電磁超聲鋼板測厚裝置中脈沖電磁鐵的設計

邱佳明　丁漢紳　王淑娟

摘要：針對傳統電磁超聲換能器（dectromagnetic acoustic transduccr，EMAT）在鋼板表面移動困難、探頭易磨損等問題，提出利用脈沖電磁鐵替代永磁鐵為換能器提供偏置磁場的方法。該方法通過控制激勵電流來控制脈沖電磁鐵僅在超聲體波發射接收瞬間激發脈沖磁場，提高換能器在試件表面多點測量時的移動性。通過對脈沖電磁鐵勵磁線圈、鐵芯以及驅動電路的設計，使得脈沖磁場滿足EMAT對于偏置磁場強度及維持時間的需求。為測試該脈沖電磁鐵的性能，搭建電磁超聲鋼板測厚實驗平臺。結果表明：激勵電流仿真值與實測值相似度達90%，脈沖電磁鐵可產生峰值約0.8T、維持時間120μs的脈沖磁場，以該方法設計的換能器可對50Inn厚鋼板進行測厚同時具有良好的移動性。

關鍵詞：電磁超聲換能器；脈沖電磁鐵；測厚；移動性

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0077-06

0引言

電磁超聲鋼板測厚技術屬于非接觸式檢測，具有結構簡單、無需耦合劑的優點。其核心組件電磁超聲換能器通常由發射（接收）線圈、永磁鐵和待測試件3部分組成，工作中依靠換能器在鋼板中激發體波，通過測量體波信號的往返時間計算試件厚度。實際應用中EMAT需在試件表面不斷移動進行多點測量，但永磁鐵磁場時時存在，使得換能器部分在鋼板表面移動困難、易磨損。而脈沖電磁式電磁超聲換能器（pulsed electromagnetic acoustic transducer，PE-EMAT）通過控制脈沖電磁鐵的激勵電流可以控制所激發磁場的強弱和有無，僅在工作周期內對試件有吸附力，大大提高了換能器在試件表面多點測量時的移動性。

脈沖電磁式電磁超聲換能器的核心是脈沖電磁鐵，目前在電磁超聲鋼板測厚領域，對脈沖電磁鐵的相關研究較少，僅在個別團隊中進行。如英國華威大學的F.Hernandez-Valle和S.Dixon設計了一個可對表面溫度300℃的鋼板進行測厚的大體積脈沖電磁鐵；俄羅斯烏拉爾聯邦大學的A.V.Mikhailova，Yu.L.Gobov等設計了一款能耗較高但可產生1.8T脈沖磁場的U型脈沖電磁鐵：張恒等以硅鋼片為鐵芯設計了一種用于鋼軌探傷的E型脈沖電磁鐵；西安交通大學裴翠祥、肖盼等設計了一種以脈沖電流源為激勵的薄片式脈沖電磁鐵，可貼在表面彎曲的試件上進行檢測。近些年脈沖電磁式電磁超聲換能器愈發向小型化、低能耗的便攜性設備方向發展，但文獻中提到的幾種脈沖電磁鐵存在體積大或能耗高等問題，無法應用在便攜性設備中。

本文為提高電磁超聲換能器在試件表面的移動性，從工作回路分析、鐵芯選材、勵磁線圈參數計算以及仿真驗證等角度出發，設計了一種小型脈沖電磁鐵。該脈沖電磁鐵具有體積小、質量輕、移動性好等特點。在便攜式的電磁超聲鋼板測厚裝置中有一定的應用價值。

1PE-EMAT測厚機理

PE-EMAT由發射（接收）線圈、脈沖電磁鐵和待測試件3部分組成。本文采用測厚常用的蝶形線圈配合脈沖電磁鐵激發電磁超聲體波，其激發機理主要為洛倫茲力。電磁超聲體波激發原理如圖1所示，蝶形線圈內通入高頻交變電流，在鋼板集膚深度內感應出渦流，脈沖磁場與渦流相互作用產生洛倫茲力進而引起鋼板內質點的周期性振動，完成超聲體波的發射。接收是發射的逆過程，最終在接收線圈內感應出微伏級的電壓信號。已知體波在鋼板中的傳播速度為3 250m/s，通過測量回波的反射時間可計算出鋼板的厚度。

PE-EMAT的完整工作過程如圖2所示。首先，脈沖激勵裝置為儲能電容充滿能量：儲能電容向勵磁線圈放電，通過產生強電流脈沖激發脈沖磁場：經過時長為t₁的勵磁時間后，脈沖磁場達到峰值區域；此時，發射系統為蝶形線圈通入互補脈沖對驅動發射電路激發出電磁超聲體波；t₂時間內可接收到多次反射回波。

2小型脈沖電磁鐵的設計

脈沖電磁鐵分含鐵芯與不含鐵芯兩類，與不含鐵芯的脈沖電磁鐵相比，含鐵芯的脈沖電磁鐵可在相同激勵電流下激發更強的脈沖磁場，驅動電路結構簡單、體積小。因此本文采用含鐵芯形式的脈沖電磁鐵。

2.1脈沖電磁鐵鐵芯的選材

制作脈沖電磁鐵鐵芯的常用材料為硬磁材料和軟磁材料。硬磁材料被磁化后，即使外磁場消失也能保持穩定的磁場，限制了PE-EMAT在試件表面的移動能力。而軟磁性材料剩磁小、磁導率高，在外磁場作用下磁化及退磁速度極快，可保證PE-EMAT在工作周期前后對試件無吸附力，可自由移動進行多點測量。為此本文選擇軟磁材料制作脈沖電磁鐵鐵芯。

軟磁性材料中的錳鋅鐵氧體鐵芯形狀豐富、廉價易得，同時具有較好的磁性參數。其電阻率為102μΩ·cm，剩磁為0.000 1T，工作過程中能夠將渦流損耗和剩磁損耗大大降低。并具有較高的磁導率（可達5 000H/m），能夠在極短時間內被飽和磁化，與勵磁線圈產生的磁場相疊加后可產生較強的脈沖磁場。因此本文選擇錳鋅鐵氧體作為脈沖電磁鐵的鐵芯。

2.2脈沖電磁鐵工作回路分析

脈沖激勵電路示意圖如圖3所示，脈沖電磁鐵在電路中等效為電阻R與電感L串聯，由初始電壓為U₀的高壓電容C提供脈沖激勵。

此脈沖放電過程為RLC二階暫態電路，可由下式分析其勵磁電流I的變化情況：

電路為臨界阻尼狀態，是處于正向放電與衰減震蕩的臨界情形如圖4中曲線2所示。

電路為欠阻尼狀態，此過程脈沖電流波形存在衰減震蕩的過程如圖4中曲線3所示。由圖4可知，讓電路工作在欠阻尼狀態下，可在短時內獲得脈沖大電流，同時在回路中加入開關管即可消除電流震蕩的負半周。對于勵磁電流，，關鍵指標是峰值，m與峰值區域寬度T_bo。T_b是指勵磁電流滿足0.95I_m≤I≤ I_m的區間寬度。

為使錳鋅鐵氧體磁芯工作在飽和磁化狀態，勵磁線圈內部產生的脈沖磁場幅值H_m應為錳鋅鐵氧體矯頑力（16A/m）的5-7倍為宜。在線圈匝數較少（匝數<100），鐵芯體積較小情況下（長、寬、高≤20mm），根據文獻中Hm的計算方法，換算出的勵磁電流的峰值約為250-300A，本文選取，Ⅲ=260A。T_b影響EMAT線圈的工作時間，當被測試件為中厚鋼板時，EMAT線圈通常工作50-120μs，本文為檢測到多次回波取T_b=120μs。

2.3磁芯及勵磁線圈的設計

1）磁芯形狀的設計

大量關于電磁超聲換能器優化設計的研究表明，永磁鐵形狀為圓柱形時換能器性能較好。為此本文設計圓柱形脈沖電磁鐵為換能器提供偏置磁場。為提高換能器的便攜性，脈沖電磁鐵的體積應盡量小，保證底部截面能夠覆蓋蝶形線圈即可。本文采用的蝶形線圈尺寸為Φ10 mm，為此選擇尺寸為Φ12 mm×10.2 mm的圓柱形錳鋅鐵氧體作為磁芯。

2）勵磁線圈的設計

本文制作脈沖電磁鐵的方法是用漆包銅線在錳鋅鐵氧體鐵芯上密繞多層，如圖5所示，其中n為勵磁線圈內徑，r₂為外徑，l為勵磁線圈縱向長度，d為線徑。

已知磁芯尺寸的情況下，由上文求出的R和L的值可確定勵磁線圈的參數。由文獻可知，含有鐵芯的通電線圈其電感L與電阻R可由下式進行計算：

化簡后上式僅含有Ⅳ與d兩個未知量，解方程可求出勵磁線圈線徑與匝數的估值：d=0.394--0.401 mm，N=67-72匝。

參考上述理論和仿真分析的結果，本文以尺寸為Φmm12×10.2 mm的柱形錳鋅鐵氧體為磁芯，采用線徑0.4 mm的漆包銅線在其上均勻繞制4層共70匝。按上述方法制作的小型脈沖電磁鐵電阻值R：489mΩ，電感L：155μH，體積：3282mm³，質量：10g。

3脈沖電磁鐵驅動電路的設計

脈沖電磁鐵驅動電路由高壓電容充電電路及脈沖成型電路兩部分組成。其中高壓電容充電回路采用單端反激拓撲結構，如圖6所示，由反激變壓器、開關管、儲能電容、電壓檢測模塊以及控制模塊組成。

工作過程中控制模塊及電壓檢測模塊構成閉環回路，控制反激變換器將能量從原邊向副邊的高壓電容傳遞，以此方法設計的充電回路可將1 000μF的高壓電容在0.4 s內充電至200V，如圖7所示。

脈沖成型電路如圖8所示，選用大電流IGBT作為開關器件，開通后將儲能電容中的能量迅速釋放到勵磁線圈中，通過產生大電流建立強脈沖磁場；IGBT關閉后電路中電流為0，磁場逐漸消失。為驗證驅動電路設計的合理性，根據LCR表測得的R與L，本文利用Pspice電路仿真軟件模擬脈沖電磁鐵勵磁線圈中電流的變化情況。

將U₀=200V，C=1 000μF，R=489mΩ，L=155μH代人仿真模型，得到的勵磁電流仿真結果如圖9中虛線所示，并使用電流檢測探頭測得勵磁電流實際變化曲線如圖9中實線所示，可看出實測結果與仿真結果相似度達90%。同時，從圖中可以看出電流峰值維持在260A鄰近區間的時間約為120μs，驗證了理論分析的正確性。

4實驗驗證

脈沖電磁式電磁超聲鋼板測厚實驗平臺搭建如圖10所示。

待測鋼板的尺寸為180mm×180mm×50mm。實驗中CPLD控制電路負責各部分電路的時序控制，由脈沖電磁鐵提供脈沖磁場，通過蝶形線圈完成超聲波信號的發射與接收，輸出信號可通過示波器記錄和觀察。

4.1磁場測量實驗

為了對脈沖磁場進行測量，本文基于日本旭化成有限公司研發的HG-106C型高精度霍爾元件設計制作了線性度良好的霍爾傳感器，對脈沖電磁鐵正下方磁場進行測量所得結果如圖11所示。

由圖可看出脈沖磁場建立時間為380μs，峰值為0.8 T，維持時間約為120μs。該脈沖磁場可滿足PE-EMAT單個工作周期內對于偏置磁場強度及維持時間的需求。

4.2鋼板測厚對比實驗

在對鋼板的測厚實驗中分別用圓柱型釹鐵硼永磁鐵（磁感應強度為0.54T）和本文制作的脈沖電磁鐵為EMAT線圈提供外磁場。保持信號放大倍數相同的情況下，得到的實驗結果如圖12所示。與永磁鐵相比，脈沖電磁鐵在鋼板中產生的回波信號幅值更大。

4.3移動性驗證實驗

3個連續工作周期內靜磁場與脈沖磁場的對比圖如圖13所示。可看出永磁鐵0.54T的靜磁場時存在，而脈沖電磁鐵僅在超聲體波發射接收瞬間激發脈沖磁場。以1 Hz的工作頻率為例，脈沖電磁鐵存在吸力的時間t₃僅占工作周期t₄的0.5%，平均吸力極低，大大提高了電磁超聲換能器在試件表面多點測量時的移動性。

5結束語

為提高電磁超聲換能器在鋼板表面多點測量時的移動性，提出利用脈沖電磁鐵替代永磁鐵為換能器提供偏置磁場的方法。通過對脈沖電磁鐵勵磁線圈、鐵芯以及驅動電路的設計，使其產生的脈沖磁場可滿足EMAT對于偏置磁場強度及維持時間的需求。經過實驗測試，脈沖電磁鐵激勵電流仿真值與實測值相似度達90%，脈沖磁場峰值約為0.8 T、維持時間120μs，配合蝶形線圈制作的PE-EMAT可對50mm厚鋼板測厚。當工作頻率為1 Hz時，脈沖電磁鐵存在吸力的時間僅占一周期的0.5%，平均吸力極低，大大提高了換能器的移動性。

（編輯：劉楊）