曲折線圈折線角度對EMAT換能效率的影響

楊理踐，宋靖宇，高松巍，劉　斌

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

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曲折線圈折線角度對EMAT換能效率的影響

楊理踐，宋靖宇，高松巍，劉斌

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

針對曲折線圈型電磁超聲換能器的換能效率，分析了不同折線角度曲折線圈對EMAT(電磁超聲換能器)換能效率的影響。根據聲束指向原理，通過改變載流導線的角度,設計了0°、30°、60°、90°曲折線圈激勵產生電磁超聲導波，并采用收發分離式換能器結構在鋼板上進行檢測試驗。結果表明，曲折線圈載流導線角度為0°時，EMAT激發的聲波能量集中，方向性好，回波信號幅值強，為鋼板的長距離檢測提供了可能；曲折線圈載流導線角度增加為30°、60°、90°時，EMAT激發的聲波信號純凈，簡化了模態分析，對工程中鋼板檢測的信號簡化處理具有重要意義。

電磁超聲換能器;曲折線圈;鋼板;換能效率;折線角度

換能器中不同種類的線圈能夠產生不同種類的波形及換能效率，適用于不同的被檢對象，電磁超聲換能器(EMAT)在檢測時無需耦合劑、檢測范圍廣，還能夠在高溫、高速等惡劣環境下進行在線檢測，在板材、管道等檢測領域中應用普遍。

康磊等[1]通過仿真分析分別從EMAT磁鐵尺寸和線圈中導線的分布方式兩個角度對電磁超聲表面波換能器進行優化，信號幅度提高了39%。PETCHER P A等[2]運用數值模擬的方法設計了輕便易彎曲的EMAT線圈，能夠在10 mm內變化的提離距離下對鋼軌進行檢測，有效提高了缺陷檢測信噪比。黃鳳英等[3]研究了探頭提離距離、激勵信號電流幅值、激勵頻率等參數對EMAT換能效率的影響，為換能器的優化設計提供了理論依據。

筆者采用收發分離式電磁超聲換能器結構對鋼板進行檢測試驗，分析不同折線角度曲折線圈型EMAT產生的超聲回波信號，為EMAT的優化設計及其板材檢測提供試驗依據。

1　EMAT基本理論及方程

根據電磁超聲理論可知，電磁超聲波的產生涉及電磁場、力場、超聲波場三場耦合的結果。電磁場、力場、超聲波場共同構成了EMAT完整的作用原理，引起電磁超聲波的產生。

1.1EMAT理論方程

EMAT換能系統中的電磁超聲波場是由機械力學場、電磁波場、和超聲波場共同構成的，由麥克斯韋方程可計算導出電磁超聲波電場和磁場系統轉換的基本理論[5]，根據法拉第電磁感應定律，麥克斯韋方程組及邊界條件用如下方程描述：

(1)

各向同性彈性體中聲波的運動方程為：

(2)

(3)

式中：ρ為介質的體密度；u為帶電粒子的位移向量；r為介質的阻尼系數；ftotal為質點的總受力；λ、μ為被測材料的彈性常數；fL為洛倫茲力；fMS為磁致伸縮力；fM為磁化力。

這三種力的表達式分別為：

(4)

式中：:Je為密度向量；B0為靜態偏置磁場。

(5)

式中：:eT為磁致伸縮系數，由試驗得其具體值；H為動態磁場強度向量。

(6)

式中：:M0為磁化強度向量；B為變化的磁通密度向量。

周期性的高頻脈沖激勵EMAT線圈，在被測材料表面感應出的渦流會在靜磁場中產生高頻振動，引起應力波的傳播。其中，靜磁場減弱時，磁化力常忽略不計，鐵磁性材料中磁致伸縮力占主導作用；靜磁場逐漸增強時，鐵磁性材料被磁化飽和，洛倫茲力是超聲應力波產生的主要原因。

1.2EMAT換能機理

EMAT的換能機理包括洛倫茲力機理、磁化力機理、磁致伸縮力機理[6]。在鐵磁性材料中，EMAT的換能機理是由磁致伸縮機理以及洛倫茲力機理構成的，且一般磁致伸縮機理占主要作用。由于磁化力的作用非常微弱，通常忽略磁化力對超聲波產生的影響。

1.2.1洛倫茲力機理

根據法拉第電磁感應定律可知，EMAT中線圈的高頻交變電流會在鋼板趨膚層產生感應渦流，感應渦流可以看成是無數帶電粒子的集合，帶電粒子在磁場中受力產生高頻振動引起超聲波的傳播。洛倫茲力效應激發電磁超聲波的原理示意如圖1所示。

圖1　洛倫茲力效應激勵超聲波原理示意

由圖1可見，交變的洛倫茲力引起趨膚層帶電粒子受力振動，帶動周圍粒子一起以機械波的形式傳播。

1.2.2磁致伸縮機理

通以高頻交變電流的EMAT線圈,會在鋼板趨膚層中產生周期性交變電磁場，而具有磁致伸縮效應的鋼板在交變電磁場的作用下會產生周期性的壓縮或拉伸變化，這種周期性的變化引起質點的高頻振動，從而形成電磁超聲波[7]。磁致伸縮效應激勵超聲波原理示意如圖2所示。

圖2　磁致伸縮效應激勵超聲波原理示意

由圖2可見，在鋼板中激勵電磁超聲導波時，根據法拉第電磁感應定律，具有磁致伸縮效應的鋼板在交變電磁場的作用下產生周期性的伸縮或拉伸變化而引起材料的體積變化，周期性的體積變化引起質點的高頻振動，振動以機械波的形式傳播出去，形成電磁超聲波。

2　不同折線角度的曲折線圈

EMAT包括永磁鐵、載流線圈部分，其中線圈的類型和磁場的分布可直接影響換能效率。在折線角度為0°的直線型曲折線圈的基礎上，增加折線角度，設計不同折線角度的曲折線圈型EMAT。

為使激發的超聲波能量集中，根據聲束聚焦指向性原理，同心圓指向同一個圓心，將圓心視為聲束聚焦的焦點，截取同心圓的一段圓弧作為具有一定折線角度的曲折線圈，折線角度以焦點引出的兩條法線之間的夾角定義。同心圓曲折線圈設計原理示意，如圖3所示。

圖3　同心圓曲折線圈設計原理示意

基于同心圓弧線圓心交于一點的原理，設計具有不同折線角度的曲折線圈，分別取同心圓弧線夾角為整數倍角度30°、60°和90°，以折線為0°的曲折線圈為參考，保持線圈匝數一致，有效寬度一致。

在曲折型線圈的設計過程中，一般超聲波的波長與線圈結構滿足以下匹配條件：

(7)

式中：d為線圈間距；λ為超聲波在介質中傳播的波長；c為超聲導波傳播速度；f為激勵頻率。

在設計曲折線圈時，保證激發、接收線圈的間距相同，且滿足式(7)時，可實現激發和接收超聲波的最優轉換效率，同時減弱了其他模式的超聲波信號。試驗中超聲波波長λ為6 mm，因此能夠使換能效率達到最優的線圈間距為3 mm。

采用PROTEL軟件繪制線圈PCB版圖，制成硬PCB板。

不同折線角度曲折線圈的周期均為12，線寬1.5 mm，線間距為3 mm，有效長度為45 mm。

試驗中采用釹鐵硼永磁體提供水平偏置磁場，釹鐵硼永磁體尺寸(長×寬×厚)為50 mm×50 mm×30 mm，靜態磁場強度1.2T，用于提供方向平行于鋼板的偏置磁場。

3　試驗與結果分析

3.1檢測系統

曲折線圈EMAT試驗檢測系統由高頻脈沖發生器RAM-5000-SNAP、前置放大電路、濾波電路、阻抗匹配電路、換能器、示波器以及鋼板組成。試驗檢測系統框圖如圖4所示。

圖4　曲折線圈EMAT試驗檢測系統框圖

如圖4所示，通有高頻電流的曲折線圈在偏置靜磁場的作用下,會在鋼板趨膚層產生交變的渦流場;在靜磁場與交變磁場的共同作用下，鋼板趨膚層帶電粒子形成的渦流受到應力作用產生振動;該振動以超聲波的形式傳播出去，聲波被接收線圈接收，產生微伏級電壓，通過后續電路放大顯示。

采用收發分離式曲折線圈EMAT結構激發與接收超聲波。發射線圈采用不同折線角度的曲折線圈，接收線圈采用折線角度為0°、匝數為4匝的曲折線圈，線圈周期為12，間距為3 mm，線寬為1.5 mm，有效長度為45 mm。鋼板幾何尺寸(長×寬×厚)為1 500 mm×1 000 mm×6 mm。發射線圈、接收線圈與鋼板的提離距離均為0.3 mm。發射EMAT與接收EMAT在鋼板中的位置分布見圖5。發射EMAT和接收EMAT呈線性置于鋼板上方，間距為98 cm。

圖5　曲折線圈EMAT的位置分布示意

3.2試驗結果

根據線圈結構滿足的匹配條件式(7)，通過上位機軟件調節，確定換能器的換能效率最優時線圈的激勵頻率為470 kHz。折線角度為0°時的曲折線圈型EMAT的試驗結果如圖6所示。

圖6　0°曲折線圈EMAT試驗波形

直達波為由發射EMAT直接傳播至接收EMAT的超聲波，回波信號幅值較強，能量集中。模態波為接收EMAT接收到的折射或反射回波的疊加，是鋼板上下界面反射回波信號在介質中多次耦合疊加形成的結果，會導致回波信號難以識別，給后期回波信號的處理和分析帶來困難。

保持各參數不變，改變發射線圈類型，不同折線角度曲折線圈EMAT的試驗結果如圖7所示。由圖7可見：曲折線圈折線角度分別為30°、60°、90°時，直達波信號相比0°曲折線圈發射EMAT的回波信號略有減小，但模態減少,信號純凈,方便信號的后期處理。

圖7　不同角度曲折線圈EMAT試驗波形

由圖6,7可知:當發射EMAT與接收EMAT相對位置不變且參數匹配的情況下，保持線圈激勵頻率為最優頻率470 kHz，0°曲折線圈EMAT的回波信號幅值最大，指向性高，能量集中；隨著折線角度增加，回波信號純凈而便于識別，簡化了模態分析問題，為工程中鋼板缺陷檢測的信號簡化處理問題提供了依據。

4　結論

(1) 與折線角度為30°、60°、90°的曲折線圈相比，0°曲折線圈(直線型曲折線圈)EMAT激發的聲波能量集中，方向性好，回波信號幅值強，為鋼板的長距離檢測提供了可能。

(2) 折線角度為30°、60°、90°的曲折線圈EMAT激發的聲波信號純凈，無模態回波，簡化了模態分析，對工程中鋼板檢測的信號簡化處理具有重要意義。

[1]楊理踐,鄒金津,邢燕好.電磁超聲蘭姆波在鋁板傳播中的模態識別[J].儀器儀表學報.2014,35(4):910-916.

[2]PETCHER P A,DIXON S. A new electromagnetic acoustic transducer (EMAT) design for operation on rail[J]. NDT and E International,2014，65:1-7.

[3]黃鳳英,高東海.電磁超聲電聲轉換效率的影響因素分析[J].機械工程學報,2011,47(10):1-4.

[4]周海強,楊占鋒.靜態偏置磁場對鐵磁材料電磁超聲換能器信噪比的影響[J].無損檢測,2014,36(10):25-28.

[5]丁秀莉,武新軍,郭鍇.電磁超聲傳感器工作原理與結構[J].無損檢測.2015,37(1):96-100.

[6]康磊,金昱,潘峰，等.曲折線圈型電磁超聲表面波換能器的優化設[J].儀表技術與傳感器,2015(6):1-7.

[7]康磊,張曉輝,張雨平，等.電磁超聲蘭姆波換能器多目標優化設計[J].聲學技術,2012,31(5):535-538.

Effect of Different Line Angle of Meander Coil on EMAT Energy Transfer Efficiency

YANG Li-Jian,SONG Jing-Yu,GAO Song-Wei,LIU Bin

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

By studying the energy transfer efficiency of the meande coil electromagnetic ultrasonic transducer,the impact of meande coils with different line angles on the energy transfer efficiency of the EMAT was analyzed. According to the principle of acoustic beam pointing in the direction and by changing the angle of the current-carrying conductor,0 degrees,30 degrees,60 degrees,and 90 degrees meander coils were designed for the excitation of ultrasonic guided wave,and the transceiver separation transducer structure on the steel plate was adopted for experimental research. The results have shown that when the current-carrying conductor angle of the meander coil is 0 degree,the excitation acoustic energy of EMAT is focused,owing high directivity and strong echo signal amplitude,which provides the possibility for the long distance detection in the steel plate;when the current-carrying conductor angle of meander coil increased to 30 degrees,60 degrees and 90 degrees,the EMAT inspires pure acoustic signal of being easy to identify and simplify the modal analysis,which has great significance for the signal processing in steel plate detection of the engineering.

Electromagnetic ultrasonic transducer;Meander coil;Steel plate;Energy transfer efficiency;Line angle

2016-01-29

科技部國家重大儀表專項資助項目(2012YQ090175)；國家863計劃資助項目(2012AA040104)；國家自然科學基金資助項目(61571308)

楊理踐(1957-)，男，教授，博士生導師，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究。

高松巍，E-mail: gaosongwei888@163.com。

10.11973/wsjc201608006

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0026-04