一種簡便的電磁超聲測厚實現方法探究

康宜華 涂 君 楊 蕓 劉姚瑤

(華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引言

電磁超聲技術是無損檢測領域出現的一項新技術，國際上從20世紀60年代末便已開始進行這方面的研究。我國對于電磁超聲技術的研究始于20世紀70年代，主要以北京冶金鋼鐵研究總院張廣純為代表[1－4]。

電磁超聲探頭是通過電磁耦合方法產生和接收超聲波，與常規壓電超聲探頭相比，它具有精度高、非接觸性、無需耦合劑等優點，從而在工業自動化壁厚連續測量中具有明顯的優勢[5－7]。然而，電磁超聲探頭的換能效率較低，需要設計大功率脈沖電源[8－10]，同時，還必須設計高靈敏度濾波放大電路[1，11－12]，確保回波信號具有較高的信噪比。這樣大大增加了技術難度和開發成本，難以在現場工業生產中得到普及。

為此，本文提出一種新的方法，采用常規壓電超聲儀，配置合適的電路轉換模塊，對自制電磁超聲探頭進行激勵和接收超聲波，從而較好地解決了以上兩方面的難點，簡易方便地實現了電磁超聲測厚功能。

1 電磁超聲探頭優化設計

1.1 電磁超聲測厚基本原理

電磁超聲測量原理如圖1所示。

圖1 電磁超聲測厚原理圖Fig.1 Principle of electromagnetic ultrasonic thickness measurement

對置于被測金屬工件表面的線圈通以交變電流I，產生交變磁場，同時在工件趨膚層感應出渦流。若在線圈上再增加一個垂直于工件表面的磁場B，將會在工件內產生洛倫茲力FL，使其內部自由電子高速運動，并與晶格離子發生碰撞，引起質點振動，產生超聲波。

另外，交變磁場和外加磁場共同作用還會產生磁致伸縮力FM，也能產生超聲波。聲波向下傳播遇到工件底面后被反射回來，回波在磁場中產生渦流并被線圈接收。接收到的微弱信號經由前置放大器放大后，可以用示波器進行觀察。通過計算超聲波在工件上下表面間傳播的時間，即可換算得到工件的厚度。

1.2 增強型電磁超聲探頭設計

根據電磁超聲測厚原理，獲得較強回波信號有三條途徑：①增大直流磁場的強度，主要是永久磁鐵的強度;②提高檢測線圈的匝數;③提高前置放大器的增益[13]。

一般地，電磁超聲的換能效率比壓電超聲低40 dB左右，其回波信號會比較弱[14]，因此第三條途徑很難奏效。這是因為在提高放大倍數的同時，噪聲信號也會隨之增大，信噪比差。因此，有必要采用常規壓電超聲儀，通過對電磁超聲探頭的優化設計，最大限度地增強回波信號，從而實現電磁超聲測厚的工程應用。

1.2.1 檢測線圈參數特征

檢測線圈采用漆包線手工繞制而成，線圈參數直接影響到信號強度。在電磁超聲測厚方法的實施中，增加檢測渦形線圈的匝數有利于提高回波檢測信號的感應電壓。但在有限的空間范圍內，匝數的增加是有限的，且此時的線圈還是一個功率部件，承擔著激勵出強渦流的功能，因而減小線徑、增加匝數與提高激勵電流、增強驅動功率之間存在著矛盾。為了得到最佳的線圈參數，開展了以下試驗研究。

①線圈形狀對檢測信號的影響

采用Φ0.2 mm線徑的漆包線，繞制不同形狀的平面線圈，有圓盤型、橢圓型、矩形、跑道型。線圈成品采用3M雙面膠粘接在厚度為0.3 mm的兩層高耐磨性POM(聚甲醛)片之間，用于檢測壁厚為12.5 mm的鋼板。采用橫波激勵方式，選用永磁鐵提供偏置磁場，磁化方向垂直于鋼板表面(后述的試驗均采用該方式)。

試驗結果表明，矩形和跑道型線圈沒有激勵出超聲波，而圓盤型和橢圓型線圈均可以得到測厚回波信號。由于繞制橢圓型線圈重復性較差，而且圓盤型線圈得到的回波信號明顯優于橢圓型線圈，故本文采用圓盤型線圈進行后續對比試驗。

②線圈匝數對檢測信號的影響

試驗分別在 Ф180 mm鋼管、Ф220 mm鋼管和Ф256 mm鋼管上進行，檢測線圈外徑分別為：Ф10 mm、Ф13 mm、Ф16 mm、Ф18 mm、Ф25 mm、Ф30 mm，將第二次反射回波的信噪比進行對比，得到試驗結果如表1所示。

試驗表明，隨著線圈外徑的增加，回波信號愈加明顯。然而，外徑過大也會因渦流分散而引起信噪比大幅衰減，這與前面的判斷是一致的。另外，采用同一種線圈時，鋼管外徑越大，測厚效果愈佳。由于線圈與鋼管表面不能完全貼合，兩側存在間隙，并且隨著曲率的增大，其間隙也會不斷變大，從而造成鋼管表面渦電流減弱。同時，該區域內磁力線密度也隨之減小。

表1 不同線圈匝數下的信噪比對比結果Tab.1 Comparison of the S-N ratios under different numbers of coil turns

③提離高度對檢測信號的影響

在自動化測量以及高溫測量中，為避免探頭磨損和發熱，電磁超聲探頭與檢測材料必須是非接觸的。然而，檢測線圈與工件間的間隙過大，會導致信號幅值大幅度衰減。

通過試驗測試，當提離高度在0.3～0.6 mm之間變化時，測厚回波信噪比從18 dB迅速衰減到9.5 dB;當提離間隙繼續增加時，幾乎難以觀察到回波。因此，在檢測過程中應盡量減少間隙值。本文在設計探頭時，采用0.3 mm厚的POM片作為耐磨層，可以較好地解決耐磨和減小間隙的問題。

為確保探頭產生的超聲波只沿工件方向傳播，即消除探頭在永磁鐵內產生的超聲波，必須采用屏蔽層。由分析可知，提高線圈與磁鐵間隙即可。另外，選擇一種逆磁材料也可以達到同樣的目的。經試驗發現，選用銅片可以起到這種作用，該探頭最終采用0.2 mm薄銅片作為屏蔽層。

1.2.2 增強直流磁場的優化設計

在電磁超聲測厚技術中，外加穩恒磁場可以由永磁鐵、電磁鐵或脈沖磁鐵產生。由單一的永磁鐵提供的磁場強度很難達到很大，因此，采用增強直流磁場的方式是提高回波信號幅度最直接的方法。

①單一永磁磁化的對比試驗

為了消除永磁鐵內產生的超聲波，磁鐵與線圈之間存在一定間隙，因而開放的永磁磁路有效強度是有限的。試驗研究了三種永磁磁化方式對測厚回波信號的增強作用，對比試驗結果如圖2所示。其中，圖2(a)為在三種不同牌號的磁鐵下進行試驗得到的曲線;圖2(b)為采用周向聚磁方式，通過增大磁鐵的截面積得到的曲線;圖2(c)為采用單方向聚磁方式，通過增加磁鐵個數達到提高線圈內磁場強度的目的，從而得到的一組信噪比隨磁鐵個數變化的曲線。

圖2 永磁磁化方式的對比試驗結果Fig.2 Comparison of experimental results for three magnetized modes and permanent magnet(PM)

試驗結果表明，提高永久磁鋼的磁能積，或增大磁鐵的截面積和厚度，對于增強測厚效果的貢獻均有限。

②聚磁磁化的對比試驗

為加深磁化穿透深度，采用如下兩種方式進行試驗：上下穿透法和回磁通法，如圖3所示。其中m和n分別代表磁鐵的個數。

圖3 永磁聚磁磁化方法示意圖Fig.3 Schematic of two accumulating magnetic methods

試驗結果如圖4所示，其中序號為2的結果是采用回磁通法檢測得到，其余3個結果則是采用上下穿透法檢測得到。由圖4可以看出，采用這兩種磁化方式效果仍然有限。

圖4 永磁聚磁磁化方法試驗結果Fig.4 Experimental result of accumulating magnetic methods

③永磁加直流磁化方式

采用兩種磁化方式進行疊加相當于并行強化磁場。在永磁鐵下方增加一套通以直流電的勵磁機構，從而進一步加強鋼管表面的磁化強度。勵磁機構采用生鐵做鐵芯，在其上用線徑為1.5 mm的漆包線進行繞制作為勵磁線圈，匝數為1 000，給勵磁線圈通以最高30 V的直流電。當鐵芯與永磁鐵間間隙為20 mm時，信噪比最高可以達到19 dB。另外，在增加直流磁化時，將鐵芯加工成錐形的聚磁結構，對于輔助磁化的效果更為明顯。

通過以上試驗可以看出，這幾種方法均通過提高磁場強度以及優化磁化方式來加強測厚回波信號幅度。其中，方法①是采用單方向聚磁或者周向聚磁的方式加強表面磁化強度，方法②是用永磁鐵實現單方向并行磁化，通過改變聚磁磁路的方式來提升有效磁場強度。這兩種方法對于強化測厚效果是有限的。而方法③是利用永磁加直流磁化實現并行磁化，相比較前兩種方法，方法③能夠較大程度地提高電磁超聲測厚效果。

2 轉換器設計

系統采用常規探傷儀作為電磁超聲探頭的激勵與接收部分。考慮到壓電式超聲探頭為容性負載，常規探傷儀為其提供大電壓，而電磁超聲探頭屬于感性負載，需要大電流大功率，故需要一個轉換電路實現從大電壓到大電流的轉化，同時實現阻抗匹配。設計的轉換器電路如圖5所示。

圖5 轉換器電路Fig.5 Converter circuit

其中，高壓脈沖輸出的信號取自友聯PXUT-27(350C)發射端口，脈沖峰值為400～800 V，脈寬為100 ns，脈沖頻率為20 MHz，重復頻率為100 Hz。電磁超聲線圈為自制圓盤型線圈，電感值為14.45 μH。

設計轉換器電路時，利用R、L、C元件，盡量做到電阻部分負載和前級相等，電抗部分感性和容性抵消，實現與超聲儀本身輸出的匹配以及與后級電磁超聲探頭的匹配，使得探頭上獲得最大功率。

3 結束語

本文采用常規壓電超聲測厚儀代替傳統的電磁超聲測厚系統，避免了設計大功率脈沖電源和高靈敏度放大器，從體積和質量上進行了縮減;并成功研制了用于連接常規探傷儀和電磁超聲測厚探頭的轉換器，在此基礎上設計了增強型電磁超聲測厚探頭。便攜式電磁超聲測厚裝置的成功研制具有較為廣闊的應用前景，可以更好地實現工業測厚的需求。

[1]夏志敏.電磁超聲檢測技術初探[D].武漢：華中科技大學，2007.

[2]許守平.ASTM E816-96利用電磁超聲換能器(EMAT)技術進行超聲檢查的標準方法[J].無損探傷，2003，27(2)：20 －28.

[3]張廣純，陸原，李希英，等.電磁超聲自動探傷技術：中國，90109231.2[P].1991 －05 －01.

[4]陳蘇勁，張廣純，梁杰宇.電磁聲探傷裝置：中國，91203560.9[P].1991－12－04.

[5]張勇，陳強，孫振國，等.用于無損檢測的電磁超聲換能器研究進展[J].無損檢測，2004，26(6)：275 －278.

[6]王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器的研究進展綜述[J].儀表技術與傳感器，2006(5)：47 －50.

[7]張廣純.電磁聲(EMA)檢測技術的研究、開發與工程化[J].應用聲學，1995，14(2)：6.

[8]張永生，黃松嶺，趙偉.高頻脈沖電源的研制[J].電力電子技術，2008，42(7)：49 －50.

[9]高松巍，李冰，邢燕好.一種基于DDS技術的電磁超聲激勵電源[J].現代電子技術，2009，29(13)：5 －7，14.

[10]蒯淑君.電磁超聲測厚方法與系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[11]段偉亮，康磊，張曉輝，等.基于FPGA的電磁超聲測厚儀[J].儀表技術與傳感器，2010(4)：14 －16.

[12]聶文濱，闕沛文.智能化的電磁超聲高速采集系統[J].電子技術，2002(9)：524 －526.

[13]Mirkhani K，Chaggares C，Masterson C，etc al.Optimal design of EMAT transmitters[J].NDT＆E International，2004，37(3)：181 －193.

[14]康磊，王淑娟，翟國富.用于電磁超聲檢測系統的寬帶匹配電路的設計[J].儀表技術與傳感器，2007(4)：50－52.