一種吸盤(pán)式電磁超聲傳感器檢測(cè)信號(hào)實(shí)驗(yàn)分析?

李靖琳 李成良 喬世成

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110866）（2.大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程系 大連 116300）

1 引言

為了進(jìn)一步拓展超聲無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，可以采用電磁超聲方法來(lái)適應(yīng)非接觸性以及需要承受極端溫度的檢測(cè)環(huán)境。根據(jù)偏置磁場(chǎng)的不同形成方法，可以將電磁超聲傳感器（EMAT）分成電磁鐵型與永磁體型共兩種［1～2］。其中，電磁鐵型的結(jié)構(gòu)通常包括U型與E型，可以形成與材料表面保持平行分布狀態(tài)的磁場(chǎng)。目前，對(duì)此類(lèi)傳感器進(jìn)行研究的學(xué)者也較多，例如，劉冉開(kāi)發(fā)得到了一種可以在高溫環(huán)境中對(duì)試樣厚度進(jìn)行測(cè)試的傳感器［3］，周進(jìn)節(jié)開(kāi)發(fā)出了一種可以測(cè)試鋁板厚度的傳感器［4］，李素軍開(kāi)發(fā)了一種可以對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷的傳感器［5］，上述各類(lèi)傳感器的電磁鐵都是通過(guò)E型硅鋼片進(jìn)行堆疊構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)需要占據(jù)較大的空間體積，此外探頭也是一種方形結(jié)構(gòu)，對(duì)于攜帶與實(shí)際探測(cè)過(guò)程都會(huì)帶來(lái)較大的麻煩。同時(shí)因?yàn)橹鶢钔鈿け旧砭蛯儆谝粋€(gè)磁極，可以使磁場(chǎng)進(jìn)一步集中形成密集的磁場(chǎng)線，確保同樣的線圈匝數(shù)下能夠獲得更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度［6～8］。

本文主要研究了一種具有吸盤(pán)式脈沖電磁鐵結(jié)構(gòu)的電磁超聲傳感器，開(kāi)發(fā)得到了一種建立在脈沖電磁鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的電磁超聲傳感器探測(cè)系統(tǒng)，深入分析了由環(huán)形收發(fā)和吸盤(pán)式脈沖電磁鐵共同構(gòu)成的EMAT測(cè)試方法，并且對(duì)比了各類(lèi)不同磁性材料的在檢測(cè)期間產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，最后分析了該傳感器信號(hào)與提離距離和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看到吸盤(pán)型脈沖電磁鐵EMAT的組成結(jié)構(gòu)，主要包含了吸盤(pán)型脈沖電磁鐵以及EMAT線圈兩個(gè)部分。其中，吸盤(pán)磁軛的中心圓柱通過(guò)線圈纏繞的形式構(gòu)成一個(gè)磁極，外部殼體作為另一個(gè)磁極，從而使線圈中產(chǎn)生一個(gè)磁感線保持豎直方向排布狀態(tài)的偏置磁場(chǎng)。

本實(shí)驗(yàn)所使用的吸盤(pán)型脈沖電磁鐵的磁軛部分屬于一個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)，選擇DT4C電工純鐵作為磁軛材料。在中心柱上總共纏繞380圈外徑等于0.56mm的銅漆包線。以環(huán)形線圈作為EMAT線圈，該線圈外徑等于18mm，內(nèi)徑等于4.25mm，總共纏繞19圈。

將EMAT傳感器中的吸盤(pán)磁鐵固定于環(huán)形線圈的上部，確保線圈被磁軛中心柱體的磁極完全覆蓋，以厚度為0.5mm的塑料片來(lái)實(shí)現(xiàn)磁極和線圈之間的相互隔離，防止線圈的磁軛中心柱體表面因?yàn)楦袘?yīng)作用而形成渦流。

圖1 吸盤(pán)式脈沖電磁鐵EMAT結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2顯示了脈沖電磁鐵型電磁超聲傳感器探測(cè)系統(tǒng)的原理框圖，主要包含兩部分，分別是脈沖電磁鐵勵(lì)磁系統(tǒng)與電磁超聲激勵(lì)接收系統(tǒng)。其中，脈沖電磁鐵勵(lì)磁系統(tǒng)的作用是驅(qū)動(dòng)電磁鐵形成磁場(chǎng)，包括電磁鐵功率放大器與電磁鐵信號(hào)源兩部分結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的電磁鐵信號(hào)源通過(guò)Agilent33522B雙通道信號(hào)器產(chǎn)生，并采用N4L LPA05A進(jìn)行功率放大。電磁超聲激勵(lì)接收系統(tǒng)包含了EMAT信號(hào)源及其功率放大器、前置放大器、雙工器、收發(fā)線圈、測(cè)試組件，可以利用示波器來(lái)觀察信號(hào)變化情況。其中，以RAM-5000-SNAP設(shè)備來(lái)提供EMAT信號(hào)源以及功率放大器，并通過(guò)RDX-EM2提供前置放大器與雙工器。

圖2 電磁超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

從圖3中可以看到系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)序圖。其中，第1欄是信號(hào)發(fā)生器1通道在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，第2欄是2通道對(duì)EMAT產(chǎn)生觸發(fā)的信號(hào)，當(dāng)EMAT被上升沿觸發(fā)后便開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，第3欄屬于EMAT的原始激勵(lì)信號(hào)，第4欄屬于測(cè)試獲得的EMAT典型探測(cè)信號(hào)。電磁鐵和EMAT的激勵(lì)信號(hào)具有相同的頻率，當(dāng)電磁鐵處于工作狀態(tài)下時(shí)，將會(huì)對(duì)電磁超聲激勵(lì)以及信號(hào)接收造成覆蓋作用，通常情況下，接收時(shí)長(zhǎng)等于所有超聲回波過(guò)程的累加時(shí)間，可以按照實(shí)際檢測(cè)情況進(jìn)行設(shè)定?？紤]到在實(shí)際情況下電磁鐵要達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度必須經(jīng)歷一段響應(yīng)時(shí)間，所以需要合理設(shè)定電磁鐵通電時(shí)間以及EMAT的觸發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)延時(shí)效果。在測(cè)試過(guò)程中，設(shè)定電磁鐵脈沖激勵(lì)頻率20 Hz，脈沖激勵(lì)幅度20 V，占空比40%，通過(guò)LPA05A功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)10倍放大效果，使吸盤(pán)型電磁鐵形成磁場(chǎng)，電磁超聲激勵(lì)波形由5個(gè)正弦波構(gòu)成，頻率也等于20Hz，同時(shí)設(shè)定EMAT線圈和電磁鐵觸發(fā)延時(shí)為20ms。

圖3 脈沖電磁鐵式電磁超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)序圖

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試材料包括具有鐵磁性的SUS430不銹鋼以及非鐵磁性材料鋁共兩種，兩種試樣的厚度都等于10mm，對(duì)比研究了脈沖電磁鐵型EMAT對(duì)上述兩種材料實(shí)施脈沖回波探測(cè)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)特征，同時(shí)分析了探測(cè)信號(hào)與提離距離以及電磁鐵勵(lì)磁電流之間的變化關(guān)系。

3 結(jié)果及討論

3.1 檢測(cè)信號(hào)與被檢材料的關(guān)系

根據(jù)設(shè)定條件，利用吸盤(pán)型脈沖電磁鐵EMAT分別測(cè)試了SUS430不銹鋼與鋁塊試樣的脈沖回波信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)圖4。在測(cè)試上述兩種材料的過(guò)程中要求所使用的傳感器、探測(cè)儀器與具體設(shè)定參數(shù)都完全一致。比較圖4給出的兩種材料第2次回波波包數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)SUS430不銹鋼進(jìn)行探測(cè)得到的信號(hào)幅值達(dá)到了鋁板探測(cè)信號(hào)的12倍左右。

上述兩種探測(cè)過(guò)程在信號(hào)幅值方面表現(xiàn)出明顯的差異性。這主要是由于采用本系統(tǒng)探測(cè)鐵磁性材料的過(guò)程中，吸盤(pán)結(jié)構(gòu)可以在鐵磁性材料中產(chǎn)生閉合磁路，使線圈渦流中的磁感線密度獲得明顯提高，鐵磁材料表面和中心圓柱磁極將更容易產(chǎn)生具有垂直分布形態(tài)的均勻磁場(chǎng)。并且，鐵磁性材料的磁化力及其磁致伸縮力還可以有效提高EMAT換能效率。之后，仿真分析了吸盤(pán)脈沖電磁鐵在鋁板與SUS430不銹鋼板表面形成的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖4 檢測(cè)信號(hào)圖

3.2 檢測(cè)信號(hào)與提離距離的關(guān)系

在探測(cè)鐵磁性材料時(shí)，將傳感器提離距離改變后，將會(huì)導(dǎo)致渦流效應(yīng)降低，使磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)酰瑥亩鹛綔y(cè)信號(hào)強(qiáng)度的下降。以SUS430不銹鋼板作為測(cè)試材料分析了EMAT產(chǎn)生的提離效應(yīng)，在不同提離值下測(cè)試得到了表1所示的脈沖回波探測(cè)信號(hào)，此外進(jìn)一步研究了同樣的實(shí)驗(yàn)條件下選擇永磁鐵時(shí)得到的信號(hào)幅值和提離距離間的關(guān)系。

將表1的脈沖電磁鐵通過(guò)圓柱型永磁鐵進(jìn)行替換后，可以發(fā)現(xiàn)隨著提離距離的增大，探測(cè)信號(hào)的幅值開(kāi)始降低，表現(xiàn)為近似反函數(shù)的關(guān)系。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，吸盤(pán)型脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器具有更加明顯的提離衰減速率。

表1 不同提離距離下檢測(cè)信號(hào)的幅值/mV

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)SUS430不銹鋼進(jìn)行探測(cè)得到的信號(hào)幅值達(dá)到了鋁板探測(cè)信號(hào)的12倍左右。SUS430不銹鋼以及非鐵磁性材料鋁兩種探測(cè)過(guò)程在信號(hào)幅值方面表現(xiàn)出明顯的差異性，鐵磁性材料的磁化力及其磁致伸縮力還可以有效提高EMAT換能效率。

2）將脈沖電磁鐵通過(guò)圓柱型永磁鐵進(jìn)行替換后，可以發(fā)現(xiàn)隨著提離距離的增大，探測(cè)信號(hào)的幅值開(kāi)始降低，表現(xiàn)為近似反函數(shù)的關(guān)系，吸盤(pán)型脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器具有更加明顯的提離衰減速率。