多通道體導一體電磁超聲換能器的優化設計

陳一博，楊理踐，高松巍，邢燕好，張 佳，耿 浩

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

隨著現代工業技術的快速發展,金屬材料廣泛應用于各個領域之中，其長時間處于工作狀態，極易發生損壞，影響設備使用、造成經濟損失，因此定期進行在線無損檢測對金屬材料器件的安全運行具有重要意義。目前常用的無損檢測技術主要有漏磁檢測技術、渦流檢測技術、射線檢測技術、磁粉檢測技術、超聲檢測技術等[1]。電磁超聲檢測作為一種常用的檢測及監測技術，可以通過激發體波進行腐蝕檢測或者激發導波進行裂紋檢測。超聲測厚技術可利用聲波信號幅值及相位的變化對缺陷尺寸、位置及物理屬性進行評估，具有方向性好、穿透能力強、準確度高等優點；超聲導波技術可通過單點激勵，實現全截面、長距離、大范圍的檢測及監測[2]。

電磁超聲檢測技術作為超聲檢測技術的一種，其換能器結構優化的研究已經進行多年。翟國富等[3]提出了一種雙線圈疊加使用的電磁超聲換能器結構，可以在450 ℃下工作。ISLA等[4]設計了一種新型EMAT(電磁超聲換能器)磁鐵排列方式，將多個磁鐵排列在鐵磁芯周圍，使產生的信號幅值提高了20 dB。康磊等[5]分別優化了EMAT的磁鐵尺寸和線圈中導線的分布方式，在一發一收的工作模式下，換能器接收信號幅度提高了39%。郝寬勝等[6]分別對基于洛倫茲機理和磁致伸縮機理的EMAT完整換能過程進行有限元分析和解析，并通過試驗分析了線圈提離、線圈間距及回折數、線圈導線寬度等可能影響EMAT特性的因素，提出了回折線圈的優化設計方案。也有學者通過采用新型線圈抑制電磁沖擊盲區[7]、改變激勵脈沖頻率和提離距離[8]等方式進行結構優化。

為了解決電磁超聲檢測效率低的問題，文章在EMAT換能機理分析基礎上，提出體導一體多通道EMAT結構，采用COMSOL軟件對EMAT探頭磁鐵結構進行仿真建模，探究EMAT探頭永磁體高度、永磁鐵間距和磁鐵提離值的影響規律，得出了曲折線圈EMAT最佳參數組合，最后通過試驗對仿真結果進行驗證。研究結果改進了EMAT換能器結構，使其可以同時進行導波和測厚檢測，從而提升了電磁超聲檢測的效率。

1 電磁超聲換能器原理

電磁超聲換能器一般由永磁體、線圈和被測工件組成。鐵磁性材料中，EMAT的換能機理包括3種：洛倫茲力機理、磁致伸縮力機理、磁化力機理[9]。非鐵磁性材料中，只存在洛倫茲力機理，鐵磁性材料中超聲波由洛倫茲力和磁致伸縮力共同作用產生，其中磁化力作用過小可忽略不計。

1.1 磁致伸縮導波EMAT換能器的基本原理

磁致伸縮是指當磁體磁化時，伴有的晶格自發變形，即沿磁化方向伸長或縮短。當磁體發生磁致伸縮，而未達到飽和磁化狀態時，主要是磁體的長度產生變化。由于磁致伸縮效應的存在，當鐵磁材料被外界磁場磁化時會產生一定大小的應變[10]。如果將鐵磁性金屬板材置于交流變化的外磁場中，那么板材內的質點將產生與交變磁場同頻率的磁致伸縮，這種伸縮振動以波的形式在試件中傳輸時，形成了超聲波(見圖1)。

圖1 磁致伸縮激發原理

1.2 橫波測厚EMAT換能器原理

橫波測厚換能器激發原理如圖2所示。在激勵線圈中通入高頻脈沖電流，因電磁感應原理，金屬試件中產生渦流，渦流在永磁體的偏置磁場作用下產生洛倫茲力，當工件受到洛倫茲力的作用時，會產生橫向振動，波向垂直振動方向傳播，由此產生橫波進而在試件中傳播。電磁超聲波接收過程是發射過程的逆過程。通過回波信號得到工件中超聲波的往返時間，據此可計算出工件的厚度。

圖2 橫波測厚換能器激發原理

2 換能器優化設計

2.1 體導一體電磁超聲換能器設計

文章設計的體導一體電磁超聲換能器的組合型磁鐵由4個單極型磁鐵和1個軛鐵組成。磁鐵分為2個N極單極型磁鐵和2個S極單極型磁鐵，且相鄰磁性為異名磁極[(見圖3(a)],形成了1#、3#、7#、9#4個單極型磁場區域和2#、4#、6#、8#4 個U型磁場區域。單極型永磁鐵下放置用于腐蝕缺陷檢測及定位的螺旋線圈；4個U型磁場區域放置用于周向缺陷、軸向缺陷檢測及定位的回折線圈[見圖3(b)]。

圖3 組合型磁鐵結構示意

2.2 磁場仿真分析

磁鐵結構是電磁超聲換能器的重要組成部分，磁鐵產生的磁場強度大小直接影響整個換能器檢測信號的強度。文章設計的體導一體式電磁超聲換能器使用組合型磁鐵，可以同時完成導波檢測和測厚的功能。利用COMSOL軟件對組合型磁鐵、常規測厚使用的單極型磁鐵和導波使用的U型磁鐵進行有限元三維建模，分析并對比被測件近表面磁場強度的大小及分布情況。磁鐵的有限元仿真模型如圖4所示，工件尺寸為250 mm×250 mm×10 mm(長×寬×高)，磁鐵尺寸為50 mm×50 mm×30 mm，其剩磁強度為1.2 T，泊松比為0.3，楊氏模量為206 GPa，電導率為1 MS/m。

圖4 磁鐵的有限元仿真模型

圖4(a)，(b)，(c)分別為單極型永磁鐵、U型永磁鐵、組合式EMAT永磁鐵在工件中產生的磁感應強度云圖。選取單極型永磁鐵、U型永磁鐵、組合式EMAT永磁鐵正下方工件中集膚深度1 mm處作為參考位置，對比3種類型磁鐵在兩磁極中心延長線方向上x、y、z軸磁場強度的變化，結果如圖5所示。

圖5 3種類型磁鐵磁場強度的對比

由圖5可知，組合型磁鐵的磁場強度普遍優于傳統磁鐵的，并在y軸方向上有顯著提升。單極型磁鐵磁場強度在50 mm處取得最大值，U型磁鐵和組合型磁鐵在50 mm和100 mm處分別取得最大值和反向最大值。選擇磁鐵正下方磁場強度進行對比，工件中磁鐵中心處的磁感應強度對比如表1所示。

表1 工件中磁鐵中心處的磁感應強度對比

由表1可知，組合型磁鐵相較于單極型磁鐵在工件近表面磁場強度z軸分量提升41.57%。組合型磁鐵相較于U型磁鐵在工件近表面磁場強度z軸分量提升14.52%，y軸分量從接近0提升至常規水平，說明組合型磁鐵結構在減少磁鐵數量的情況下提高了檢測通道數量，可以在周向和軸向方向上產生偏置磁場并產生超聲波信號。

2.3 換能器參數優化分析

在建立磁鐵結構有限元模型的基礎上，為研究磁鐵厚度、軛鐵厚度、磁鐵提離值和磁鐵間距變化對工件表面磁通密度分布的影響規律，對這些參數進行了仿真分析。對以上4個影響因素各自選取4組參數進行分析，具體參數選取結果如表2所示。

表2 具體參數選取結果 mm

依據表2中的參數進行仿真分析，選取鋼板近表面磁場強度最大值作為分析指標，結果如圖6所示。

圖6 EMAT參數對磁場強度的影響

由圖6可知，隨著磁鐵厚度、軛鐵厚度和磁鐵間距的增加，組合型磁鐵的磁場強度都有先增大后減小的趨勢。磁鐵厚度在30 mm時磁場強度達到最大值，軛鐵厚度在25 mm時磁場強度達到最大值，磁鐵間距在50 mm時磁場強度達到最大值。而隨著磁鐵提離值增加，磁場強度整體呈下降趨勢，考慮到實際應用的限制，最終選擇磁鐵厚度為30 mm、軛鐵厚度為25 mm、提離值為5 mm、永磁鐵間距為50 mm進行試驗驗證。

3 試驗研究與分析

為了驗證仿真模型分析的正確性，搭建了超聲信號檢測平臺，設計了基于不同磁鐵結構的換能器測厚和導波接收信號對比試驗。試驗系統如圖7所示，包括RPR-4000-SNAP型超聲檢測器、示波器、體導一體EMAT換能器和尺寸為450 mm×450 mm×9 mm(長×寬×厚)的鋼板。信號發生器輸出信號為toneburst脈沖信號。

圖7 超聲檢測試驗系統

3.1 測厚試驗分析

測厚試驗中，線圈激勵脈沖周期為1、頻率為1.4 MHz、激勵電壓為350 V，信號處理部分高通濾波為1.6 MHz、低通濾波為800 kHz，使用充磁相同的磁鐵塊。單極型磁鐵和組合型磁鐵的接收信號波形如圖8所示。

圖8 單極型磁鐵和組合型磁鐵的接收信號波形

提取圖8中回波信號的幅值與噪聲幅值最大值來比較局部信噪比，圖8(a)波形的局部信噪比為9.9 dB，圖8(b)波形的局部信噪比為11.9 dB，組合型磁鐵結構換能器局部信噪比提升了20%。由此可知，組合型磁鐵在測厚EMAT換能器中的效果要優于傳統的單極型磁鐵。

3.2 導波試驗分析

導波試驗中，導波線圈激勵脈沖周期為9、頻率為0.5 MHz、激勵電壓為350 V，信號處理部分高通濾波為200 kHz、低通濾波為800 kHz，使用充磁相同的磁鐵塊。U型磁鐵和組合型磁鐵的接收信號波形如圖9所示。

圖9 U型磁鐵和組合型磁鐵的接收信號波形

由圖9可知，組合型磁鐵EMAT換能器前3個回波信號幅值相較于U型磁鐵EMAT換能器的幅值分別提升了83%、56%和19.5%。綜上所述，組合型磁鐵的EMAT換能器可以同時激發測厚信號和導波信號；在相同條件下，其測厚和導波的接收信號優于傳統磁鐵結構接收到的信號，可提升EMAT換能器檢測的效率和準確性。

4 結語

設計了一種集電磁超聲導波與測厚于一體的電磁超聲換能器，設計了全新的磁鐵結構，可以同時進行周向、軸向導波檢測和測厚，降低了所需磁鐵數量。基于有限元仿真對換能器磁鐵結構進行了優化設計，改進了磁鐵結構。研究結果表明：組合型磁鐵在工件近表面激發的磁場強度大于傳統磁鐵結構在工件近表面激發的磁場強度；新型磁鐵結構z軸方向磁場強度提升了14.52%；相較于傳統U型磁鐵導波信號換能器的幅值，組合型磁鐵的信號幅值提升了19.5%；相較于傳統單極型磁鐵測厚換能器的信噪比，組合型磁鐵的信噪比提升了2 dB。