激光-電磁超聲一體式系統(tǒng)電磁超聲結構優(yōu)化

袁 偉，劉 澤，趙鵬飛，霍繼偉，李俊杰

(1.北京交通大學電子信息學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院標準計量研究所，北京 100081)

0 引言

超聲技術是現(xiàn)階段無損檢測最常用的手段。由于激光超聲技術和電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)不需要耦合劑，且不需要與被測試件接觸，所以應用在不同行業(yè)[1-3]。但是也有不足，例如研究者一般使用激光干涉儀去接收激光所激發(fā)的各種模式的超聲波，而激光干涉儀不僅價錢昂貴，增加了測量成本，并且對周圍工作環(huán)境要求較高，不適用于工業(yè)生產(chǎn)或鋼軌探傷中[4]；電磁超聲波換能效率較低，盡管很多研究者都對探頭結構進行調整，但均無法徹底解決這一問題[5-6]。因此，利用激光超聲激發(fā)超聲波，電磁超聲傳感器接收超聲波，使用將2種技術相融合形成的一體式傳感器裝置對被測試件實現(xiàn)無損檢測。該一體式裝置利用激光超聲技術可以同時激發(fā)出多種波形，使用電磁超聲傳感器同時接收兩種波形，獲得金屬板寬度和深度信息，實現(xiàn)表面和內部的同時探傷。

根據(jù)電磁超聲傳感器的接收原理[7]，使用縱向充磁的電磁超聲傳感器實現(xiàn)激光所產(chǎn)生各種模式超聲波的接收。為了消除電磁超聲傳感器的自激振蕩，提高傳感器的換能效率，有研究者提出在永磁體周圍包圍銅箔的方法[8]，但是此方法仍會在銅箔表面產(chǎn)生超聲波并向磁體內部傳播，影響傳感器換能效率。本文提出在銅箔和永磁體之間增加泡沫緩沖層的方法抑制超聲波向磁體內部傳播，消除磁鐵的感應電流，為電磁超聲傳感器設計和激光-電磁超聲一體式裝置的設計提供了重要經(jīng)驗。

1 激光-電磁超聲一體式系統(tǒng)原理

1.1 激光-電磁超聲一體式系統(tǒng)結構

激光-電磁超聲一體式裝置是由激光器和電磁超聲傳感器兩部分組成，其工作模式就是用激光器激發(fā)各種模式的超聲波，用電磁超聲去接收由于缺陷等因素的存在而反射回被測試件表面的回波。如圖1所示，為激光-電磁超聲一體式探傷系統(tǒng)的工作原理圖。

圖1 激光-電磁超聲一體式探傷系統(tǒng)結構

當激光激發(fā)出光源穿過聚焦透鏡及永磁體的正中央，輻射到EMAT接收線圈中間處的被測試件表面。根據(jù)激光超聲技術原理[9]，粒子面內振動分量下主要會產(chǎn)生如圖1所示3種模式的超聲波：橫波、縱波和瑞利波。當各種模式超聲波經(jīng)過反射返回至被測試件表面時，在偏置磁場的作用下，由超聲波引起振動的粒子會被線圈所感應并在跑道線圈中生成電壓信號。根據(jù)電磁超聲傳感器激發(fā)和接收原理，垂直方向磁場和跑道型線圈相結合可以接收面內振動分量[7]。如圖1所示永磁鐵為縱向充磁磁鐵。

1.2 激光-電磁超聲一體式系統(tǒng)數(shù)學模型

激光輻射至被測試件表面會產(chǎn)生局部溫度突然上升，導致熱膨脹，在被測試件表面產(chǎn)生不同方向的膨脹力，并使被測試件內部的粒子產(chǎn)生位移。其過程可以表示為[9]

(1)

式中：ρ為被測試件的材料密度；Cv為被測材料的比熱容；T為溫度場；K為被測試件的導熱系數(shù)；Q為熱源。

(2)

式中：u為被測試件的位移；λ和μ為梅拉常數(shù)；α為熱膨脹系數(shù)。

當超聲脈沖返回被測試件表面時，會引起試件中粒子的振動。將產(chǎn)生垂直方向磁場的永磁鐵和跑道型線圈組合可以接收粒子的面內振動速度[8]。所以，在靜磁場作用B0下，由振動速度v引起渦流J的過程可以表示為[8]

(3)

式中σ是被測試樣的電導率。

當已知渦流J，則跑道型接收線圈與試件滿足控制方程為

(4)

式中μt和A分別為被測試件的磁導率和磁矢勢。

將J看作輸入，通過式(4)即可求得矢量磁位A，從而得到線圈中的感應電壓：

(5)

式中l(wèi)和Ω分別為接收線圈的長度和截面積。

2 激光-電磁超聲一體式裝置可行性分析

利用多物理場耦合有限元仿真軟件建立如圖2所示的激光-電磁超聲一體式裝置的有限元仿真模型，其中激光激發(fā)超聲波的部分主要由激光源構成，電磁超聲傳感器接收部分主要由永磁體、跑道型線圈、被測試件(鋁板)構成。圖2中，a為2倍的源半徑；b為2倍的線半徑；c為內半徑；d為線間距；e為永磁體和線圈提離距離；f為線圈與被測試件提離距離。將所有元件置于空氣域內，模擬該一體式裝置工作在空氣中。然后，通過固體傳熱模塊實現(xiàn)模擬激光源輻射至被測試件表面并使其溫度升高并產(chǎn)生膨脹力的過程，使用固體力學模塊觀察超聲波在被測試件中的傳播情況，磁場模塊實現(xiàn)電磁傳感器對超聲的接收過程。最后，使用多物理場耦合接口，將3個模塊相互耦合起來。永磁鐵中的剩余磁通密度為1.2 T，方向為垂直于被測試件向下。仿真模型中關鍵結構參數(shù)如表1中所示。

圖2 激光-電磁超聲一體式裝置仿真模型

表1 有限元模型關鍵參數(shù)

激光產(chǎn)生的超聲波類型和強度在不同的分量表示下有所差異[10]，但是本文設計的電磁超聲傳感器主要接收粒子的面內振動，所以本文僅研究激光超聲面內振動速度分量下的傳播情況。假設，被測試件中無缺陷存在，則經(jīng)過計算后，激光在被測試件中產(chǎn)生了如圖3所示的超聲波，瑞利波沿被測試件表面?zhèn)鞑?，橫波以一定角度向下傳播，縱波呈發(fā)散式傳播(該波垂直于被測試件90°方向強度為0)。此傳播規(guī)律與圖1理論分析相一致，驗證仿真模型的正確性。同時，可得如圖4所示一體式裝置接收信號。圖中可清晰辨別瑞利波回波(瑞利波傳播至被測試件左右邊界，而后被反射回至電磁超聲傳感器線圈正下方并被線圈接收的信號)、縱波的一次回波(縱波傳播至下表面邊界而后被反射至電磁超聲傳感器線圈正下方并被接收的信號)、縱波二次回波和橫波回波的疊加(由于橫波是縱波速度的一半，所以縱波二次回波和橫波的一次回波幾乎同時到達被測試件表面)等信號。從圖4中可得瑞利波和縱波的渡越時間，再根據(jù)2種波型的速度即可獲得表面和內部的信息。

(a)3.5 μs

(b)6.5 μs

(c)12.2 μs圖3 不同時刻面內振動分量下激光產(chǎn)生的超聲波

圖4 激光-電磁超聲一體式裝置接收信號

3 電磁超聲傳感器的優(yōu)化

為了提高換能效率，研究者針對電磁超聲傳感器的永磁鐵結構、線圈的線間距、線半徑、線圈與被測試件的提離距離等結構參數(shù)不斷進行優(yōu)化[5-6,10-12]，但是忽略了各部件之間的相互影響是提高電磁超聲傳感器換能效率的關鍵因素。

3.1 銅箔及泡棉層對EMAT換能效率的影響

電磁超聲傳感器對超聲波的激發(fā)和接收均是基于法拉第電磁感應定律實現(xiàn)的，而永磁鐵也屬于導電材質，所以會產(chǎn)生如圖5(a)所示現(xiàn)象。當電磁超聲傳感器作為超聲波的激勵源時，跑道型線圈通入一定頻率的電流后，會在被測試件內和永磁體內同時產(chǎn)生感應渦流，并在永磁鐵內部和被測試件內分別產(chǎn)生超聲波。這不僅降低了激發(fā)超聲波的效率，而且當兩路超聲波同時返回至跑道型線圈附近會導致接收信號混亂；當電磁超聲傳感器作為接收器時，由超聲振動引起的動態(tài)磁場不僅會在線圈內產(chǎn)生感應電壓，同時感應電壓也會在永磁鐵內部產(chǎn)生。所以，有研究者針對電磁超聲傳感器磁鐵自激振蕩消除方法進行研究[8]，提出用鋁箔包圍磁鐵來減弱自激振蕩。如圖5(b)所示，雖然消除了永磁體內部產(chǎn)生的磁場，但是銅箔仍處于磁場中，銅箔中的電流在磁場的作用下仍會產(chǎn)生超聲波，并向永磁體內傳播。為了徹底解決這一問題，提出如圖5(c)所示使用泡棉雙面膠，粘貼于銅箔和永磁鐵底部之間以起到減振的效果。

(a)無銅箔

(b)有銅箔

(c)有銅箔和泡棉雙面膠圖5 電磁超聲傳感器有無銅箔分析

為了驗證理論分析的正確性，利用有限元仿真模型對比3種結構下接收信號差異。對比圖6 3種結構，被測試件的偏置磁場分布幾乎完全相同，這說明銅箔和泡棉雙面膠僅起到隔離電磁場的作用，而不影響偏置磁場分布，與理論分析相一致。

(a)無銅箔

(b)有銅箔

(c)有銅箔和泡棉雙面膠圖6 有銅箔和無銅箔磁場的對比分析

但是，當對3種接收信號對比時，有限元仿真模型中跑道型線圈接收信號也無明顯差別。這是因為，在有限元仿真模型中，僅考慮理想狀態(tài)下物理場之間的相互作用，而各元件之間的電磁干擾現(xiàn)象不被考慮在計算內，故仍需實驗驗證不同結構接收信號的差異性。

3.2 永磁體與線圈之間的提離距離對換能效率的影響

已知線圈與被測試件的提離距離與換能效率之間呈反比關系[7]。但是，經(jīng)過多次試驗，永磁體與線圈之間的提離距離與換能效率有關且不同尺寸的永磁鐵呈現(xiàn)規(guī)律不同。如圖7所示為有限元仿真軟件中，當永磁鐵為35 mm×35 mm×35 mm時，永磁體與線圈之間不同提離距離接收信號對比。從圖7中可以看出，當永磁體與線圈相接觸時，接收電壓信號很小，但是隨著兩者提離距離的增加，回波信號逐漸增強。但當提離距離大于1.2 mm時接收電壓呈下降趨勢。

圖7 不同回波接收電壓強度隨永磁鐵和線圈之間提離距離變化

4 實驗驗證分析

通過仿真模型驗證一體式裝置的可行性后，本文對電磁超聲傳感器結構進行進一步優(yōu)化，所以為了驗證電磁超聲傳感器優(yōu)化部分理論分析和有限元模型的正確性，搭建了如圖8所示電磁超聲傳感器自發(fā)自收實驗平臺。

圖8 電磁超聲傳感器自發(fā)自收實驗平臺

將使用柔性電路板自制的跑道型線圈接入CTS-409電磁超聲測厚儀中，并將產(chǎn)生垂直于被測試件方向磁場，體積為35 mm×35 mm×35 mm的N52永磁體與跑道型線圈相結合放置于50 mm×80 mm×30 mm鋁板的正上方(由于該磁鐵為激光-電磁超聲一體式裝置特制磁鐵，故在中間有一個孔，方便激光線源的穿過)。

4.1 銅箔對電磁超聲換能效率的影響

如圖9所示為，為尺寸和充磁強度完全相同的有銅箔和無銅箔包裹的2種永磁鐵，以及在銅箔和永磁鐵底部之間粘貼一層泡沫棉雙面膠的永磁鐵。利用特斯拉計測量三者磁場強度，均為0.57 T。分別將兩磁鐵放置于跑道線圈上方，觀察在3種結構下，接收信號的差異。

(a)無銅箔 (b)僅有銅箔包裹 (c)銅箔底層內有3M泡沫膠緩沖層圖9 有銅箔和無銅箔包裹的兩種永磁鐵

調整CTS-409屏幕，使一次、二次及三次回波均顯示在屏幕上。從圖10中可以看出，在保持增益相同的情況下，使用有銅箔包裹的永磁鐵去激勵和接收超聲波，其回收信號強度大于無銅箔包裹的永磁鐵。而當永磁鐵與銅箔之間粘貼一層泡沫膠，則會增強信號強度，此結論與理論分析相一致。

(a)無銅箔

(b)有銅箔

(c)有銅箔和泡沫膠圖10 使用不同永磁鐵接收信號對比圖

4.2 永磁體與線圈之間的提離距離對換能效率的影響

將A4紙剪裁成線圈大小形狀，并將其放置于被銅箔包裹的永磁鐵和線圈之間,通過疊加其數(shù)量來控制提離距離。圖11為不同提離距離時，接收信號的對比圖。

(a)提離距離為0 mm

(b)提離距離為0.2 mm

(c)提離距離為0.4 mm

(d)提離距離為0.8 mm

(e)提離距離為1.2 mm

(f)提離距離為1.6 mm圖11 永磁體與線圈之間不同提離距離接收信號對比

在保證增益及靈敏度不變的情況下，接收信號強度及其信噪比隨著提離距離的增大先增大后減小。其中，變化最明顯的是一次回波信號，當提離距離小于0.8 mm或大于1.2 mm時，幾乎無法識別一次回波。但是，當提離距離大于0.2 mm時，就可清楚地識別二次和三次回波信號，所以可以僅使用二次和三次回波實現(xiàn)厚度測量。觀察二次和三次回波強度，在實驗系統(tǒng)中當永磁體和線圈之間保持在0.8 mm左右的提離距離信噪比最佳。這是因為A4紙之間有氣隙的存在，所以實驗中永磁體與線圈之間的實際距離大于0.8 mm。所以，在制作傳感器時，將永磁體和線圈的提離距離保持在0.8～1.2 mm之間即可。

5 結論

為了研制激光-電磁超聲一體式探傷系統(tǒng)，本文針對該裝置建立有限元仿真模型，驗證了該裝置的可行性。同時，結合仿真分析及實驗驗證得出結論：利用銅箔包圍永磁鐵且在銅箔和永磁鐵之間粘貼泡沫層去激勵和接收超聲波可以減少永磁鐵內感應電流、阻斷超聲波傳播，增強電磁超聲傳感器的換能效率。同時，當永磁鐵和線圈提離距離保持在0.8～1.2 mm之間時，接收線圈接收信號的可識別性最好、信號強度最大。