一種高性能電磁超聲傳感器線圈背板及其優(yōu)化設(shè)計

陳建偉，劉帥，馬健，郭銳，宋江峰，白雪，鄒龍森，宿一凡

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟南 250103)

電磁超聲傳感器(electromagnetic acoustic transducers，EMATs)能夠直接在被測對象表面激勵出超聲波，具有不需要耦合劑和非接觸檢測的特點，所以EMATs對被測對象表面的粗糙度要求不高，并且適用于表面有隔離層、高溫和高速在線等惡劣條件下的檢測[1-5]。此外，電磁超聲基于電磁耦合作用在導(dǎo)電或?qū)Т沤饘俨牧现挟a(chǎn)生超聲波，通過改變永磁體與線圈的組合可以很方便地產(chǎn)生橫波、表面波、蘭姆波、縱波等多種波型[6-9]。因此，電磁超聲檢測技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如鋼管自動化測厚、通過式軌道車輪自動檢測、核電高溫管道檢測、高溫鍛件測厚和探傷等[10-11]。

與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測方法相比，電磁超聲技術(shù)的局限性在于換能效率低，從而造成其產(chǎn)生的超聲信號的信噪比低，同時隨著電磁超聲傳感器工作提離距離的增大，其信噪比呈指數(shù)規(guī)律衰減[12-14]，提離距離過低會大大限制電磁超聲技術(shù)的應(yīng)用范圍。為了增大電磁超聲傳感器的信噪比和提離距離，許多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作，但是這些工作主要集中在優(yōu)化傳感器的磁鐵組合形式和線圈設(shè)計[15-21]，而針對傳感器中線圈背板的研究相對較少。

初步研究表明，電磁超聲橫波傳感器中線圈背板的尺寸參數(shù)和材料選擇對于傳感器性能具有較大的影響。本文提出了一種新的線圈背板制作工藝，選用羰基鐵粉作為背板材料，分析了導(dǎo)磁性材料對傳感器工作區(qū)域磁場分布的影響。

1 電磁超聲產(chǎn)生機理

1.1 EMATs基本原理

一般認為，EMATs由磁鐵、線圈和被測對象三部分組成，同時線圈背板也是傳感器必不可少的一部分。本文中的被測對象為鋁板，超聲波的產(chǎn)生是基于洛倫茲力原理，如圖1所示。其中，永磁鐵用于提供靜態(tài)偏置磁場，當在線圈中通入高頻交變電流時會在被測對象的表面感生出渦流，渦流在垂直靜態(tài)磁場的作用下產(chǎn)生交變的洛倫茲力，被測對象表面的質(zhì)點在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生有規(guī)律的高頻振動，從而在被測對象內(nèi)激勵出超聲波。

圖1 基于洛倫茲力原理的電磁超聲橫波傳感器工作原理

1.2 EMATs多場耦合方程

在EMATs的線圈和被測對象所組成的系統(tǒng)中，沒有自由電荷，若忽略位移電流的影響，則脈沖渦流動態(tài)磁場方程為：

(1)

其中，μ代表材料的磁導(dǎo)率，A為矢量磁位，σ代表材料的電導(dǎo)率，Js為源電流密度。在不考慮線圈的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的條件下，由電流近似求解得到線圈的平均電流密度分布

(2)

其中，i為總電流，S為線圈導(dǎo)體的截面積。

線圈以及被測試樣內(nèi)的渦流密度Je和總電流密度Jt分別為：

(3)

(4)

那么，總電流i和源電流密度Js可以表述為：

i=?SJtds，

(5)

(6)

各區(qū)域的電磁強度E和矢量磁位A之間滿足：

(7)

由洛倫茲力定義可得，非鐵磁性試樣表面集膚深度內(nèi)的受力，與永磁體提供的靜態(tài)磁場強度B0及導(dǎo)體表面感應(yīng)渦流的大小有關(guān)，即：

fL=B0×Je。

(8)

鋁板為各向同性材料，且滿足線彈性和連續(xù)性假設(shè)，其在洛倫茲力fL的作用下發(fā)生彈性變形，運動方程為：

(9)

其中，σ為應(yīng)力張力，w為位移矩陣，ρ為鋁的體密度。

考慮到σ和w之間的關(guān)系，式(9)可以改用位移表示，即：

(10)

式中，G和k為梅拉常數(shù)。

超聲信號的接收是激勵的逆過程，當超聲波傳播到EMATs的接收線圈處時，鋁板中運動的帶電粒子在外加偏置磁場作用下產(chǎn)生動態(tài)電流，其電流密度為：

JL=σv×B0，

(11)

其中，v代表帶電粒子的振動速度，鋁板中的動態(tài)電流密度會在其周圍產(chǎn)生動態(tài)磁場，處于此動態(tài)磁場中的EMATs接收線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即為線圈的接收信號。

在線圈接收信號的過程中，求解區(qū)域的磁場由鋁板中的渦流密度和線圈中的源電流密度共同提供。一般而言接收線圈為開路狀態(tài)，其總電流為0。則接收線圈和被測試樣各區(qū)域所滿足的控制方程為：

(12)

在求解式(12)得到各區(qū)域的矢量磁位后，進而要計算接收線圈的感應(yīng)電動勢。線圈導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電場可表示為：

(13)

線圈中某點導(dǎo)體的電動勢可通過對電場強度進行線積分獲得，于是

(14)

則線圈的輸出電壓可通過對線圈所包含的點導(dǎo)體電動勢求取平均獲得，即

(15)

對于自發(fā)自收工作模式的EMATs線圈，接收時的電壓信號可以表示為[22]：

(16)

其中，N代表線圈匝數(shù)，Zs代表被測材料鋁聲阻抗，α為被測對象的幾何相關(guān)常數(shù)，d代表線圈到被測鋁板表面的提離距離，D是工作線圈的直徑。由此可見，超聲信號的大小與靜態(tài)磁場強度的平方成正比，本文中對于線圈背板材料的選擇就是以增大線圈工作區(qū)域的靜態(tài)磁場強度為依據(jù)，因此選用導(dǎo)磁性材料。

2 橫波EMATs中線圈背板的優(yōu)化設(shè)計

線圈背板的優(yōu)化設(shè)計包括尺寸的確定和材料的選擇。當線圈背板為非導(dǎo)磁性材料時，其長度和寬度尺寸變化對傳感器性能無影響，所以采用塑料板作為線圈背板，通過實驗研究確定線圈背板的最佳厚度；當選用導(dǎo)磁性材料作為線圈背板時，會影響傳感器工作區(qū)域的靜態(tài)磁場，本文選用粒徑5.5～7 μm的羰基鐵粉顆粒經(jīng)絕緣處理后加樹脂壓制成線圈背板，通過磁場仿真優(yōu)化其長度和寬度尺寸。

2.1 線圈背板的厚度優(yōu)化

研究表明，采用導(dǎo)電性材料作為線圈背板會降低線圈在被測對象中的感應(yīng)渦流強度，從而降低傳感器的換能效率，所以線圈背板需采用非導(dǎo)電材料[23]。線圈背板是電磁超聲傳感器中必不可少的一部分，其厚度對傳感器的性能具有較大影響。為了保證磁場的一致性，本實驗中采用塑料板(非導(dǎo)磁性材料)作為線圈背板，實驗裝置如圖2所示，主要包括Ritec RAM-5000測試系統(tǒng)、50 Ω負載、雙工器、EMAT和示波器。本實驗中傳感器的工作方式為自發(fā)自收，Ritec RAM-5000測試系統(tǒng)通過一個50 Ω的負載和雙工器為EMAT提供高頻交變電流，EMATs在鋁板中激勵的超聲橫波沿其厚度方向傳播，到達鋁板底面后發(fā)生反射，反射波被傳感器接收后進入Ritec RAM-5000系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)處理后的信號電壓顯示在示波器上，即本文通過鋁板的測厚信號質(zhì)量進行傳感器性能評價。其中，傳感器中的塑料背板厚度為本節(jié)主要優(yōu)化對象，鋁板上的塑料板用于調(diào)節(jié)傳感器的工作提離距離，根據(jù)需要放置不同厚度的塑料板。

如圖2中所示，本文中選用的工作頻率為2 MHz，傳感器主要由永磁鐵、塑料背板和線圈組成。其中永磁鐵為N50的釹鐵硼磁鐵，尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，在其下表面貼一層銅箔是為了降低線圈在磁鐵中的渦流感應(yīng)；線圈為采用PCB(printed circuit board)制作的蝶形線圈，工作區(qū)域的尺寸為16 mm ×16 mm。塑料背板的尺寸為30 mm×30 mm，不同提離距離下線圈背板厚度與傳感器接收信號幅值的關(guān)系如圖3所示。

圖2 電磁超聲橫波傳感器測厚實驗方案

圖3 信號幅值與線圈背板厚度的關(guān)系曲線

由圖3可知，當線圈背板厚度小于1.5 mm時，隨著線圈背板厚度的增加，傳感器信號幅值明顯增大；而當線圈背板厚度大于2 mm時，隨著其厚度增加，信號幅值逐漸減小，因此線圈背板的最佳厚度約為1.5～2 mm。通過比較三種提離距離下的信號幅值規(guī)律可知，線圈背板的最佳厚度不隨傳感器工作提離距離的變化而變化。

2.2 線圈背板的長度和寬度優(yōu)化

由1.2節(jié)可知傳感器接收信號強度與磁場強度的平方成正比，本節(jié)通過磁場仿真，研究采用導(dǎo)磁性材料作為線圈背板對傳感器工作區(qū)域磁場強度的影響。選用羰基鐵粉作為線圈背板材料，厚度取2 mm，磁鐵尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，各材料的參數(shù)如表1所示，二維有限元分析模型如圖4所示。

表1 材料參數(shù)

圖4 二維磁場仿真模型

當塑料板的厚度即提離距離為3 mm，羰基鐵粉線圈背板的尺寸為16 mm×16 mm×2 mm時，仿真計算得到的磁場分布如圖5所示。由本文中電磁超聲的激勵原理可知，橫波的產(chǎn)生是靜態(tài)磁場的垂直分量與線圈在被測件中感應(yīng)渦流相互作用的結(jié)果，所以傳感器接收的信號強度大小主要取決于磁通密度的垂直分量By。因為線圈感應(yīng)的渦流主要在被測件表面的集膚深度內(nèi)，所以本節(jié)中傳感器工作區(qū)域為線圈覆蓋的鋁板近表面區(qū)域，取深0.1 mm處的磁通密度作為研究對象，如圖5中紅線所示。

圖5 電磁超聲橫波傳感器磁場仿真結(jié)果

為了研究導(dǎo)磁性材料及導(dǎo)磁性材料的尺寸對于傳感器磁場分布的影響，對以下三種情況進行了仿真：采用塑料板作為線圈背板；采用羰基鐵粉板作為線圈背板，羰基鐵粉板的長度等于磁鐵的長度，為30 mm；采用羰基鐵粉板作為線圈背板，羰基鐵粉的長度等于線圈工作區(qū)域的長度，為 16 mm。仿真模型如圖6所示，其中提離距離為2 mm。因為塑料板的相對磁導(dǎo)率與空氣相同，所以采用塑料板作為線圈背板時不需考慮其長度尺寸對于磁場分布的影響。

圖6 分別采用三種線圈背板的EMATs仿真模型

三種仿真模型的仿真結(jié)果如圖7所示，Bx代表磁通密度的水平分量，By代表磁通密度的垂直分量。由圖7(a)和7(b)可得，當線圈背板的尺寸與磁鐵相當時，By沿x軸方向逐漸減小，采用塑料背板時,By值約為0.71 T，比采用羰基鐵粉時By值略大；而由圖7(c)可以看出，當采用羰基鐵粉作為線圈背板且尺寸與線圈相當時，傳感器工作區(qū)域的By值約為0.84 T，并且工作區(qū)域的磁通密度保持恒定。因此，在傳感器封裝時應(yīng)選用與線圈工作區(qū)域相同尺寸的羰基鐵粉背板，可以顯著增大線圈工作區(qū)域的磁通密度從而增強傳感器的信號。

圖7 分別采用三種線圈背板的EMATs仿真結(jié)果

2.3 線圈背板優(yōu)化后傳感器性能驗證

基于前兩節(jié)的優(yōu)化結(jié)果，對如圖8所示的兩種不同線圈背板的傳感器進行比較。其中，線圈工作區(qū)域的尺寸為16 mm×16 mm，線圈背板分別采用塑料板和羰基鐵粉板，尺寸均為16 mm×16 mm×2 mm。選用的釹鐵硼磁鐵的尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，在磁鐵表面貼厚度為0.2 mm的銅箔，以防止線圈在磁鐵中感應(yīng)出渦流。

圖8 傳感器結(jié)構(gòu)的分解示意圖

分別采用以上兩種傳感器對厚度為25 mm的鋁板進行測厚，通過測厚信號的質(zhì)量比較兩種傳感器的性能。當工作提離距離為2 mm時，兩種傳感器測得的信號如圖9所示。從圖中可以看出，一次回波和二次回波的時間間隔約為15.5 μs，從而計算出波速為3 225 m/s，這與橫波的波速相符。采用羰基鐵粉背板和塑料背板相比，傳感器獲得的一次回波和二次回波幅值分別增大了約50%和100%，而兩種傳感器的噪聲水平相當。因此，采用優(yōu)化后的羰基鐵粉背板能夠顯著改善電磁超聲橫波傳感器的信噪比。

圖9 分別采用優(yōu)化前后傳感器的回波信號

傳感器的工作提離距離大小是衡量其應(yīng)用能力的直接指標，對以上兩種傳感器在不同提離距離下的信號進行分析，如圖10所示為兩種傳感器一次回波隨提離距離的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著提離距離的增大，信號幅值急劇下降，這與文獻[24]的結(jié)論一致，但采用羰基鐵粉作為線圈背板時，傳感器的信號隨著提離距離增加的衰減速度變慢。本實驗中采用羰基鐵粉背板的傳感器工作提離距離可以達到4.8 mm，比采用塑料板作為線圈背板時增加了約1 mm。

圖10 分別采用優(yōu)化前后傳感器的提離距離

3 結(jié)論

為了提高電磁超聲橫波傳感器的信噪比和工作提離距離，本文提出采用羰基鐵粉作為線圈背板材料并對其進行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，優(yōu)化后的線圈背板能夠顯著增加橫波傳感器的信噪比和工作提離距離，對于推動電磁超聲技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。