電磁超聲換能器優化設計與板狀結構損傷成像應用研究*

郭 鵬,徐 鴻,田振華,鄧 博,藍 翔,陳顯會

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室,北京 102206)

電磁超聲換能器優化設計與板狀結構損傷成像應用研究*

郭 鵬,徐 鴻*,田振華,鄧 博,藍 翔,陳顯會

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室,北京 102206)

提出了一種用于板狀結構損傷成像的虛擬電磁超聲換能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)陣列。由螺旋線圈和圓柱形永磁鐵組成的電磁超聲換能器可以通過洛倫茲力在鋁板中有效地激發低頻散和高幅值的單一S0模態蘭姆波。實驗研究了電磁超聲換能器配置參數(如激發頻率,螺旋線圈外徑、螺旋線圈內徑和提離距離)對S0模態蘭姆波性能的影響。另外,將接收電磁超聲換能器移動到用于接收蘭姆波的多個預定義位置來構建虛擬傳感器陣列,實驗研究了陣元間距和陣元數量對成像結果的影響。結果表明,通過相控虛擬聚焦成像方法,虛擬電磁超聲換能器陣列的成像結果與實際損傷位置吻合良好。

電磁超聲換能器;洛倫磁力;優化設計;S0模態;損傷檢測;陣列成像

電磁超聲換能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)是通過洛倫茲力原理或磁致伸縮效應在導電或磁性材料中產生蘭姆波[1]。因為EMAT依賴于電磁耦合而不是機械耦合,所以EMAT無需在傳感器和測試板之間產生物理接觸,EMAT也不需要通過任何超聲波耦合劑或粘合劑將傳感器與待測結構表面接觸,可以通過將EMAT移動到用于激發和接收蘭姆波的多個預定義位置來構建虛擬傳感器陣列。EMAT的另一個優點是可以通過優化傳感器的設計來激發所需模態的導波[1-6]。近年來,通過EMAT激發和接收蘭姆波用于板狀結構的損傷檢測已經成為一種主流的無損檢測技術之一。

為了提高EMAT接收信號的強度和信噪比,大量學者的研究工作為EMAT激發和接收超聲導波奠定了理論基礎,并提出了數值模型。然而,相關實驗研究仍然缺乏。楊理踐[7,8]通過仿真計算研究了金屬板檢測中的電磁超聲蘭姆波換能器的換能機理,得出了低頻率范圍內A0、S0模態蘭姆波具有遠傳特性;焦敬品[9]研制了一種周向一致蘭姆波電磁超聲換能器,有效地激勵單一模態的S0蘭姆波,滿足板狀結構大范圍無損檢測;Huang S[10]提出了一種由回折線圈構成的全周向電磁超聲換能器,該換能器可以激發高信噪比的單一A0模態蘭姆波,并利用有限元模擬了在不同提離距離下交變磁場的分布和磁場強度;范吉志[11]借助于COMSOL Multiphysics軟件研究了基板厚度、銅箔厚度和提離距離對電磁超聲換能器性能的影響;江念[12]研究了激勵信號頻率、脈寬及換能器提離距離對厚度測量結果的影響;Kang L[13]建立了基于洛倫磁力的電磁超聲換能器的三維模型,研究了各種EMAT參數(線圈長度、線圈寬度、提離距離,磁體尺寸和電流)對信號幅度的影響。為了在實際應用中更好地選擇EMAT的最佳結構配置,本文對EMAT結構配置參數的優化設計進行了大量實驗研究。

本文提出了一種用于板狀結構損傷成像的虛擬EMAT陣列,虛擬陣列是通過將EMAT移動到多個預定義位置來構建EMAT陣列。在本文中第一小節介紹了蘭姆波的基本原理,并解釋了EMAT如何通過洛倫茲力激發和接收蘭姆波的原理;第二小節探討了用于產生S0模態蘭姆波的EMAT的優化設計,并研究了EMAT配置參數(如激發頻率,螺旋線圈外徑,螺旋線圈內徑和提離距離)對S0模態蘭姆波性能的影響,從而可以在鋁板中激發低頻散和高振幅的S0模式;在第三小節中,利用虛擬EMAT陣列,通過相控虛擬聚焦成像算法,對帶有通孔的鋁板進行損傷成像。

1 EMAT激發和接受蘭姆波的基本原理

1.1 鋁板中蘭姆波傳播特性

蘭姆波是在板狀結構中傳播的超聲導波,根據質點振動方向的不同,可分為對稱模態(S)和反對稱模態(A)。對于各向同性均勻介質,由對稱和反對稱模態的頻散方程可以得到平板中蘭姆波的頻散曲線,如圖 1所示[2]。對于厚度一定的鋁板,在低頻域,反對稱模態A0的速度隨頻率變化劇烈,而對稱模態S0的速度近似保持穩定;在高頻域,高階模態(A1,S1,S2和A2)隨著頻率的增加逐漸出現。蘭姆波的多模態和頻散特性會對損傷檢測和損傷成像造成干擾。因此,在許多基于蘭姆波的損傷成像方法中,需要低頻散的單一模態。在本文中,我們采用的是S0模態,相對于A0模態,S0模態在低頻域具有低頻散特性,且具有較高的傳播速度。

剪切模量μ=70 GPa,密度ρ=2 700 kg/m3,泊松比ν=0.33圖1 鋁板中蘭姆波的頻散曲線

圖2 基于洛倫磁力的EMAT設計

1.2 基于洛倫茲力的EMAT

圖 2為基于洛倫茲力的EMAT的三維示意圖和實物照片。基于洛倫茲力的EMAT由圓柱形永磁體和平面螺旋線圈組成,圓柱形永磁體提供垂直靜磁場,平面螺旋線圈提供交變磁場,螺旋線圈在垂直靜磁場作用下可以對待測平板進行全周向的損傷檢測。如圖2(a)和(b)所示,圓柱形永磁鐵主要成分是Nd2Fe14B,由于永磁鐵具有高靈敏度,且不產生電磁噪聲和機械振動,所以能夠實現高轉換效率。在圖2(b)中,傳感器外殼由亞克力板制成,外徑為22 mm,壁厚為2 mm,高度為30 mm。圓柱形永磁體的外徑為15 mm,高度為20 mm。螺旋線圈由布置在印刷電路板正反兩面的螺旋銅線繞制而成,銅線的直徑0.25 mm,相鄰銅線線圈間距為0.25 mm,印刷電路板基板的厚度0.8 mm。

在圖 2(c)中,當螺旋線圈通入交變電流時,螺旋線圈周圍會形成一個交變磁場。然后,在這個交變磁場的作用下,待測平板中產生感應渦流,其方向與螺旋線圈中電流的方向相反。平板中的感應渦流和永磁鐵提供的垂直靜磁場相互作用下會在平板中形成洛倫磁力,在該洛倫磁力影響下,平板中質點會產生周期性振動,并以波形的形式沿著平板傳播,完成EMAT在平板中激發蘭姆波的過程。EMAT對蘭姆波的接收過程與激發過程相反,當蘭姆波沿平板傳播到EMAT底部時,由于平板中質點振動切割靜磁場,平板中就會產生感應電動勢和感應渦流,導致EMAT周圍的磁場發生變化,螺旋線圈中隨之發生變化。最后,通過電壓信號獲得蘭姆波。

2 EMAT優化設計

在EMAT的優化實驗中,EMAT配置參數對傳感器性能有不同的影響。主要性能指標包括蘭姆波信號幅值和信噪比。信噪比被定義為S0模態的幅值與最大噪聲的比值。當損傷檢測進行時,接收信號具有特定的噪聲,其強度太高則不能形成具有一定幅值的波包,將會干擾我們對有缺陷的波包的判斷,使得缺陷不能被清楚地識別。在本小節中,描述了EMAT的配置參數對其性能的影響,影響傳感器性能的EMAT配置參數為激發頻率、螺旋線圈外徑、螺旋線圈內徑和提離距離。

2.1 激發頻率優化

本小節通過建立了一套實驗檢測系統來實現蘭姆波的激發和接收。該實驗檢測系統工作流程如圖3所示,主要包括計算機、信號發生器、電磁超聲換能器、信號放大器和數據采集卡。信號發生器可以激發穩定的脈沖信號,其峰-峰值為10 V,最大激發頻率為5 MHz。數據采集卡使用NI USB-5133,它能提供兩個同時采樣的通道,分辨率為8位,帶寬為50 MHz,最大采樣速率高達100 Msample/s。

圖4 采用EMAT激發和接收蘭姆波和激發頻率優化實驗

圖3 實驗檢測系統流程圖

由LabVIEW軟件編程的控制程序發出一個激勵信號命令,隨后信號發生器向功率放大器輸入周期性的脈沖信號,同時輸出一個同步信號給數據采集卡。然后經過阻抗匹配后的信號輸入到激發EMAT,阻抗匹配的目的是使螺旋線圈中的電流最大化,然后在鋁板中形成強烈的渦流,如圖4(a)所示。根據洛倫茲力的EMAT工作原理,蘭姆波沿著鋁板傳播,被另一個EMAT接收。接收到的信號屬于弱信號,在接收到的信號可被數據采集卡識別之前,需要由前置放大器進行放大,如圖4(b)所示。當信號發生器的同步信號被接收到時,數據采集卡開始信號采集,然后將其傳送到計算機進行存儲。

如圖1所示,EMAT可以在低頻域同時激發具有不同傳播速度的A0和S0模態蘭姆波。隨著激發頻率的變化,S0和A0模態蘭姆波的振幅將會相應變化。因此,實驗研究了激發頻率和蘭姆波振幅之間的關系,以確定EMAT的最佳激發頻率。最佳激勵頻率可以最大化地抑制A0模態蘭姆波激發,能夠在鋁板中獲得單一的S0模態蘭姆波。在最佳激發頻率優化實驗中,螺旋線圈的外徑和內徑分別為28 mm和0 mm。圓柱形永磁體的磁場強度為0.3 T。鋁板的長度1 m,寬度1 m,厚度2 mm。兩個EMAT傳感器之間的距離為1 000 mm。其中一個換能器用作激勵換能器,其激發漢寧窗調制的5周期正弦波作為激發信號,另一個換能器用作接收換能器,如圖4(a)和(b)所示。

圖5 螺旋線圈外徑實驗

在實驗中,激發頻率范圍為100 kHz～400 kHz,實驗結果如圖4(c)所示。隨著激勵頻率的增加,A0模態和S0模態振幅初始增加后降低。S0和A0模態的幅值比最初隨著頻率的增加而增加,在225 kHz的頻率下達到最大值,然后隨著頻率的進一步增加而降低。因此,激發頻率對EMAT模態選擇有較大的影響。我們可以通過優化激發頻率來增強S0模態蘭姆波并抑制A0模態蘭姆波,在最佳激發頻率下可以得到所需模態的蘭姆波。

2.2 螺旋線圈外徑優化

本小節為了優化螺旋線圈外徑,設計了不同螺旋線圈外徑的EMAT,如表1和圖5(a)所示。除螺旋線圈外徑外的EMAT所有參數均相同。由圖5(b)可以看出具有不同螺旋線圈外徑的EMAT在不同激發頻率下S0模態蘭姆波幅值變化情況。不同螺旋線圈外徑的EMAT具有不同的最佳激發頻率,且該最佳激發頻率會隨著螺旋線圈外徑的增加而減小。將不同螺旋線圈外徑的EMAT在各自最佳激發頻率時的S0模態信號幅值和信噪比數據提取并繪制曲線,如圖5(c)所示,S0模態信號幅值隨著螺旋線圈外徑增加而增加。而S0模態信號信噪比呈現出不規側的變化規律,在螺旋線圈外徑為16 mm時,其信號信噪比最高。因此,改變螺旋線圈外徑大小將直接影響信號強度。在相同條件下,當螺旋線圈外徑增大時,鋁板中的渦流面積增加,從而產生較大的洛倫茲力,從而使蘭姆波強度增加。由于螺旋線圈外徑的變化,信噪比沒有呈現規律性地增加,這表明通過改變螺旋線圈外徑來改善信號強度,但并不一定能獲得良好的信號純度。當選擇最合適的螺旋線圈外徑以進行損傷檢測時,必須考慮諸如信號強度、信號純度和傳感器大小等方面的因素。

表1 不同的螺旋線圈外徑

另外,波長和螺旋線圈外徑之間存在關系,如圖5(d)所示。利用頻散曲線計算得到各個EMAT在最佳激發頻率下的波長,隨著螺旋線圈外徑的增加,波長呈現線性增加的趨勢,并且螺旋線圈的外徑與波長的比值約為1.2,該比值為確定EMAT最佳激發頻率和螺旋線圈外徑提供便利。

2.3 螺旋線圈內徑優化

本小節設計了5種具有不同螺旋線圈內徑的EMAT,如表2和圖5(a)所示,研究了螺旋線圈內徑對EMAT的影響。在實驗中,除了螺旋線圈的內徑以外的所有參數是一致的。

表2 不同的螺旋線圈內徑

圖6(a)顯示了不同頻率下S0模態蘭姆波幅值隨頻率變化情況。具有不同螺旋線圈內徑的EMAT的最佳激發頻率沒有顯著變化,主要集中在225 kHz～250 kHz范圍內。螺旋線圈內徑越大,導致S0模態蘭姆波幅值越小。螺旋線圈內徑增加,使得螺旋線圈的有效面積和鋁板中產生的渦流面積都減小。因此,S0模態蘭姆波幅值降低。如圖6(b)所示,具有不同螺旋線圈內徑的EMAT在最佳激發頻率下的S0模態幅值隨著內徑增加而逐漸減小,當螺旋線圈的內徑為0 mm時,信噪比最高。當內徑為14 mm、10 mm和6 mm時,信噪比僅略微變化。然而,當內徑大于外徑的一半時,信噪比會急劇下降。

圖6 螺旋線圈內徑實驗

上述實驗結果表明,當螺旋線圈內徑為0 mm時,S0模態蘭姆波在信號強度和信號純度方面都具有最佳性能。因此,在后續實驗中使用螺旋線圈內徑為0 mm的EMAT進行更準確的損傷檢測。

2.4 EMAT提離距離優化

非接觸是電磁超聲換能器最大的優點[1-6]。電磁超聲換能器可以在不接觸鋁板的情況下,在鋁板中形成感應渦流并激發蘭姆波。因此,對于待測平板,表面不需要進行預處理測,以減少檢測所需的時間和精力。提離距離是電磁換能器和鋁板之間的距離,如圖2(c)所示。當傳感器的提離距離越大時,傳感器的非接觸性就越好。當提離距離足夠大時,EMAT可用于高溫加熱面的在線檢測。因此,研究提離距離對傳感器性能的影響是有意義的。在研究傳感器提離距離的優化實驗中,螺旋線圈外徑和內徑分別為14 mm和0 mm。S0模態蘭姆波幅值和信噪比的曲線如圖 7所示。在圖7(a)中,激發EMAT的提離距離在0～2.2 mm的范圍內變化,接收EMAT的提離距離設定為0 mm。圖7(b)顯示了相反的情況。隨著激發或接收EMAT的提離距離的增加,S0模態蘭姆波幅值和信噪比降低。實驗證明了電磁超聲換能器確實具有非接觸能力。

圖7 S0模態和信噪比的曲線圖

3 板狀結構損傷成像實驗

由于電磁超聲換能器可以在不使用超聲波耦合劑或粘合劑的情況下在板狀結構中產生蘭姆波,本小節利用優化的電磁超聲換能器構建虛擬EMAT陣列,通過相控虛擬聚焦成像方法,對帶有通孔的鋁板進行損傷成像檢測,研究了陣列間距和陣元數量對成像結果的影響。

3.1 相控虛擬聚焦成像算法

本小節描述的相控虛擬聚焦方法利用單個固定位置的EMAT作為激發端,另一個EMAT通過自由移動到多個預定義位置構成虛擬陣列作為接收端。根據EMAT陣列陣元到虛擬焦點的距離計算時間差,然后將時間差分配給相應的回波信號,用于計算機中信號的虛擬合成[14-17]。合成后,虛擬焦點就會出現能量聚集現象,從而可以識別損傷的位置和大小,如圖8所示。

損傷成像需要精確計算每個回波信號疊加的時間延遲。圖8示出了一維虛擬EMAT陣列的布局,其中T是激發換能器,點T和點P之間的時間是固定的。點P是損傷,R是接收換能器,假設陣列元素n是從點P到接收換能器的最遠點,則每個接收換能器的時間延遲計算如下:

(1)

式中:τi是第i個陣元的時間延遲;c是S0模態蘭姆波的波速;(xn,yn)和(xi,yi)分別是第n個和第i個陣元的坐標。

圖9 10個接收換能器陣列具有不同陣元間距的損傷成像(λ=12 mm)

3.2 損傷成像檢測實驗

本小節實驗中EMAT的螺旋線圈的外徑和內徑分別是14 mm和0 mm,鋁板為700 mm×800 mm×1 mm。每次激發頻率優化時,主頻率為450 kHz。當激發頻率為450 kHz時,1 mm厚的鋁板中的S0模態蘭姆波的傳播速度為5.36 km/s,S0模態蘭姆波波長λ=12 mm。

為了更好地確認傳感器和缺陷位置,建立如圖8的直角坐標系。損傷為一個直徑10 mm的通孔,其坐標為(350 mm,550 mm)。激發端的坐標為(400 mm,11 mm),每個接收換能器陣元的y坐標均等于11 mm,即每個接收換能器陣元平行于激發換能器。第1個接收換能器陣元的x坐標為x=300 mm,其他接收換能器陣元的x坐標基于陣元間距和陣元數量計算得到。在實驗中將陣元間距設置為波長的倍數。以陣元間距λ=12 mm為例,第16個接收換能器陣元的坐標為(120 mm,11 mm)。

圖8 一維電磁超聲傳感器陣列布局

波場的相位疊加會隨陣元間距變化而變化。當陣元間距過大時,會產生柵瓣,從而影響損傷成像的對比度。本小節實驗中接收換能器陣元間距分別取0.5λ、1λ和1.5λ,接收換能器陣元數量均為10個,損傷成像結果如圖9所示。圖 9中紅色圓圈代表通孔實際位置,其坐標為(350 mm,550 mm)。接收換能器陣元間距分別取0.5λ、1λ和1.5λ時,損傷成像顯示的通孔坐標分別為(530 mm,529 mm),(268 mm,555 mm)和(503 mm,536 mm),損傷位置偏差分別為181.22 mm,82.15 mm和153.64 mm。當陣元間距為1λ時,損傷成像偏差最小。

當接收換能器陣元間距定為1λ時,分別取接收換能器陣元數量為10、13和16來研究陣元數對損傷成像的影響。損傷成像如圖 10所示。在圖 10中,陣元數量為10、13和16的損傷成像通孔的位置坐標(268 mm,555 mm),(344 mm,560 mm)和(350 mm,555 mm),而通孔的實際位置坐標(350 mm,550 mm),相應的位置偏差分別為82.15 mm,11.66 mm和5 mm。隨著陣元數量增加,損傷位置偏差減小,成像的準確性得以提高。當陣元數量為16時,損傷位置偏差僅為5 mm,小于通孔的半徑(直徑等于10 mm),表明通孔成像位置和實際位置完全吻合。

圖10 接收換能器陣元間距為1λ時不同陣元數量的損傷成像

4 結論及展望

本文設計了一種基于洛倫茲力的電磁超聲換能器,該電磁超聲換能器由螺旋線圈和圓柱形永磁體組成,適用于非鐵磁性板狀結構的全周向檢測。另外,利用該電磁超聲換能器構建虛擬電磁超聲換能器陣列損傷檢測系統,通過激發單一S0模態蘭姆波,實現板狀結構損傷成像檢測。實驗研究了EMAT配置參數對S0模態蘭姆波信號強度和信噪比的影響規律,包括激發頻率、螺旋線圈外徑、螺旋線圈內徑和提離距離等參數,得到的優化實驗結果:①不同配置參數的EMAT具有不同的最佳激發頻率,在最佳激發頻率下可以獲得有更高的信號強度和信噪比;②螺旋線圈的外徑對EMAT的性能有很大的影響,螺旋線圈外徑通常是最佳激發頻率下S0模態蘭姆波波長的1.2倍;③當螺旋線圈內徑為0時,EMAT在信號強度和信噪比方面表現最好;④增加提離距離會降低EMAT的性能,但是EMAT能夠在適當的提離距離內實現非接觸無損檢測。換能器陣元間距和陣元數量對損傷成像有影響,當陣元間距等于S0模態蘭姆波波長時,損傷成像效果最佳。隨著陣元數量的增加,損傷處能量聚焦效果更好,損傷檢測更準確。

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郭鵬(1986-),男,河南滎陽人,博士研究生,主要研究方向為超聲導波檢測技術,guopeng0228@163.com;

徐鴻(1959-),男,教授、博士生導師,主要研究方向為結構健康監測和超聲無損檢測技術,xuhong@ncepu.edu.cn。

OptimalDesignofElectromagneticAcousticTransducerandApplicationResearchofDamageImagingforPlate-LikeStructures*

GUOPeng,XUHong*,TIANZhenhua,DENGBo,LANXiang,CHENXianhui

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

This paper presents a virtual electromagnetic acoustic transducer(EMAT)array for damage imaging in plate-like structures. The EMAT,consisting of planar spiral coils and cylindrical permanent magnets,can efficiently excite low-dispersive and high-amplitude singleS0mode Lamb wave through the Lorentz force in aluminum plates. The effects of EMAT configurations parameters(such as excitation frequency,outer diameter of the spiral coil,inner diameter of the spiral coil and lift-off distance)on the performance of excitedS0mode are investigated experimentally. In addition,a virtual transducer array can be constructed by moving the receiving EMAT to multiple pre-defined locations for sensing Lamb waves. The effects of array element spacing and array element number on the imaging result are investigated. The result shows that the imaging result of the EMAT array agrees well with the actual crack location by phased virtual focus imaging method.

electromagnetic acoustic transducer;Lorentz force;optimal design;S0mode;damage detection;array imaging

TB552;TB559

A

1004-1699(2017)11-1758-08

項目來源:國家自然科學基金項目(51134016,11074073);中央高校基本科研業務費專項資金項目(2016XS25)

2017-08-29修改日期2017-09-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.024