陳一博，楊理踐，高松巍，邢燕好，張 佳，耿 浩

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,金屬材料廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中，其長時間處于工作狀態(tài)，極易發(fā)生損壞，影響設(shè)備使用、造成經(jīng)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(shù)主要有漏磁檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)、磁粉檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)等[1]。電磁超聲檢測作為一種常用的檢測及監(jiān)測技術(shù)，可以通過激發(fā)體波進行腐蝕檢測或者激發(fā)導波進行裂紋檢測。超聲測厚技術(shù)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(yōu)點；超聲導波技術(shù)可通過單點激勵，實現(xiàn)全截面、長距離、大范圍的檢測及監(jiān)測[2]。

電磁超聲檢測技術(shù)作為超聲檢測技術(shù)的一種，其換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究已經(jīng)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(jié)構(gòu)，可以在450 ℃下工作。ISLA等[4]設(shè)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(chǎn)生的信號幅值提高了20 dB?？道诘萚5]分別優(yōu)化了EMAT的磁鐵尺寸和線圈中導線的分布方式，在一發(fā)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(shù)、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(yōu)化設(shè)計方案。也有學者通過采用新型線圈抑制電磁沖擊盲區(qū)[7]、改變激勵脈沖頻率和提離距離[8]等方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(chǔ)上，提出體導一體多通道EMAT結(jié)構(gòu)，采用COMSOL軟件對EMAT探頭磁鐵結(jié)構(gòu)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(guī)律，得出了曲折線圈EMAT最佳參數(shù)組合，最后通過試驗對仿真結(jié)果進行驗證。研究結(jié)果改進了EMAT換能器結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(fā)變形，即沿磁化方向伸長或縮短。當磁體發(fā)生磁致伸縮，而未達到飽和磁化狀態(tài)時，主要是磁體的長度產(chǎn)生變化。由于磁致伸縮效應(yīng)的存在，當鐵磁材料被外界磁場磁化時會產(chǎn)生一定大小的應(yīng)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(nèi)的質(zhì)點將產(chǎn)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(fā)原理

1.2 橫波測厚EMAT換能器原理

橫波測厚換能器激發(fā)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(yīng)原理，金屬試件中產(chǎn)生渦流，渦流在永磁體的偏置磁場作用下產(chǎn)生洛倫茲力，當工件受到洛倫茲力的作用時，會產(chǎn)生橫向振動，波向垂直振動方向傳播，由此產(chǎn)生橫波進而在試件中傳播。電磁超聲波接收過程是發(fā)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(jù)此可計算出工件的厚度。

圖2 橫波測厚換能器激發(fā)原理

2 換能器優(yōu)化設(shè)計

2.1 體導一體電磁超聲換能器設(shè)計

文章設(shè)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(qū)域和2#、4#、6#、8#4 個U型磁場區(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)示意

2.2 磁場仿真分析

磁鐵結(jié)構(gòu)是電磁超聲換能器的重要組成部分，磁鐵產(chǎn)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(shè)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(guī)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(chǎn)生的磁感應(yīng)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(jié)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(yōu)于傳統(tǒng)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(yīng)強度對比如表1所示。

表1 工件中磁鐵中心處的磁感應(yīng)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(guī)水平，說明組合型磁鐵結(jié)構(gòu)在減少磁鐵數(shù)量的情況下提高了檢測通道數(shù)量，可以在周向和軸向方向上產(chǎn)生偏置磁場并產(chǎn)生超聲波信號。

2.3 換能器參數(shù)優(yōu)化分析

在建立磁鐵結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)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(guī)律，對這些參數(shù)進行了仿真分析。對以上4個影響因素各自選取4組參數(shù)進行分析，具體參數(shù)選取結(jié)果如表2所示。

表2 具體參數(shù)選取結(jié)果 mm

依據(jù)表2中的參數(shù)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(jié)果如圖6所示。

圖6 EMAT參數(shù)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(yīng)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(shè)計了基于不同磁鐵結(jié)構(gòu)的換能器測厚和導波接收信號對比試驗。試驗系統(tǒng)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(fā)生器輸出信號為toneburst脈沖信號。

圖7 超聲檢測試驗系統(tǒng)

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(jié)構(gòu)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(yōu)于傳統(tǒng)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(fā)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(yōu)于傳統(tǒng)磁鐵結(jié)構(gòu)接收到的信號，可提升EMAT換能器檢測的效率和準確性。

4 結(jié)語

設(shè)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(shè)計了全新的磁鐵結(jié)構(gòu)，可以同時進行周向、軸向?qū)Рz測和測厚，降低了所需磁鐵數(shù)量。基于有限元仿真對換能器磁鐵結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，改進了磁鐵結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：組合型磁鐵在工件近表面激發(fā)的磁場強度大于傳統(tǒng)磁鐵結(jié)構(gòu)在工件近表面激發(fā)的磁場強度；新型磁鐵結(jié)構(gòu)z軸方向磁場強度提升了14.52%；相較于傳統(tǒng)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(tǒng)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。