 中國機(jī)械工程,2014,(22):3077-3080,3087.

[16] Yu L,Leckey C A C. Lamb Wave-Based Quantitative Crack Detection Using a Focusing Array Algorithm[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2013,24(9):1138-1152.

[17] Ambroziński?,Stepinski T,Uhl T. Efficient Tool for Designing 2D Phased Arrays in Lamb Waves Imaging of Isotropic Structures[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2015,26(17):2283-2294.

郭鵬(1986-),男,河南滎陽人,博士研究生,主要研究方向?yàn)槌晫?dǎo)波檢測技術(shù),guopeng0228@163.com;

徐鴻(1959-),男,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和超聲無損檢測技術(shù),xuhong@ncepu.edu.cn。

OptimalDesignofElectromagneticAcousticTransducerandApplicationResearchofDamageImagingforPlate-LikeStructures*

GUOPeng,XUHong*,TIANZhenhua,DENGBo,LANXiang,CHENXianhui

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

This paper presents a virtual electromagnetic acoustic transducer(EMAT)array for damage imaging in plate-like structures. The EMAT,consisting of planar spiral coils and cylindrical permanent magnets,can efficiently excite low-dispersive and high-amplitude singleS0mode Lamb wave through the Lorentz force in aluminum plates. The effects of EMAT configurations parameters(such as excitation frequency,outer diameter of the spiral coil,inner diameter of the spiral coil and lift-off distance)on the performance of excitedS0mode are investigated experimentally. In addition,a virtual transducer array can be constructed by moving the receiving EMAT to multiple pre-defined locations for sensing Lamb waves. The effects of array element spacing and array element number on the imaging result are investigated. The result shows that the imaging result of the EMAT array agrees well with the actual crack location by phased virtual focus imaging method.

electromagnetic acoustic transducer;Lorentz force;optimal design;S0mode;damage detection;array imaging

TB552;TB559

A

1004-1699(2017)11-1758-08

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51134016,11074073);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2016XS25)

2017-08-29修改日期2017-09-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.024