基于有限元仿真的電磁超聲參數(shù)優(yōu)化分析

齊光峰，王安泉，楊 超，王 凱，王凱月

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

體波EMAT 不僅可以方便地激發(fā)出超聲橫波，而且可以在高溫、高速條件下實(shí)現(xiàn)板材的高速、在線檢測。然而，體波EMAT 存在電磁超聲信號(hào)弱和波型轉(zhuǎn)換引入干擾波的不利影響[1]。信號(hào)強(qiáng)弱影響缺陷的檢測能力，干擾波信號(hào)會(huì)影響缺陷回波的判斷[2]。因此，在對體波EMAT 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮這2 方面因素。

為比較干擾波信號(hào)的強(qiáng)弱，定義接收電壓中橫波-縱波信號(hào)比和橫波-轉(zhuǎn)換波信號(hào)比分別為：

式（1）（2）中：ηS，P為橫波-縱波信號(hào)比；ηS，（SP）為橫波-轉(zhuǎn)換波信號(hào)比；ASSmax為橫波信號(hào)最大值，ASSmin為橫波信號(hào)最小值；APPmax為縱波信號(hào)最大值，APPmin為縱波信號(hào)最小值；APSmax+ASPmax為轉(zhuǎn)換波信號(hào)最大值，APSmin+ASPmin為轉(zhuǎn)換波信號(hào)最小值（SP 是橫波轉(zhuǎn)縱波、PS 是縱波轉(zhuǎn)橫波）。

根據(jù)式（1）和式（2），可以計(jì)算出蝶形線圈EMAT 接收信號(hào)中的各比值分別為ηS，P=21.93、ηS，（SP）=11.69。ηS，P和ηS，（SP）越大，干擾波信號(hào)影響越小。本文在所建有限元模型基礎(chǔ)上，分析不同換能器參數(shù)的影響并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證橫波信號(hào)強(qiáng)度前提下，減小干擾波信號(hào)，提高體波EMAT 缺陷檢測能力。

1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對蝶形線圈EMAT 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法?？紤]換能器加工工藝、檢測需求等影響，蝶形線圈EMAT 的參數(shù)包括導(dǎo)線寬度wC、數(shù)目nC、厚度hC和導(dǎo)線間距dC，永磁鐵寬度wM、厚度hM，線圈提離距離d1，永磁鐵與試件距離d2，驅(qū)動(dòng)電流頻率f。仿真結(jié)果表明，導(dǎo)線厚度hC和間距dC對轉(zhuǎn)換波信號(hào)影響很小，因此將這2 個(gè)參數(shù)設(shè)為固定量，hC=0.035 mm和dC= 0.3 mm。其他參數(shù)為可控參數(shù)，取值范圍為wC=0.1～0.2 mm，nC=15～25，wM=5～15 mm，hM=10～30 mm，d1=0.1～0.5 mm，d2=1～2 mm，f=2～6 MHz。各參數(shù)分別取3 個(gè)值，得到體波EMAT 因素水平表，如表1 所示。

表1 體波EMAT 因素水平表

2 結(jié)果與討論

按表1 中設(shè)計(jì)的參數(shù)修改有限元模型中對應(yīng)的體波EMAT 結(jié)構(gòu)參數(shù)，需進(jìn)行18 組仿真，計(jì)算得到不同參數(shù)組合情況下的ηS，P、ηS，（SP）和接收橫波電壓VSS，如表2 所示。由正交試驗(yàn)仿真結(jié)果可計(jì)算出各因素在相同水平下ηS，P、ηS，（SP）和VSS的算術(shù)平均值ki，從而獲得各因素水平對接收干擾波和橫波的影響（i表示各因素水平序號(hào)，i=1，2，3）。根據(jù)ki可計(jì)算出各因素極差R，如表3 所示。極差最大的因素影響最大，是影響接收體波EMAT 性能的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)表3 中各因素水平和對應(yīng)的算術(shù)平均值，可繪制ηS，P、ηS，（SP）和VSS隨各因素變化趨勢圖，如圖1 所示。體波EMAT各參數(shù)對ηS，P和ηS，（SP）影響規(guī)律相似。在所取參數(shù)范圍內(nèi)，導(dǎo)線數(shù)目、永磁鐵寬度和驅(qū)動(dòng)電流頻率具有顯著影響，減小導(dǎo)線數(shù)目、增大永磁鐵寬度均可顯著減小干擾波信號(hào)。永磁鐵厚度、線圈提離距離和永磁鐵與試件距離也有明顯的影響，導(dǎo)線寬度影響較小。

表2 體波EMAT 正交試驗(yàn)表

表3 體波EMAT 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 ηS，P、ηS，（SP）、VSS 隨體波EMAT 參數(shù)變化趨勢圖

使體波EMAT 干擾波信號(hào)最小的換能器參數(shù)組合為：導(dǎo)線寬度0.2 mm，導(dǎo)線數(shù)目15，永磁鐵寬度15 mm，永磁鐵厚度20 mm，線圈提離距離0.1 mm，永磁鐵與試件距離1 mm，驅(qū)動(dòng)電流頻率4 MHz。導(dǎo)線數(shù)目減小時(shí)，線圈所在區(qū)域主要為垂直磁場，可產(chǎn)生水平洛倫

茲力，發(fā)射時(shí)主要產(chǎn)生橫波，降低縱波分量。蝶形線圈EMAT 產(chǎn)生的反射橫波和波型轉(zhuǎn)換橫波都是垂直方向的，入射縱波和波形轉(zhuǎn)換縱波均有一定的角度，減少導(dǎo)線數(shù)目可減小縱波的接收面積。永磁鐵寬度增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線圈正下方區(qū)域水平磁場減小，垂直磁場分布更加均勻，發(fā)射時(shí)主要產(chǎn)生水平振動(dòng)而接收時(shí)也主要接收水平振動(dòng)。因此，減少導(dǎo)線數(shù)目、增大永磁鐵寬度從發(fā)射和接收過程都可減小干擾波信號(hào)。隨著驅(qū)動(dòng)電流頻率的增加，入射波的入射角和擴(kuò)散角都減小，導(dǎo)致反射波擴(kuò)散角減小。隨著入射角減小，波型轉(zhuǎn)換波的反射系數(shù)減小，模式轉(zhuǎn)換波信號(hào)減小。但是反射縱波和模式轉(zhuǎn)換縱波擴(kuò)散角減小，會(huì)導(dǎo)致體波EMAT 接收更多的縱波信號(hào)。這些影響共同作用使得驅(qū)動(dòng)電流頻率為4 MHz 時(shí)，干擾波信號(hào)最小。

對于接收橫波信號(hào)大小而言，導(dǎo)線數(shù)目、驅(qū)動(dòng)電流頻率和永磁鐵與試件距離具有顯著影響，增大導(dǎo)線數(shù)目和驅(qū)動(dòng)電流頻率、減小永磁鐵與試件距離均可顯著增強(qiáng)接收橫波信號(hào)。永磁鐵寬度和導(dǎo)線寬度也有明顯的影響，永磁鐵厚度和提離距離的影響相對較小。使橫波信號(hào)最強(qiáng)的換能器參數(shù)組合為：導(dǎo)線寬度0.1 mm，導(dǎo)線數(shù)目25，永磁鐵寬度10 mm，永磁鐵厚度20 mm，線圈提離距離0.1 mm，永磁鐵與試件距離1 mm，驅(qū)動(dòng)電流頻率6 MHz。導(dǎo)線數(shù)目增加，發(fā)射過程洛倫茲力作用區(qū)域和接收過程有效接收面積都增加，能夠明顯提高接收橫波強(qiáng)度。隨著驅(qū)動(dòng)電流頻率的增加，入射橫波的擴(kuò)散角減小，反射橫波擴(kuò)散角減小，橫波能量更加集中，能夠被更多地接收。減小永磁鐵與時(shí)間距離可增強(qiáng)磁場強(qiáng)度，減小提離距離可提高換能效率，產(chǎn)生更強(qiáng)的橫波信號(hào)。

以降低干擾波信號(hào)為目標(biāo)和增強(qiáng)橫波信號(hào)為目標(biāo)，得到的體波換能器參數(shù)中永磁鐵厚度、線圈提離距離和永磁鐵與試件距離一致，而其他參數(shù)不同。對體波EMAT 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證橫波信號(hào)強(qiáng)度前提下，減小干擾波信號(hào)。綜合以上分析，使橫波信號(hào)強(qiáng)和干擾波小這兩個(gè)目標(biāo)較優(yōu)的體波換能器參數(shù)組合為：導(dǎo)線寬度0.1 mm，導(dǎo)線數(shù)目25，永磁鐵寬度15 mm，永磁鐵厚度20 mm，線圈提離距離0.1 mm，永磁鐵與試件距離1 mm，驅(qū)動(dòng)電流頻率4 MHz。這組參數(shù)不存在于正交試驗(yàn)表中，重新修改有限元模型參數(shù)，計(jì)算得到該組參數(shù)組合下體波EMAT 感應(yīng)電壓中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。與優(yōu)化前相比，這組參數(shù)獲得了更強(qiáng)的發(fā)射橫波信號(hào)，同時(shí)削弱了干擾波信號(hào)。

在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，受因素水平限制，試驗(yàn)中體波EMAT 結(jié)構(gòu)參數(shù)不能涵蓋所有實(shí)際取值。本文得到的體波EMAT 優(yōu)化結(jié)果為所取參數(shù)范圍內(nèi)的最佳組合。如果需要進(jìn)一步優(yōu)化，可以在已獲得最佳參數(shù)附近范圍內(nèi)設(shè)定新的試驗(yàn)水平，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取最佳EMAT 參數(shù)組合。

系統(tǒng)發(fā)射模塊工作頻率范圍為250 kHz～10 MHz，輸出tone-burst 信號(hào)頻率成分單一，最大輸出功率為5 kW；接收模塊為寬帶低噪聲接收器，工作頻率范圍250 kHz～80 MHz，最高增益88 dB。匹配網(wǎng)絡(luò)由電容和電感串并聯(lián)構(gòu)成LC 選頻網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于匹配RITEC 發(fā)射模塊和發(fā)射EMAT 之間的阻抗，使發(fā)射EMAT 線圈獲得最大能量；接收阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于匹配接收EMAT 和前置放大器之間的阻抗，使得接收EMAT 線圈能量最大傳輸給放大電路。雙工器用于切換發(fā)射和接收狀態(tài)，使得體波EMAT 工作于收發(fā)一體模式。前置放大器用于放大微弱的接收信號(hào)，輸入阻抗為50 Ω。示波器采集放大后感應(yīng)電壓傳送至上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。

3 結(jié)論

本文基于有限元仿真方法，在保證橫波信號(hào)強(qiáng)度前提下，減小電磁超聲檢測干擾波信號(hào)，優(yōu)化后的參數(shù)組合為：導(dǎo)線寬度0.1 mm，導(dǎo)線數(shù)目25，永磁鐵寬度15 mm，永磁鐵厚度20 mm，線圈提離距離0.1 mm，永磁鐵與試件距離1 mm，驅(qū)動(dòng)電流頻率4 MHz；計(jì)算得到該組參數(shù)組合下體波EMAT 感應(yīng)電壓中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。與優(yōu)化前相比，獲得了更強(qiáng)的發(fā)射橫波信號(hào)，削弱了干擾波信號(hào)。