基于電磁超聲（EMA）技術實現金屬探傷的應用淺析

楊劍

【摘 要】 電磁超聲（Electromagnetic Acoustic，以下簡稱EMA）是無損檢測領域出現的新技術，該技術利用電磁耦合方法激勵和接受超聲波。與傳統的超聲檢測技術相比，它具有非接觸、無需耦合劑、不受材料形狀及表面粗糙度限制以及容易激發各種超聲波形等優點，在高溫、腐蝕和高速運轉的金屬材料無損檢測領域具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】 電磁超聲 ?金屬探傷 ?工業應用

1 電磁超聲工作機理

超聲波是頻率高于20KHz的機械波，由于超聲波頻率高、波長短，具有良好的方向性和穿透能力，且其聲能量很大，利用這些固有特殊性可以來實現超聲測量和無損檢測。

從產生機理看，通有交變電流的線圈放置在非鐵磁性材料金屬物體附近，線圈將產生一交變磁場，金屬表面相當于一個整體導電回路，因此金屬表面將感應出電流，即渦流。如在同一時間施加一穩定磁場，與渦流相互作用后產生交變洛倫磁力。金屬原子在交變洛倫磁力作用下產生往復振動，振動以一定方式傳播出去就產生了超聲波。

由于此效應呈現可逆性，反回聲壓使質點的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發生變化，因此可以通過接收裝置進行接收并放大顯示。用這種方法激發和接收的超聲波稱為電磁超聲。通過改變外加偏轉磁場的大小和方向、高頻電流的大小和頻率、線圈的形狀和尺寸可以控制EMA產生超聲的類型、強弱、頻率及傳播方向等參數。

當被測試件是鐵磁性材料時，產生電磁超聲的有兩種效應，洛倫茲力效應和磁致伸縮效應。本文所述是利用洛倫茲力效應產生電磁超聲;同樣，強大的脈沖電流會向外輻射一個脈沖磁場，脈沖磁場和外加磁場的復合作用會產生磁致伸縮效應，磁致伸縮力的作用也會產生不同波形的電磁超聲[1]。洛倫茲力和磁致伸縮力兩種效應具體是哪種在起著主要作用，主要是由外加磁場的大小、激勵電流的頻率決定。

電磁超聲技術通過觀察缺陷的回波與物體底面的回波來確定物體中缺陷的位置和大小。如圖1所示，超聲波在被測物體中傳播，當遇到聲阻抗不同的物體時發生反射，利用渦流線圈來接收這個反射波，通過計量此超聲波在物體中的傳播時間，就可以計算出被測物體的厚度值及缺陷所在位置。圖中前兩個尖峰表示缺陷回波，第3個尖峰表示被測物體底面回波。

2 電磁超聲原理實現金屬探傷的特點

相對于常規超聲，電磁超聲技術具有以下優勢：①無需耦合劑。源于電磁超聲產生機理，檢測過程中的能量轉換在被測工件的表面進行，因此無需耦合劑。②產生的波模多樣。電磁超聲換能器（EMAT）的不同線圈結構與永磁鐵的不同組合，會產生不同模態的波，甚至改變激勵信號頻率也會產生不同模態的。從而可在不變更換能器的情況下實現波形模式的自由選擇[2]。③適合高溫檢測。電磁超聲由于其非接觸性，探頭適合檢測高溫金屬。④對被探工件表面質量要求不高。對被探工件表面不要求特殊清理，較粗糙表面也可直接探傷。⑤檢測速度快。傳統的壓電超聲的檢測速度，一般都在10米/分鐘左右，而EMA可達到40米/分鐘，甚至更快。⑥發現自然缺陷的能力強EMA技術對于鋼管表面存在的折疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準確發現。

缺點方面：①被測試件的材料選擇有一定的局限性。只能對金屬或是鐵磁性材料進行探傷檢測。②對周圍環境的噪聲較為敏感。③轉換效率低，換能效率比壓電式換能器低20-40dB，回波信號幅值小。④輻射模式較寬，能量不集中，分辨率較低。

3 電磁超聲探傷設備研究現狀

電磁超聲檢測目前在國外已被廣泛應用于鋼棒、鋼板、鋼管等的全自動無損檢測以及火車車輪踏面表面及近表面探傷、應力測量等諸多領域[2]。美、德、英、日等國先后成功研制出采用電磁超聲檢測技術的自動化探傷與測厚系統，使電磁超聲檢測進入了工業應用階段，加拿大RD公司出品的具有多種檢測功能的OmniScan全能檢測儀，可以用于帶防腐層焊縫檢測、深度測量以及其他各種在役金屬構件的檢測。美國物理聲學公司基于電磁超聲檢測技術而開發的LSI自動化探傷系統，可通過計算機或手動遙控器控制機器人攀爬壓力容器、鍋爐、儲罐、管道與船體等大型結構，機器人攜帶的電磁超聲檢測部件進行超聲測厚、腐蝕、探傷及焊縫檢測等作業[3]。

國內的相關研究起步時間較晚，目前已取得一定成果。哈爾濱工業大學剛鐵等人基于HSD4型超聲采集卡，開發出一套開放式的超聲自動檢測系統，清華大學黃松嶺研制出基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測系統。哈爾濱工業大學王淑娟等人將電磁超聲檢測技術與數字信號處理器（DSP）技術相結合，開發了基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測系統，能夠對厚壁管道缺陷進行有效檢測。

近年來，EMA技術研究重點集中在裝置優化和回波信號降噪等方面，精確的換能器設計、靈活的波模產生方式，使得對金屬材料無損檢測和缺陷評估具有全面性和可靠性，是當前技術研究重點。未來EMA技術將向著對缺陷自動分類、智能識別和對工件壽命科學評估的方向發展，檢測系統的測量精度、分辨率等性能也將隨著工業設備的檢測要求而逐漸完善。

4 結語

電磁超聲檢測技術利用洛倫茲力效應和磁致伸縮效應在被檢材料中激發和接收超聲波，進而通過測量缺陷的回波信號來確定物體中缺陷的位置。這一檢測技術，以其無接觸、無耦合、可移動、適合高溫腐蝕環境下檢測等眾多優勢必將在工業生產中得到廣泛應用。

參考文獻

[1]任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社，2008.

[2]李振才.電磁超聲（EMA）技術的發展與應用.無損探傷，2006，Vol.30 No.6.

[3]夏志敏，康宜華，武新軍.電磁超聲檢測技術初探.華中科技大學，2007.