基于有限元仿真的電磁超聲參數優化分析

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檢測中心，山東 東營 257000）

體波EMAT 不僅可以方便地激發出超聲橫波，而且可以在高溫、高速條件下實現板材的高速、在線檢測。然而，體波EMAT 存在電磁超聲信號弱和波型轉換引入干擾波的不利影響[1]。信號強弱影響缺陷的檢測能力，干擾波信號會影響缺陷回波的判斷[2]。因此，在對體波EMAT 進行優化設計時，需要綜合考慮這2 方面因素。

為比較干擾波信號的強弱，定義接收電壓中橫波-縱波信號比和橫波-轉換波信號比分別為：

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

根據式（1）和式（2），可以計算出蝶形線圈EMAT 接收信號中的各比值分別為ηS，P=21.93、ηS，（SP）=11.69。ηS，P和ηS，（SP）越大，干擾波信號影響越小。本文在所建有限元模型基礎上，分析不同換能器參數的影響并對其進行優化設計，在保證橫波信號強度前提下，減小干擾波信號，提高體波EMAT 缺陷檢測能力。

1 正交實驗設計

對蝶形線圈EMAT 進行優化設計時采用正交試驗設計方法。考慮換能器加工工藝、檢測需求等影響，蝶形線圈EMAT 的參數包括導線寬度wC、數目nC、厚度hC和導線間距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，驅動電流頻率f。仿真結果表明，導線厚度hC和間距dC對轉換波信號影響很小，因此將這2 個參數設為固定量，hC=0.035 mm和dC= 0.3 mm。其他參數為可控參數，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。各參數分別取3 個值，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 結果與討論

按表1 中設計的參數修改有限元模型中對應的體波EMAT 結構參數，需進行18 組仿真，計算得到不同參數組合情況下的ηS，P、ηS，（SP）和接收橫波電壓VSS，如表2 所示。由正交試驗仿真結果可計算出各因素在相同水平下ηS，P、ηS，（SP）和VSS的算術平均值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，i=1，2，3）。根據ki可計算出各因素極差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 性能的關鍵參數。根據表3 中各因素水平和對應的算術平均值，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各參數對ηS，P和ηS，（SP）影響規律相似。在所取參數范圍內，導線數目、永磁鐵寬度和驅動電流頻率具有顯著影響，減小導線數目、增大永磁鐵寬度均可顯著減小干擾波信號。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，導線寬度影響較小。

表2 體波EMAT 正交試驗表

表3 體波EMAT 正交試驗結果分析

圖1 ηS，P、ηS，（SP）、VSS 隨體波EMAT 參數變化趨勢圖

使體波EMAT 干擾波信號最小的換能器參數組合為：導線寬度0.2 mm，導線數目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，驅動電流頻率4 MHz。導線數目減小時，線圈所在區域主要為垂直磁場，可產生水平洛倫

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

對于接收橫波信號大小而言，導線數目、驅動電流頻率和永磁鐵與試件距離具有顯著影響，增大導線數目和驅動電流頻率、減小永磁鐵與試件距離均可顯著增強接收橫波信號。永磁鐵寬度和導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。使橫波信號最強的換能器參數組合為：導線寬度0.1 mm，導線數目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，驅動電流頻率6 MHz。導線數目增加，發射過程洛倫茲力作用區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度。隨著驅動電流頻率的增加，入射橫波的擴散角減小，反射橫波擴散角減小，橫波能量更加集中，能夠被更多地接收。減小永磁鐵與時間距離可增強磁場強度，減小提離距離可提高換能效率，產生更強的橫波信號。

以降低干擾波信號為目標和增強橫波信號為目標，得到的體波換能器參數中永磁鐵厚度、線圈提離距離和永磁鐵與試件距離一致，而其他參數不同。對體波EMAT 進行優化設計時，應在保證橫波信號強度前提下，減小干擾波信號。綜合以上分析，使橫波信號強和干擾波小這兩個目標較優的體波換能器參數組合為：導線寬度0.1 mm，導線數目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，驅動電流頻率4 MHz。這組參數不存在于正交試驗表中，重新修改有限元模型參數，計算得到該組參數組合下體波EMAT 感應電壓中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。與優化前相比，這組參數獲得了更強的發射橫波信號，同時削弱了干擾波信號。

在正交試驗設計中，受因素水平限制，試驗中體波EMAT 結構參數不能涵蓋所有實際取值。本文得到的體波EMAT 優化結果為所取參數范圍內的最佳組合。如果需要進一步優化，可以在已獲得最佳參數附近范圍內設定新的試驗水平，采用正交試驗設計方法選取最佳EMAT 參數組合。

系統發射模塊工作頻率范圍為250 kHz～10 MHz，輸出tone-burst 信號頻率成分單一，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。匹配網絡由電容和電感串并聯構成LC 選頻網絡，發射阻抗匹配網絡用于匹配RITEC 發射模塊和發射EMAT 之間的阻抗，使發射EMAT 線圈獲得最大能量；接收阻抗匹配網絡用于匹配接收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。雙工器用于切換發射和接收狀態，使得體波EMAT 工作于收發一體模式。前置放大器用于放大微弱的接收信號，輸入阻抗為50 Ω。示波器采集放大后感應電壓傳送至上位機進行信號處理。

3 結論

本文基于有限元仿真方法，在保證橫波信號強度前提下，減小電磁超聲檢測干擾波信號，優化后的參數組合為：導線寬度0.1 mm，導線數目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，驅動電流頻率4 MHz；計算得到該組參數組合下體波EMAT 感應電壓中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。與優化前相比，獲得了更強的發射橫波信號，削弱了干擾波信號。