用于測厚和裂紋檢測的正交橫波電磁超聲換能器仿真分析及實驗研究

劉繼倫 劉素貞 金 亮 張 闖 楊慶新

（1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）天津 300130 2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）天津 300130）

0 引言

腐蝕減薄和裂紋是石油、化工、核電等領域大口徑厚壁管道失效事故的主要誘因。對這兩類缺陷同時進行檢測，對于管道內在線監測和可靠性評估具有重要意義[1-2]。橫波電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）在檢測金屬厚度時具有較高的靈敏度[3-4]，而且與壓電超聲相比，EMAT 具有無需耦合劑、無需對試件表面進行預處理的特性，可用在高溫、在線等惡劣環境[5-9]，適合于管道檢測[10]。

國內外學者在橫波電磁超聲單獨測厚或缺陷檢測方面已有不少研究。目前測厚研究主要集中在優化參數、提高換能效率方面。文獻[11]提出一種軸對稱多磁體結構來增強橫波EMAT 的偏置磁場，提高了橫波模式純度和信號強度并用于厚度檢測。文獻[12]采用正弦波對橫波電磁超聲換能器進行激勵，分析了頻率脈寬和提離距離對鋼板測厚的影響，結果表明當激勵頻率和EMAT 固有頻率相同時其換能效率最高。文獻[13]通過正交試驗對橫波EMAT的線圈進行優化，指出激勵電流的頻率和線圈的尺寸對橫波的傳播特性有明顯影響。文獻[14]分析了多層螺旋線圈橫波EMAT 的參數對換能效率和橫波純度的影響，并給出了最佳參數組合。文獻[15]采用三通道EAMT，研制了一種用于管道內檢測的電磁超聲在線測厚系統，測厚范圍達8～35mm。文獻[16]利用線性調頻脈沖激勵換能器，把脈沖壓縮處理技術應用到EMAT 測厚中，增大了接收信號的信噪比。

以上測厚方法在單獨測厚方面取得了較好效果，其采用的垂直入射的脈沖回波模式，也常用于檢測平行于檢測面的缺陷（如夾層、折疊等），但無法有效檢測與檢測面垂直的裂紋。文獻[17]建立了厚鋁板底部面狀缺陷、收發一體橫波EMAT 的二維有限元模型，利用正交試驗對磁鐵和線圈結構參數進行優化后，缺陷回波信號的幅值得到了提高。文獻[18]指出，對于開口寬度遠小于波長的底面裂紋缺陷，垂直入射橫波的反射能量低，故無法檢測垂直裂紋。

常規檢測垂直裂紋缺陷的方法是橫波斜射法。文獻[19]開發了基于電磁超聲斜入射橫波的厚壁管道裂紋檢測系統，對裂紋進行有效檢測。文獻[20]提出基于EMAT 斜入射SH 波的厚壁管道檢測方法，對厚壁管道內壁不同深度的裂紋進行檢測。文獻[21]提出了通過測量幾個斜角入射橫波反射到達時間確定裂紋狀缺陷大小的方法。文獻[22]分析了腐蝕形成的小傾角斜面裂紋缺陷對電磁超聲橫波的影響，指出橫波電磁超聲換能器在斜面缺陷測量中產生誤差的原因是斜面反射回波產生的聲時差異。雖然橫波斜射法可以方便地檢測與檢測面垂直的裂紋，但傾斜入射方式無法檢測材料厚度。

因此，常規的垂直入射的橫波換能器在測厚時具有較高靈敏度，但檢測垂直裂紋時，需要更換斜入射波的探頭，單個換能器無法同時進行這兩種檢測。這不僅增加了檢測成本，而且檢測效率低，不利于在線監測。

復合檢測是實現厚度和裂紋缺陷同時檢測的有效途徑。文獻[23]提出將電磁超聲與渦流檢測相結合，在利用電磁超聲測厚的同時，通過線圈拾取漏磁和渦流信息，實現了對管道裂紋缺陷的檢測。文獻[24]將超聲測厚和導波檢測相結合，提出一種螺旋型和回折型線圈的復合式電磁超聲換能器，采取硬件分時復用的方式實現了定點超聲橫波測厚與周向Lamb 波對管道缺陷的一次性快速掃查，取得了較好的效果。然而上述兩種方法適合于薄壁結構的測厚和裂紋缺陷的檢測，無法對厚壁結構進行檢測。

因此，需要研究設計新的電磁超聲換能器，以滿足同時檢測厚壁管道結構的厚度和裂紋的需要。

針對上述問題，本文采用復合檢測思路，利用橫波EMAT 方向性好、穿透能力強的優點，結合線圈設計的靈活性，設計了一種正交橫波EMAT。該換能器同時激發兩個垂直入射的正交偏振橫波，利用反射波幅值的差異與橫波偏振方向的關系，通過一次檢測同時進行測厚、裂紋及裂紋方向的檢測。與常規橫波斜入射檢測裂紋的方法不同之處在于，該方法通過垂直入射的兩個正交橫波既可檢測垂直裂紋，還可解決現有復合導波換能器無法有效進行厚壁底面裂紋檢測問題。

本文采用有限元軟件對該換能器聲場和激發過程進行三維建模仿真，分析了線圈間距、裂紋尺寸對于正交橫波聲場的影響，通過實驗驗證正交偏振橫波EMAT 同時進行測厚和裂紋檢測的可行性。

1 正交橫波EMAT 工作原理

1.1 正交橫波EMAT 換能機理

相對于大口徑管道結構，換能器尺寸較小，可將檢測簡化為平板測厚和底面裂紋檢測。正交偏振橫波EMAT 示意圖如圖1 所示。圖1 中，正交偏振橫波EMAT 包含兩個正交的蝶形線圈A 和B，置于永磁體底部，線圈A 位于線圈B 的下方。換能器的有效孔徑為線圈中心處的正方形區域（兩個線圈中間的垂直和水平交叉部分）。鋁板中，產生電磁超聲的主導因素是洛侖茲力。由于永磁體的垂直磁場穿過該區域，該區域下方試件趨膚層內的質點受到平行于xOy平面的洛侖茲力。

當蝶形線圈A 中通入高頻電流時，材料的表面會感應出與線圈電流方向相反的感應渦流，感應渦流在靜態偏置磁場和交變磁場的作用下產生洛侖茲力，使趨膚層質點發生水平（x軸）方向的高頻振動，產生一個x軸方向偏振的橫波。同理，蝶形線圈B（相對線圈A 旋轉90?）通入高頻電流時，由于洛侖茲力作用質點發生沿y軸方向的振動，產生具有y軸方向偏振的附加橫波，這樣便形成了一對正交偏振橫波，如圖1b 所示。

平行于x軸和平行于y軸的洛侖茲力大小可以簡化為[8]

式中，fx(L)為平行于x軸的洛侖茲體積力；fy(L)為平行于y軸的洛侖茲體積力；B0z為垂直于試件表面的磁感應強度；HxM、HyM分別為試件內的磁場強度x方向分量和y方向分量。分別產生x方向偏振的橫波和y方向偏振的橫波。

當線圈尺寸小于永磁體時，渦流區域的磁感應強度x方向、y方向分量B0x、B0y較小，所以傳感器產生的縱波能量相比橫波很小，檢測中可以忽略縱波的影響。

正交偏振橫波從表面垂直射入鋁板，沿厚度方向（z軸）傳播，經底面反射后，回波信號由收發一體的EMAT 接收，接收過程是上述過程的逆過程。

此外，一般情況下，當兩個接近的線圈同時通入高頻脈沖激勵時，線圈間互感引起的相互干擾不容忽視。而本文的正交線圈中，當線圈A 通入高頻電流iA時，在線圈A 中間導線兩側矩形框內的磁鏈方向相反。而線圈B 相對線圈A 旋轉90?，交鏈到線圈B 中間導線兩側矩形框內的互感磁鏈ΨBA，正負抵消。可知，線圈A 與線圈B 的互感MBA=ΨBA/iA=0。互感電動勢和互感電流也為0，兩個線圈相互不干擾。實驗中的EMAT 兩個正交線圈有一定寬度，使得互感磁鏈不能完全抵消，但高頻互感非常小，兩個線圈相互作用可忽略不計。

1.2 正交橫波EMAT 厚度和裂紋檢測基本原理

洛侖茲力fL作用下鋁板中質點運動方程為

式中，G、κ為拉梅常數；u為位移；ρ為體密度。

設fx(L)、fy(L)激勵的兩列沿z軸垂直入射的正交線性偏振橫波為ux(z,t)、uy(z,t)。與鋁板底部裂紋作用后并經后壁反射的反射波為。底部裂紋與y軸的夾角為θN，鋁板上表面到后壁距離為L，如圖2 所示。

圖2 正交偏振橫波測厚和裂紋檢測示意圖 Fig.2 Schematic of orthogonal shear waves for thickness measurement and crack detection

為簡化分析，假設入射偏振橫波均是初相位為0?的簡諧波，且傳播中無衰減，則

式中，A0為振幅；λ為波長。

由橫波偏振原理可知，當 0≤θN≤90?時，反射波。

式中，Mx、My為反射波幅值。

式（10）為兩個正交偏振橫波的反射回波幅值之差與裂紋角度的關系。

特別地，當θN=0?時，垂直于y軸的橫波ux(z,t)無法通過裂紋，后壁反射波幅值Mx=0，而平行于y軸的橫波uy(z,t)則穿過裂紋，后壁反射波幅值My=A0。

同理，當θN=90?時，Mx=A0，My=0。

當無裂紋時，Mx=A0，My=A0。

由此可見，兩個垂直入射的正交偏振橫波的反射回波幅值可以用于檢測底部裂紋狀缺陷的存在及裂紋的方向，同時，通過計算垂直入射橫波回波信號的飛行時間（Time of Flight，ToF）進行厚度測量，以實現厚度和裂紋的同時檢測。

2 正交橫波EMAT 仿真分析

2.1 正交橫波EMAT 模型

為了研究兩個正交偏振的橫波的聲場分布以及與裂紋缺陷的相互作用，采用多物理場仿真軟件Comsol Multiphics 建立正交橫波電磁超聲換能器三維有限元模型如圖3 所示。該模型由永磁體、線圈A、線圈B、鋁板、空氣組成（圖中略去了空氣場）。

圖3 EMAT 的三維有限元模型示意圖 Fig.3 Schematic of 3D FE for EMAT

為簡化計算，只對線圈的有效檢測區域進行建模，蝶形線圈A、B 簡化為相互垂直的12 根直導線。線圈A 的導線平行于y軸，關于y軸對稱且等間距分布。線圈B 的導線平行于x軸，關于x軸對稱且等間距分布。永磁體為方形釹鐵硼磁鐵。兩個線圈采用雙層印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）工藝設計。

為了研究不同角度的裂紋對聲場的影響，需要保證鋁板側面邊界關于z軸對稱，故試件設置為圓柱形。同時為避免側面反射對波形的影響，圓柱側面設置為低反射邊界條件。在鋁板底部設置一個長為12mm、寬為0.5mm、高為5mm 的矩形槽口來模擬裂紋缺陷，改變裂紋與線圈夾角來模擬裂紋的方向。

線圈A、B 中的激勵電流采用頻率為1MHz、峰值為20A 和周波數為3 的Tone-burst 信號，EMAT仿真模型參數見表1。

表1 EMAT 仿真模型參數 Tab.1 Parameters of EMAT simulation model

（續）

由于EMAT 接收是激發的逆過程，線圈A 產生橫波的偏振方向平行于x軸，線圈B 產生橫波偏振方向平行于y軸，故在線圈有效檢測區下方鋁板內選取點M（0 mm,0 mm,-0.1mm），通過該點沿不同方向的歸一化位移分量來模擬EMAT 不同偏振方向的回波接收，即用位移場u分量代表線圈A 的接收信號，位移場v分量代表線圈B 的接收信號。

2.2 仿真結果與分析

2.2.1 正交橫波EMAT 聲場與裂紋的相互作用

對于底面無裂紋的完好鋁板，正交橫波EMAT兩個線圈A、B 產生的橫波仿真結果如圖4a 所示，圖為M點的位移u、v分量的歸一化幅值信號。從圖4 可以看出，u、v分量的歸一化值完全相同。

圖4 M 點的位移場u、v 分量的歸一化值 Fig.4 Normalized time-trace of u and v components of the displacement at point M

由兩個波峰值的ToF 計算得出超聲波的速度為2 920m/s，與橫波理論聲速3 121m/s 的相對誤差約為6%。通過更細的網格剖分可減小誤差但會大幅增加仿真時長。通過聲速對比可知兩個相互正交的蝶形線圈產生的超聲波是兩個沿厚度方向傳播的橫波。

對于底面含裂紋缺陷的鋁板，當裂紋面與x軸垂直時（設此時裂紋方向角為0?），線圈A 產生的橫波偏振方向與裂紋面垂直，線圈B 的橫波偏振方向與裂紋面平行，M點的歸一化幅值信號如圖4b 所示。位移v分量的幅值與無裂紋時信號幅值相比沒有變化，ToF 也無變化；而u分量ToF 無變化，但幅值為 0.05(pu)，降低至約為無裂紋時信號幅值0.33(pu)的15%。

底面含裂紋鋁板反射回波位移場云圖如圖5 所示。從位移場云圖看，對于底面無裂紋的鋁板，位移場u、v分量云圖基本相同。而對于底面含裂紋的鋁板，xOz截面上位移場u、v分量的云圖（t=11.5μs時）差異很大。

圖5 底面含裂紋鋁板反射回波位移場云圖 Fig.5 Displacement component of the reflected shear waves when the back-wall has a notch in it

結合圖4、圖5 分析得：①由于線圈A 產生的入射橫波偏振方向與裂紋面垂直，反射回波位移的u分量在裂紋處發生了很大的散射，導致幅值降低，而線圈B 產生的橫波偏振方向與裂紋面平行，反射回波位移的v分量幾乎不受裂紋的影響。②底面裂紋造成了兩個正交線圈回波信號時域幅值差異很大，而ToF 不變。因此，利用ToF 測量厚度的同時，可以通過兩線圈回波幅值差判斷裂紋存在。

進一步分析裂紋方向對線圈回波信號幅值的影響。設裂紋面與A 線圈的夾角為θ，則與B 線圈的夾角為90?-θ，θ取值0～90?，步進角度為5?進行仿真，圖6 為θ分別取值0?、30?、90?時位移場u分量的歸一化值。可見θ取值變化時，回波信號u分量的ToF 不變，而幅值隨著θ取值的變化而變化。

圖6 位移場u 分量的歸一化值（θ=0?,30?,90?）Fig.6 Normalized time-trace of u component of the displacement(θ=0?,30?,90?)

通過位移u、v分量幅值差歸一化值隨裂紋方向變化來考察A、B 線圈的反射回波信號的幅值差與裂紋方向的關系。仿真結果如圖7 所示。當0＜θ＜45?時，v分量幅值大于u分量幅值，且兩者幅值差的絕對值隨著θ的增大而減小；當45?＜θ＜90?時，v分量幅值小于u分量幅值，且幅值差的絕對值隨著θ的增大而增大。在θ=45?附近，兩者幅值差約等于0。

圖7 u、v 分量幅值差歸一化值與裂紋角度θ 的關系 Fig.7 Amplitude difference of u and v components vs.θ

由仿真可得，u分量與v分量的幅值差與裂紋方向呈現單調的規律性關系，這與1.2 節中推導的關系式（式（10））基本吻合。可以根據A、B 線圈的反射回波信號的幅值差與θ的對應關系，來確定裂紋的方向。

2.2.2 正交EMAT 聲場的對稱性

由第1 節可知，裂紋檢測和裂紋角度的確定依賴A、B 的相對幅值差。然而該幅值差受到A、B 線圈產生聲場的對稱性的影響。盡管兩個正交線圈在無裂紋鋁板中接收的信號歸一化值相同（幅值差為0），而實際上線圈間距的存在使得兩個線圈提離距離不同，激發的正交橫波聲場和幅值有所不同。聲場對稱性對于減小檢測誤差非常重要，有必要分析聲場的對稱性及影響因素。

分析正交線圈聲場的對稱性。線圈間距（A、B線圈沿z軸方向的間距）d1=0.3mm 時，考察質點位移場分布。過M點做與鋁板表面平行的截面（z= -0.1mm）。圖8 為t=2.2μs 時截面上質點位移云圖。由圖8 可知，位移場關于與x軸正向夾角為135?的直線基本呈對稱分布。

圖8 z=-0.1mm 截面位移場云圖 Fig.8 Distribution of displacement amplitude field (z=-0.1mm)

考察線圈間距對聲場對稱性的影響。保持線圈A 提離距離不變，設置線圈間距d1（也即雙層電路板厚度）分別為0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm 進行仿真，截面內以M點為中心半徑R=4mm的圓上各質點在t=2.2μs 時刻總位移歸一化分布線如圖9 所示。d1越小，兩個橫波偏振的合成方向越接近 135?對稱軸。d1=0.3mm 的對稱程度最好，d1=0.7mm 的對稱性最差。

圖9 截面圓周上各質點總位移分布線圖 Fig.9 Line diagram of the normalized displacement on the circle(R=4mm,z=-0.1mm)

提取d1=0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm時M點處的位移場的u分量和v分量，兩者幅值差與線圈間距的關系如圖10 所示。可見兩個正交偏振橫波的幅值差隨著兩個線圈間距增大而增大。減小線圈間距可以減小回波幅度差，提高正交橫波聲場的對稱性，減小檢測誤差。

圖10 u、v 分量幅值差歸一化值與d1 的關系 Fig.10 Amplitude difference of u and v components vs.d1

2.2.3 裂紋尺寸對正交EMAT 聲場的影響

由正交橫波檢測方法可知，裂紋的檢測取決于u、v分量幅值關系。然而裂紋尺寸（深度、長度、寬度）變化會影響反射回波u、v分量幅值。設置裂紋方向與線圈B 波束偏振方向保持平行，即角度設置為0?。分別改變裂紋深度、寬度、長度三個參數之一，保持另外兩者不變，進行三組仿真：①裂紋深度取值0～6mm，步長0.5mm；②長度取值0～3d，步長0.25d，d為換能器孔徑，d=4mm；③寬度取值0.1～1mm，步長0.1mm；仿真結果如圖11～圖13 所示。

圖11 u、v 分量幅值與裂紋深度的關系 Fig.11 Amplitude of u and v components vs.crack depth

圖12 u、v 分量幅值與裂紋長度的關系 Fig.12 Amplitude of u and v components vs.crack length

圖13 u、v 分量幅值與裂紋寬度的關系 Fig.13 Amplitude of u and v components vs.crack width

以完好鋁板反射波幅值為參考，裂紋深度與反射回波歸一化幅值的關系如圖11 所示。仿真結果表明，裂紋深度從0～4mm 逐漸增大時，反射回波信號v分量幅度基本不變，而u分量幅度明顯減小，兩者幅值差明顯增大。當裂紋深度大于4mm 時，反射回波信號幅值差基本趨于穩定。

反射波幅值還受到裂紋長度的影響。圖12 為仿真得到的裂紋長度與反射回波幅值的關系曲線。結果表明，當裂紋長度從0～2d逐漸增大時，v分量基本不變，u分量幅度明顯下降。裂紋長度增加使得偏振橫波與裂紋的相互作用逐漸增強，導致u分量幅值減小。當裂紋長度大于2d時，回波信號幅值趨于穩定。

圖13 為0.1～1mm 的裂紋寬度與反射回波幅度的關系曲線。從總體看，裂紋寬度變化對反射回波幅度影響較小，且v分量、u分量保持較大的幅值差。當寬度接近1mm 時，反射波幅值均略有所下降。原因是裂紋寬度增大使得裂紋頂部的波的散射增大。

3 正交橫波EMAT 同時檢測厚度和裂紋

3.1 正交橫波EMAT 實驗平臺

本文提出的正交偏振EMAT 線圈采用FPC 柔性電路板（雙層板，厚度為0.2mm）工藝制備，A 線圈位于底層，B 線圈位于頂層。另外還制作了厚度為0.4mm、0.6mm、0.8mm 的PCB 雙層電路板，以研究線圈間距對檢測信號的影響。正交EMAT 線圈實物如圖14 所示。不同厚度的雙面電路板中線圈A、B 的導線銅厚度無變化，均為0.035mm。

圖14 正交EMAT 線圈實物圖 Fig.14 Orthogonal EMAT coils

實驗試件：參考GB/T 33888—2017《超聲測厚儀特性與驗證》[25]制備用于測厚和裂紋檢測的實驗試件，制備的完好試件和含底面裂紋試件均為厚50mm、直徑150mm 的鋁合金試件，其中，裂紋通過在試件底面開槽口來模擬，分別制備了深度不同的裂紋試件。底面槽深分別為0.5mm、1mm、3mm、5mm，寬0.5mm，長150mm（沿直徑貫穿底面）。設置裂紋初始方向與線圈B 偏振方向平行。

實驗系統如圖15 所示，該系統由Ritec RAM-5000 產生兩個1MHz、周波數為2 的高頻脈沖電流激勵信號，從兩個輸出通道輸出，經阻抗匹配后，分別施加在線圈A、B 上。示波器采集經濾波放大后的感應電壓信號，采用脈沖回波法，驗證正交偏振橫波EMAT 換能器檢測鋁板厚度和缺陷的有效性。

圖15 正交橫波EMAT 檢測實驗平臺 Fig.15 Measurement setup of the orthogonal EMAT

3.2 實驗結果與分析

實驗中，正交EMAT 的兩個線圈A、B 感應出的原始回波電壓信號較為微弱，信噪比很低，僅憑硬件難以完全濾除噪聲。因此對原始回波信號進行小波包去噪（四層分解）處理。圖16 為完好鋁板上A 線圈接收的原始回波信號去噪后的時域波形，可見大部分噪聲被濾除，信噪比有效提高。由于第1反射回波信號受到主沖擊脈沖干擾，因此本文實驗中取第2、3 反射回波信號進行分析。

將換能器分別放置在完好鋁板和底面含裂紋鋁板上進行實驗，圖17a、圖17b 分別為完好鋁板、含底面裂紋鋁板上A、B 線圈接收的回波信號。

圖17 EAMT A、B 線圈接收的反射回波信號 Fig.17 Back-wall reflection recorded with the coils of A and B

3.2.1 厚度測量

用游標卡尺進行3 次測量求平均值，分別得到完好鋁板的厚度為50.25mm，含底面裂紋鋁板厚度為50.17mm。用完好鋁板的厚度除以完好鋁板相鄰回波信號峰值點對應的ToF 值，得到橫波在鋁板中的傳播速度。A 線圈的相鄰回波峰值點對應的ToF值為32.14μs，計算得橫波的傳播速度為3 127m/s。B 線圈的相鄰回波峰值點對應的ToF 值為32.12μs，計算得到橫波的傳播速度為3 129m/s。橫波的波速理論值為3 121m/s，實驗值和理論值基本相符，由換能器兩個線圈A、B 產生的超聲波均為橫波。

以線圈A、B 在完好鋁板中測得的波速為基準，根據含底面裂紋鋁板的回波信號的ToF 值，即可得到A、B 線圈測量的含裂紋鋁板的厚度值。測得的含底面裂紋鋁板的波速和厚度見表2。

表2 厚度測量 Tab.2 Thickness measurement

從表2 中可以看出，用正交偏振橫波EMAT 的兩個線圈A、B 對含底面裂紋試件進行厚度測量時，線圈A 的測量結果與游標卡尺的測量結果相比，相對誤差為0.2%，線圈B 相對誤差0.28%。線圈B 比線圈A 的相對誤差稍大。造成差異的原因可能是實驗過程中隨機波動誤差。

3.2.2 裂紋檢出和裂紋方向的檢測

從圖17a 得出，對于完好鋁板，A、B 線圈的反射回波信號幅值基本相同，二者幅值差為6.74mV。差異是由板厚引起提離距離略微不同導致的。

而對于含裂紋缺陷的鋁板，從圖17b 可得，A線圈反射回波信號峰值相對于B 線圈產生了明顯下降。比較A、B 兩個反射回波信號的峰值見表3，二者幅值差為35.85mV。相較于完好試件，A 線圈信號幅值下降65%，B 線圈信號幅值下降1%。實驗表明，底面裂紋造成的兩個正交線圈回波信號幅值差異很大，可據此判定是否存在底面裂紋。

表3 A、B 線圈反射回波信號的峰值 Tab.3 Amplitude of reflection recorded with the coils

進一步地，為了驗證裂紋方向（裂紋與換能器的相對角度θ）與回波信號幅值的關系，實驗中，通過旋轉換能器來改變θ的大小，每間隔10?檢測并提取A、B 線圈反射回波信號的幅值。實驗結果如圖18 所示。當0＜θ＜45?時，A 線圈的反射回波幅值小于B 線圈回波幅值；當45?＜θ＜90?時，A 線圈的反射回波幅值大于B 線圈回波幅值。在45?附近，A、B 線圈反射回波幅值相差不明顯。實驗結果說明，A、B 線圈的反射回波信號的幅值差與裂紋方向角θ呈現單調的規律性關系。根據A、B 線圈的反射回波信號的幅值差能夠確定裂紋的方向。

圖18 A、B 線圈信號幅值差與裂紋角度θ 的關系 Fig.18 Amplitude difference of signal of A and B coils vs.θ

通過上述實驗，驗證了正交EMAT 同時測量厚度和檢測裂紋，并確定裂紋方向的方法是可行的，即通過正交線圈回波信號的ToF 進行厚度測量的同時，利用兩個線圈回波幅值差可判定試件底面是否存在裂紋（幅值差較大時試件底面存在裂紋），并且根據幅值差與θ的關系曲線可以確定裂紋方向。

3.2.3 線圈間距對正交聲場對稱性的影響

A、B 線圈在完好鋁板中的回波信號幅值差能夠反映聲場的對稱性，因此分析板厚與A、B 線圈信號幅值差的關系。利用制作的厚度為 0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm 的電路板，采用脈沖回波法在完好鋁板上進行實驗，得到A、B 線圈的回波信號幅值差與板厚的關系見表4。

表4 A、B 線圈信號幅值差與板厚 Tab.4 Amplitude difference of signal of A and B coils vs.d1

實驗結果表明，隨著雙層電路板厚度的減小，兩個線圈的反射回波幅值差減小，當板厚d1＜0.4mm 時，板厚引起的幅值差變化很小。因此，采用厚度0.4mm 以下的電路板制作正交EMAT 線圈對正交橫波的影響較小。為盡量減小線圈厚度的影響，本文其他實驗中均采用FPC 雙面板（厚度0.2mm）制作的正交線圈進行實驗。

3.2.4 裂紋深度對A、B 線圈信號幅值的影響

表5 為不同裂紋深度下A、B 線圈接收信號的歸一化幅值，實驗中裂紋寬度為 0.5mm、長度為150mm 保持不變，數據以完好鋁板的接收信號幅值為參考。

表5 A、B 線圈信號幅值與裂紋深度（寬0.5mm，長150mm）Tab.5 Signal amplitude of A and B coils vs.depth(0.5mm width and 150mm length)

實驗結果表明，裂紋深度為0.5～5mm 時，A 線圈接收信號隨著裂紋深度增大而明顯減小，B 線圈信號幅度則基本不變。原因是裂紋深度越大，與正交橫波的相互作用越明顯。

從上述分析可以推知，可以利用正交EMAT 檢測深度為0.5mm（0.16λ，波長λ=3.12mm）以上、寬度0.5mm 的裂紋。結合仿真結果，當檢測深度大于4mm 的裂紋時，接收信號的幅值下降將達到平穩狀態。

綜上所述，正交線圈EMAT 產生兩個相互正交偏振的橫波。兩個橫波在有缺陷的鋁板中傳播時，幅值存在很大差異。偏振方向與裂紋面垂直的橫波在裂紋處產生較大的散射造成明顯的幅值下降，而與裂紋面平行的橫波則幾乎不受影響。利用這一特征，可以同時檢測厚度和裂紋，并確定裂紋方向。具體做法為：①換能器同時產生正交偏振橫波，通過回波信號的ToF 進行厚度測量，同時比較兩個橫波反射回波信號的幅值。②如果幅值相差較大，則說明試件內存在裂紋缺陷。根據幅值差與θ的關系曲線可確定裂紋的方向。在實際檢測中，幅值差與θ的關系曲線可以通過標準試件或對比試件來繪制。③如果兩個反射回波幅值相等，則可能存在兩種情況：試件底面沒有裂紋，或者裂紋角度接近45?。可將換能器旋轉一定角度，如果幅值仍然相等，則可判定為無裂紋；如果出現明顯的幅值差，可判定存在45?的底面裂紋缺陷。

需要指出的是，在實驗中如果采用單一線圈的橫波EMAT 也可進行厚度檢測，但檢測裂紋時則需要旋轉換能器進行兩次脈沖回波實驗，并且保持相互垂直的偏振方向，增加實驗復雜性，效率低下，難以實現在線檢測。因此，與單一線圈的橫波EMAT相比，正交偏振的EMAT 可以實現厚度和裂紋的同時檢出，且可以定位缺陷方向。此外，與橫波與導波復合換能器相比，該換能器結合了橫波穿透能力強的優點，對試件厚度沒有要求，適合各種厚度管壁裂紋的檢測。

4 結論

本文設計了一種正交偏振橫波EMAT，通過兩個蝶形線圈在鋁板中激發正交偏振的橫波。對EMAT 激發的聲場及其與裂紋缺陷的相互作用進行了三維有限元仿真，得出了利用正交橫波可以同時檢測鋁板厚度、裂紋和裂紋方向。本文的主要結論如下：

1）正交偏振橫波EMAT 產生的兩個偏振方向的橫波在與底面裂紋相互作用時存在很大差異。與裂紋面垂直的橫波產生較大的散射造成明顯的幅值下降，而與裂紋面平行的橫波則幾乎不受影響。裂紋深度和長度對垂直裂紋面的橫波幅值影響較大，裂紋寬度則影響較小。

2）縮小線圈間距可以減小線圈接收的回波幅度差，提高正交橫波聲場的對稱性，提高檢測精度。

3）正交偏振橫波EMAT 通過兩個線圈接收信號的聲時信息和幅值差，可以同時進行厚度測量和對底面垂直裂紋的檢測，且可以定位裂紋方向。這為管道內腐蝕減薄和裂紋等缺陷的在線檢測提供了新方法。