基于Halbach原理的電磁超聲換能器永磁鐵設(shè)計*

唐東林,侯 軍

(西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院,成都 610500)

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中,無損檢測[1]NDT(nondestructive testing)的地位顯得越來越重要。盛行的無損檢測方法包括超聲波檢測、射線檢測、漏磁檢測、渦流檢測和滲透檢測。其中壓電式超聲波檢測[2]PET(Piezoelectric Transducer)由于其方向性好、穿透能力強、能量高、對人體無傷害等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在金屬材料的厚度測量、缺陷檢測等領(lǐng)域。PET是由電壓激勵壓電陶瓷或壓電晶體產(chǎn)生超聲波,此波作用于被檢測材料并發(fā)生反射,并通過接收處理回波信號來實現(xiàn)測厚。PET的優(yōu)點是檢測效率高,操作方便,探頭體積小,然而,它最大的缺點是必須使用聲耦合劑,這就限制了它在一些惡劣檢測環(huán)境(如高溫、高速、腐蝕環(huán)境)中的應(yīng)用。由于EMAT具有無需聲耦合劑、試件不需要進行檢測前處理、波形轉(zhuǎn)換靈活等優(yōu)點,因此EMAT具有更廣闊的應(yīng)用前景[3-5],但是和PET相比,EMAT的低信噪比限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[6],因此研究如何提高其信噪比是研究的重點。

國內(nèi)外學(xué)者對如何提高EMAT轉(zhuǎn)換效率做了大量研究。張闖等用最大電流幅值為2 600 A的電流去激發(fā)電磁超聲的發(fā)射試驗,得出了電磁超聲發(fā)射信號的幅值、能量及頻譜特征隨加載電流的幅值、脈沖寬度以及加載歷史等參數(shù)的變化規(guī)律[7]。賈曉娟等用兩個內(nèi)外嵌套的永磁鐵和一個雙螺旋線圈對EMAT進行了改進,仿真與實驗結(jié)果顯示,新型EMAT的信噪比大約是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1.96倍[8]。李鵬等設(shè)計出了一種功率可調(diào)節(jié)的電源,解決了EMAT功率大的問題,適用于鋼板或鋼管的缺陷檢測[9]。龐煒涵等研制出了一種電磁超聲傳感器,其高頻脈沖使用UCC3895作為信號源,IR2110作為全橋可逆電路驅(qū)動芯片。通過實驗驗證,該裝置可以很好地在鋁板上激發(fā)超聲波并能夠接收到信號[10]。

電磁超聲傳感器的主要部件是線圈和磁鐵,采用電磁感應(yīng)原理通過發(fā)射探頭在試件表面產(chǎn)生超聲波,并通過接收探頭接收回波完成對試件的測厚。然而,由于EMAT的轉(zhuǎn)換效率低,進而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的信噪比低,這嚴(yán)重影響了電磁超聲傳感器的實際應(yīng)用。利用式(1)可以有效分析影響電磁超聲換能器信噪比的相關(guān)因素,從而采取相應(yīng)的措施,其公式如下[11-14]:

(1)

式中,VEMAT是接收線圈接收到的電壓信號(V),Vnoise是接收線圈接收到的噪音信號(V),P0是EMAT的功率(W),N是單位長度線圈的軋數(shù),B是磁感應(yīng)強度(T),A是檢測范圍的面積(m2),ZS是超聲波的聲阻抗(Ω),K是一個常數(shù),T是檢測溫度(K),β是帶寬(Hz),REMAT是線圈的電阻(Ω),α是幾何形狀因子,h是線圈與被檢測物體之間的提離距離(m),D是線圈直徑(m)。

Paul D[15]提出了一個全方位的導(dǎo)波傳感器,它由16個內(nèi)部環(huán)形陣列的發(fā)射器和32個外部環(huán)形陣列的接收器組成,通過仿真與實驗驗證,此模型明顯提高了接收信號的幅度。Dhayalan R[16]用蛇形線圈在薄鋁板上激發(fā)蘭姆波,并研究了蘭姆波在槽型缺陷上面的耦合方式,通過實驗與仿真對比,新型結(jié)構(gòu)能夠提高接收信號的幅度和信噪比。Hong Min seung[17]設(shè)計了一個新型模型,它由兩個環(huán)形磁鐵嵌套和一組徑向纏繞的線圈組成,通過理論計算、有限元仿真、實驗驗證,優(yōu)化出了最合理的結(jié)構(gòu)并提高了接收信號的幅度。除此之外,學(xué)者們對EMAT的參數(shù)的影響及其優(yōu)化方面也做了大量工作,比如磁鐵的尺寸、線圈的幾何特征、提離距離的影響等[18-19]。然而,在上述方法中,增大電流強度雖然可以增大接收信號的幅度,但是同時也帶來了極大的安全隱患。比如在檢測大型儲油罐時,強大的靜電可能造成爆炸,甚至造成人員傷亡。

然而,直到現(xiàn)在,幾乎沒有文獻用基于Halbach原理陣列的永久磁鐵方法來對EMAT的永久磁鐵部分進行改進,在要求探頭結(jié)構(gòu)緊湊的同時,磁場強度對轉(zhuǎn)換效率起著不可替代的作用。

圖1 充磁方向

這篇文章提出一種新型永久磁鐵結(jié)構(gòu)來增強偏置磁場的強度,提高接收信號的幅度。圖1(a)包含了新型EMAT外形結(jié)構(gòu),包括由6個方形永久磁鐵組成的Halbach陣列。由式(1)可以得出,信噪比與磁感應(yīng)強度的平方成比例,因此本論文主要對永久磁鐵結(jié)構(gòu)進行選擇及尺寸優(yōu)化。

1 新型EMAT的外形結(jié)構(gòu)和大量仿真

這一部分,將對傳統(tǒng)的EMAT和改進的EMAT永久磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸做出詳細(xì)說明,傳統(tǒng)的EMAT只包括兩個條形永磁鐵拼接,而改進的EMAT是基于Halbach陣列的6個邊長為10 mm的永久磁鐵。為了驗證新型結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,采用了Comsol Multiphysics有限元仿真軟件。由于3-D仿真模型對電腦的性能要求高和仿真時間過長,因此本次仿真采用了2-D仿真模塊。通過大量的仿真圖形分析和計算,新型的結(jié)構(gòu)能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強度,并且具有明顯的單邊效應(yīng)[20],從而提高整個換能器的信噪比。

1.1 基于Halbach原理的電磁超聲換能器永久磁鐵設(shè)計

由圖2所示,對激發(fā)線圈施加一個高頻脈沖電流,試件的表面感應(yīng)出大小相同、方向相反的渦流,此渦流在外部偏置磁場的作用下產(chǎn)生洛倫茲力,周期變化的洛倫茲力促進試件晶粒的高頻振動從而產(chǎn)生超聲波。此過程完成了電磁超聲波的激發(fā),接收過程是其逆過程。新型結(jié)構(gòu)包括一個基于Halbach原理的永磁鐵陣列,各個磁鐵的充磁方向如圖1(a)所示。電磁超聲檢測包含3種機制,洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力機制,檢測鐵磁性材料時3種機制都起作用,非鐵磁性材料的檢測只包含洛倫茲力機制。這里,由于選擇了鋁板作為被檢測材料,所以將忽略磁致伸縮力和磁化力機制的作用。

圖2 EMAT探頭剖面簡圖

1.2 基于靜態(tài)磁場的理論計算

這一部分,將對傳統(tǒng)的永磁鐵和基于Halbach陣列永久磁鐵結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強度做出理論計算與仿真。

在永久磁鐵區(qū)域,有以下關(guān)系式:

×H=0

(2)

這里將H表示為一個標(biāo)量函數(shù)的梯度,有如下關(guān)系:

H=-φm

(3)

由靜態(tài)磁場強度和靜態(tài)磁感應(yīng)強度的本構(gòu)關(guān)系:

B=μH+μ0M0=μH+Br

(4)

式中,μ是磁媒介質(zhì)的磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率;M0為剩余磁化強度;B為磁感應(yīng)強度;Br為永磁體內(nèi)的剩余磁感應(yīng)強度。

聯(lián)合麥克斯韋方程:

·B=0

(5)

可以化簡得到如下方程:

μ2φm=-μ0·M0

(6)

由于有限大小的永磁鐵在空間產(chǎn)生的磁場可以看做是按某種規(guī)律分布的磁荷在空間產(chǎn)生的磁場的疊加,即可將有限大小的永磁體等效為按一定規(guī)律分布的磁荷,得到如下方程:

ρm=-μ0·M0

(7)

ρm是體磁荷密度;對于基于Halbach原理充磁的永久磁鐵,M0為常量,因此得到:

ρm=0

(8)

因此,式(5)化簡為:

μ2φm=0

(9)

圖3 兩種永久磁鐵結(jié)構(gòu)仿真圖

1.3 基于靜態(tài)磁場的仿真

為了更好的比較兩個磁鐵的性能的差別,采用了控制變量法。使兩個永久磁鐵的體積相同,第1個永久磁鐵使用的是10 mm×10 mm×30 mm的兩個小磁鐵拼接而成,第2個是基于Halbach原理的永久磁鐵采用邊長為10 mm的6個正方形磁鐵拼接而成。被檢材料采用長和寬均為100 mm,高為10 mm的鋁板,其尺寸參數(shù)見表1。

表1 磁鐵與被檢測件的尺寸參數(shù)

用Comsol Mutiphysics軟件的二維仿真模塊對模型進行仿真,充磁方式如圖1(a)、1(b)所示,其探頭整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖3顯示了兩種情況下永磁鐵的磁場強度分布,箭頭代表磁場的方向,實線代表磁鐵下冊1 mm處的磁感應(yīng)強度,虛線則代表磁鐵上側(cè)1 mm處的磁感應(yīng)強度。由圖3(a)、3(c)可以看出,磁鐵1的磁場強度曲線主要分布在磁鐵的中間和兩端,中間出現(xiàn)了兩個峰值,磁感應(yīng)強度達到1.2 T,這是由于磁感應(yīng)線在此形成了閉合回路,其平均磁感應(yīng)強度在磁鐵下表面1 mm處為0.66 T,上表面1 mm處的平均磁感應(yīng)強度為0.75 T,下表面1 mm處的平均磁感應(yīng)強度為上表面相同位置上的88%?；贖albach原理的磁鐵2由圖3(b)、3(d)得到,磁鐵出現(xiàn)6個明顯的峰值,最大磁感應(yīng)強度甚至達到2.1 T,其磁鐵下側(cè)1 mm 處的平均磁感應(yīng)強度為0.92 T,然而其磁鐵上側(cè)1 mm處的磁感應(yīng)強度卻只有0.5 T。強磁側(cè)的磁感應(yīng)強度是弱側(cè)的1.84倍,具有很好的單邊效應(yīng)。通過對比分析,磁鐵1和磁鐵2都可以提升磁鐵磁感應(yīng)強度,但是磁鐵1沒有很好的單邊效應(yīng),磁鐵2恰好具有這一優(yōu)點,這對提高電磁超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率是非常有利的。

值得注意的是,磁鐵的充磁均為1.42 T,從圖3(c)、3(d)可以并通過平均計算得出,磁鐵2在下側(cè)1 mm出的平均磁感應(yīng)強度是0.66 T、0.92 T。對比表格如表2所示。

表2 磁鐵特性的對比

由式(1)可以看出,在保證其他參數(shù)不變的情況下,信噪比與磁感應(yīng)強度的平方成比例,理論計算新型結(jié)構(gòu)的信噪比是傳統(tǒng)換能器的1.9倍。因此,新型的永磁鐵結(jié)構(gòu)能夠明顯的提高電磁超聲傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

圖4 永久磁鐵的提離距離測試實驗

2 新型EMAT的提離優(yōu)化

基于以上分析,可以得出基于Halbach原理的永久磁鐵陣列可以達到很好的效果。因此這一部分主要對永久磁鐵陣列提離距離進行研究,選取了單個永磁鐵的厚度范圍為0～5 mm以1 mm的步長遞增,用特斯拉計測試了10 mm×10 mm×10 mm的磁鐵的提離特性,觀察其磁感應(yīng)強度隨著提離距離的變化,測試方法如圖4所示。

由圖5可以得出,磁感應(yīng)強度隨著磁鐵高度的增大而減弱,當(dāng)提離距離為2 mm后,磁感應(yīng)強度為300 mT,適合EMAT的磁場激勵。通過MATLAB的計算,得出誤差的平方和為3.22×103,實驗測試的提離效應(yīng)與仿真曲線有所偏離,是因為磁鐵的工作面磁場分布不均勻?qū)е碌?檢測位置有所偏差都會帶來一定的影響。而且磁鐵邊緣都會有邊界效應(yīng),也會對結(jié)果造成一定的誤差。當(dāng)提離為2 mm的時候,再次增大提離距離就會導(dǎo)致磁感應(yīng)強度過小,而過小的提離距離又會導(dǎo)致EMAT的信號不穩(wěn)定,因此選定2 mm作為合適的提離距離。

圖5 磁場強度隨提離距離的變化曲線

選擇邊長為10 mm的永久磁鐵仿真,提離距離為2 mm,可以看出圖像中磁鐵的強磁側(cè)有4個峰值,磁鐵的單邊效應(yīng)明顯,其最大磁感應(yīng)強度達到0.95 T,符合實際檢測的需求,證明新型的改進是合理的。

3 實驗驗證

本實驗用RAM-5000作為信號的激勵源,如圖6所示。用螺旋線圈為激發(fā)線圈,采用基于Halbach原理的永久磁鐵陣列,其參數(shù)與仿真的數(shù)據(jù)一致,采用鋁板作為被測試件,實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 電磁超聲激發(fā)設(shè)備RAM-5000

圖7 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)的接收信號

通過圖7(a)、7(b)對比可以看出,接收信號很好的反映了鋁板的厚度,改進模型的信噪比是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1.77倍。仿真和實驗的誤差為6.8%,產(chǎn)生的原因在于實驗時磁鐵與線圈的相對位置以及提離距離不準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文選擇了兩種磁鐵對EMAT的永久磁鐵進行改進,通過對比發(fā)現(xiàn)基于Halbach原理的永久磁鐵更符合設(shè)計的需求。最后選擇了基于Halbach的永久磁鐵并對其進行優(yōu)化,磁鐵的提離距離從0 mm～5 mm 以1 mm的步長遞增變化,通過MATLAB曲線擬合與實驗驗證,發(fā)現(xiàn)當(dāng)提離距離為2 mm的時候,設(shè)計模型的磁感應(yīng)強度滿足探頭磁場需求和體積小的要求。通過有限元軟件Comsol Multiphysics的大量仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)果顯示,新型永久磁鐵的EMAT結(jié)構(gòu)能夠有效提高接收信號的幅度,信噪比是傳統(tǒng)EMAT結(jié)構(gòu)的1.9倍,實驗很好的驗證了仿真的結(jié)果,兩者的誤差為6.8%,證明了新型結(jié)構(gòu)的可行性與合理性。