基于吸盤式脈沖電磁鐵的EMAT實驗研究*

鄭 陽,李智航,張宗健,譚繼東

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;2.中北大學(xué)機械動力工程學(xué)院,太原 030051)

電磁超聲在極端溫度、非接觸式等條件下的超聲無損檢測中有巨大的應(yīng)用需求。按偏置磁場的產(chǎn)生方式電磁超聲傳感器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)主要有永磁體式和電磁鐵式兩種類型。永磁體式EMAT結(jié)構(gòu)簡單、磁場穩(wěn)定、成本廉價,在實際中獲得大量應(yīng)用,但其也存在以下幾個主要問題:一是檢測鐵磁性材料時吸力大,接觸和移動難,不便于進行手動檢測;二是實際工況下很容易吸附鐵屑等雜質(zhì),對檢測結(jié)果造成不良影響,且不易清理;三是永磁體的居里溫度點限制了傳感器高溫環(huán)境下的使用,特別是需要長期進行高溫環(huán)境下在線監(jiān)測的應(yīng)用。為了克服上述缺點,人們開始研究電磁鐵式EMAT,盡管它結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且需要在儀器上加入驅(qū)動電路,但卻具有不工作時無吸力、不易粘附雜物、受溫度限制較小的優(yōu)點。

電磁鐵按照通入電流的類型主要有直流電磁鐵、交流電磁鐵和脈沖電磁鐵。前兩種類型的電磁鐵在電磁超聲傳感器中均有使用,但是存在能量消耗大,并且長時間工作時線圈發(fā)熱的問題,而脈沖電磁鐵只在需要激勵接收超聲信號時工作,能量消耗小,減弱了線圈長時間工作發(fā)熱效應(yīng),在電磁鐵式電磁超聲傳感器的應(yīng)用中更具有優(yōu)勢[1-2]。

現(xiàn)有電磁鐵式的電磁超聲換能器中,電磁鐵形狀多為U型和E型結(jié)構(gòu),它們主要產(chǎn)生平行于材料表面的磁場。Dixon S提出的用于解決高溫下測厚的傳感器[3],張曉輝提出用于鋁板測厚的傳感器[4]和張恒用于鋼軌探傷的傳感器[5]均使用E型硅鋼片堆疊形成的電磁鐵,其缺點在于體積比較大,且方形探頭在工程應(yīng)用中不利于檢測與攜帶。Mikhailov A V在產(chǎn)生蘭姆波和表面波時[6],朱紅秀在用于鋼管缺陷檢測的電磁超聲傳感器中[7],以及王小民對傳感器聲場的研究中使用U型電磁鐵[8],同樣存在體積較大,且磁力線分布不夠密集的問題。吸盤式脈沖電磁鐵與上述兩種結(jié)構(gòu)電磁鐵相比,一方面主要產(chǎn)生了垂直偏置的磁場。另一方面其中心磁軛為圓柱形,形狀與圓形或環(huán)形線圈EMAT十分吻合,具有極大的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。此外由于柱狀外殼即為其一個磁極,將磁場包圍在磁鐵內(nèi)部,使磁力線更加集中,在相同大小的安匝數(shù)時,可以產(chǎn)生更高的磁感應(yīng)強度。為此本文提出了一種吸盤式脈沖電磁鐵作為偏置磁場的電磁超聲傳感器。

本文圍繞吸盤式脈沖電磁鐵的電磁超聲傳感器開發(fā),組建了脈沖電磁鐵式電磁超聲傳感器實驗系統(tǒng),研究了吸盤式脈沖電磁鐵與環(huán)形收發(fā)一體式線圈組成的EMAT工作方式,驗證了該傳感器的可行性,同時還研究了其在不同材料(鐵磁材料和非鐵磁材料)上的檢測信號特點,以及勵磁電流和提離距離對此種傳感器檢測信號的影響。可以為電磁鐵式電磁超聲傳感器的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 實驗研究

1.1 吸盤式脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器

吸盤式脈沖電磁鐵EMAT結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主要由吸盤式脈沖電磁鐵和EMAT線圈組成。吸盤式磁軛中心圓柱纏繞線圈,形成一個磁極,磁軛外圈圓柱狀殼體形成另一磁極,使得在線圈區(qū)域形成一個磁感線沿豎直方向的磁場,此磁場即為電磁超聲傳感器的偏置磁場。

圖1 吸盤式脈沖電磁鐵EMAT結(jié)構(gòu)示意圖

實驗中采用的吸盤式脈沖電磁鐵,磁軛為圓柱狀,外直徑50 mm,高27 mm;中心柱直徑22 mm,高22 mm;側(cè)面殼體厚2 mm;磁軛材料為DT4C電工純鐵。中心柱纏繞直徑0.56 mm的銅質(zhì)漆包線380圈。EMAT線圈采用環(huán)形線圈,內(nèi)徑4.25 mm,外徑18.25 mm,繞線19圈,如圖2中所示。

圖2 環(huán)形線圈

組成EMAT傳感器時吸盤式磁鐵置于環(huán)形線圈正上方,使得磁軛中心柱體磁極覆蓋線圈,線圈與磁極間采用厚0.5 mm的塑料薄片進行隔離,避免線圈磁軛中心柱體表面形成感生渦流[9],整個吸盤式脈沖電磁鐵EMAT實物圖如圖3所示。

圖3 吸盤式脈沖電磁鐵EMAT實物圖

1.2 脈沖電磁鐵EMAT實驗系統(tǒng)

脈沖電磁鐵式電磁超聲傳感器實驗系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 脈沖磁鐵式電磁超聲實驗系統(tǒng)原理框圖

實驗系統(tǒng)主要有兩部分組成:一部分為脈沖電磁鐵勵磁系統(tǒng),由電磁鐵信號源、電磁鐵功率放大器組成,用于驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生磁場[10]。本實驗使用 Agilent33522B 雙通道信號發(fā)生器作為電磁鐵信號源,使用N4L LPA05A作為電磁鐵功率放大器。另一部分為電磁超聲激勵接收系統(tǒng),由EMAT信號源、EMAT功率放大器、雙工器、前置放大器、收發(fā)一體式線圈以及被檢測試件組成,主要信號通過示波器觀察。EMAT信號源和功率放大器由RAM-5000-SNAP設(shè)備實現(xiàn),雙工器和前置放大器由RDX-EM2(DIPLEXER&PRE-AMPLIFIER)實現(xiàn),用于驅(qū)動線圈激勵、接收電磁超聲。實驗系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

圖5 脈沖磁鐵式電磁超聲實驗系統(tǒng)實物圖

工作時,電磁鐵信號源(Agilent33522B雙通道信號發(fā)生器)第1通道產(chǎn)生矩形脈沖信號,經(jīng)過電磁鐵功率放大器放大后輸入電磁鐵,用于產(chǎn)生偏置磁場;電磁鐵信號源第2通道輸出觸發(fā)信號,用于外部觸發(fā)EMAT信號源輸出激勵信號,且對兩通道設(shè)置同步觸發(fā)。EMAT信號源輸出信號經(jīng)過EMAT功率放大器放大后,由雙工器輸入到收發(fā)一體式線圈,激發(fā)超聲波。超聲波檢測信號再由收發(fā)一體式線圈接收,由雙工器給到前置放大器進行接收信號放大,再輸入示波器顯示。

系統(tǒng)信號時序圖如圖6所示,第1欄為信號發(fā)生器1通道一個周期的激勵信號圖,第2欄為信號發(fā)生器2通道EMAT外部觸發(fā)信號,上升沿觸發(fā)后EMAT開始工作,第3欄為EMAT原始激勵信號,第4欄為一組實驗得到的EMAT典型檢測信號。電磁鐵激勵信號與EMAT激勵信號頻率相同,且電磁鐵工作時間段覆蓋電磁超聲激勵和接收過程,一般接收時長為幾次超聲回波所需要的時間,依據(jù)檢測目的設(shè)置。值得注意的是由于電磁鐵的磁感應(yīng)強度達到最大時需要一段響應(yīng)時間,因此電磁鐵通電起始時間與EMAT外部觸發(fā)時間設(shè)置一定的延時。本實驗中電磁鐵脈沖激勵重復(fù)頻率設(shè)為20 Hz,幅值為2.0 V,占空比設(shè)置為40%,輸入N4L LPA05A功率放大器后放大10倍用于驅(qū)動吸盤式電磁鐵產(chǎn)生磁場。電磁超聲激勵信號重復(fù)頻率同樣為20 Hz,激勵波形為5個周期頻率為3.5 MHz的正弦波,電磁鐵與EMAT線圈間的觸發(fā)延時設(shè)置為19 ms。

圖6 脈沖電磁鐵式電磁超聲實驗系統(tǒng)工作時序圖

實驗中選用鐵磁性材料430鋼和非鐵磁性材料鋁作為典型進行測試,試樣厚10 mm,分析比較脈沖電磁鐵式EMAT在這兩類材料上進行脈沖回波檢測時的信號特點,并研究了電磁鐵勵磁電流和提離距離對檢測信號的影響規(guī)律。

2 結(jié)果及討論

2.1 檢測信號與被檢材料的關(guān)系

使用上述吸盤式脈沖電磁鐵EMAT,按2.2中的實驗設(shè)置,分別在430鋼和鋁試塊上進行脈沖回波檢測實驗,得到的典型檢測信號如圖7所示。檢測中儀器、傳感器及相關(guān)參數(shù)設(shè)置完全相同,僅改變被測材料種類。圖7(a)和圖7(b)分別為430鋼試塊和鋁試塊上的檢測信號,它們均具有良好的回波信噪比,能清晰地區(qū)分出回波波包。在同樣的尺度下,鋁試塊上檢測信號的波包幅值水平遠小于430鋼試塊上的檢測信號的波包幅值水平。圖7(c)對兩種材料上第2次回波波包進行對比,定量地可知430鋼上的檢測信號幅值大約為鋁板上的12倍。值得指出的是,圖7(c)中的相位信息不具有參考價值,作圖中僅是截取了兩個波包信號進行比對,只是為了清晰顯示,沒有嚴格對齊時間或是相位。

圖8 電磁鐵在430鋼和鋁上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度仿真計算

圖7 檢測信號圖

對于這種信號幅值的巨大差異,其主要原因是在檢測鐵磁性材料時,一方面,吸盤式的結(jié)構(gòu)有助于在鐵磁性材料表面形成閉合磁路,提高了線圈感生渦流區(qū)域內(nèi)磁感線的密度;另一方面,中心圓柱磁極與鐵磁性材料表面更易形成沿垂直方向的較為均勻的磁場;此外,眾所周知的鐵磁性材料中的磁致伸縮力和磁化力也加強了EMAT的換能效能。為了驗證上述想法,對吸盤式脈沖電磁鐵在430鋼板和鋁板上產(chǎn)生磁場進行仿真,比較磁感應(yīng)強度的分布和大小。

在Maxwell電磁場仿真軟件進行三維靜磁場仿真,設(shè)置材料屬性:電磁鐵外殼材料為DT4C,線圈材料為銅,試塊分別為430鋼和鋁,分別設(shè)置對應(yīng)材料屬性;設(shè)置激勵條件為安匝數(shù)1 900。仿真計算模型結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。

仿真計算得到的吸盤式脈沖電磁鐵在430鋼板和鋁板表面磁化區(qū)域的磁場強度分布分別如圖8(b)和圖8(c)所示,這兩個磁場分布均以圓心為對稱中心向外擴散分布,中心圓形磁極正下方的區(qū)域中,邊緣處磁感應(yīng)強度較強,如圖中紅色部分,離開邊緣后磁感應(yīng)強度迅速減小到一個較為平坦的低谷區(qū)。圖8(d)中給出了磁場區(qū)域中沿任意一條直徑的磁感應(yīng)強度分布曲線。430鋼試塊中心圓形區(qū)域的磁感應(yīng)強度,內(nèi)部平坦區(qū)比邊緣略小。而鋁試塊中心圓形區(qū)域的磁感應(yīng)強度,內(nèi)部平坦區(qū)遠小于邊緣,有明顯的階梯。由于環(huán)形EMAT線圈的有效作用區(qū)域主要是在平坦區(qū)中,因此平坦區(qū)的磁感應(yīng)強度大小決定了洛侖茲力的大小。比較兩種材料上磁感應(yīng)強度分布中平坦區(qū)值的大小,取中心點的磁感應(yīng)強度值,430鋼試塊為1.339 9 T,而鋁試塊為0.152 1 T,430鋼上的磁感應(yīng)強度為鋁試塊上的8.8倍。由仿真計算結(jié)果可以近似地估測,兩種材料上檢測信號巨大差異的產(chǎn)生,磁感應(yīng)強度引起的洛侖茲力起到了主要作用[11],約貢獻了73%的增長量,其他的主要由鐵磁性材料表面因線圈中電流的動態(tài)磁化作用引起的磁致伸縮力和磁化力的作用,貢獻約23%。

2.2 檢測信號與勵磁電流的關(guān)系

由電磁超聲原理可知,勵磁系統(tǒng)的主要作用是提供偏置磁場。在鐵磁性材料中激勵超聲波時,試件表面振動源質(zhì)點的振動主要由洛倫茲力、磁致伸縮力疊加作用產(chǎn)生,振動產(chǎn)生的超聲波的幅值和試件表面磁感應(yīng)強度相關(guān)。對電磁鐵而言[12],其產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值與安匝數(shù)F直接相關(guān),在電磁鐵未達到磁飽和且線圈匝數(shù)為定值時,可以通過改變通入線圈中勵磁電流的大小改變電磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度,從而改變檢測信號的強度。以下定量研究勵磁電流與檢測信號強度的關(guān)系。

圖9 等效磁路圖

針對鐵磁性材料檢測,基于等效磁路定理對吸盤式脈沖電磁鐵建立等效磁路模型如圖9(a),其中R0為氣隙磁阻,R1、R2、R3為電磁鐵各部分對應(yīng)的磁阻,R4為430鋼對應(yīng)的磁阻,圖中各部分磁阻的分布考慮了吸盤式對磁路進行簡化可得圖9(b),進行等效磁路計算[13-14]。

磁通:

(1)

磁感應(yīng)強度:

(2)

安匝數(shù):

F=NI

(3)

磁阻:

(4)

氣隙磁阻:

(5)

式中:N為線圈匝數(shù),I為線圈中通入電流大小,l為對應(yīng)磁體等效磁路長度,δ為氣隙長度,S為對應(yīng)磁體截面積,μ為對應(yīng)磁體的相對磁導(dǎo)率,μ0為空氣相對磁導(dǎo)率。

因為空氣的磁導(dǎo)率要比外殼和銜鐵的磁導(dǎo)率小的多,電磁鐵工作時如果存在氣隙,則大部分的磁動勢都將消耗在氣隙中,則帶氣隙的磁路中的磁通近似為式(6):

(6)

考慮到在實際的磁路中,外殼和銜鐵也消耗部分磁動勢,取實際值減小5%,即:

φ=φ′(1-5%)

(7)

(8)

由上式可知,在電磁鐵設(shè)計中,安匝數(shù)提高可以有效地增大磁感應(yīng)強度。對于一個設(shè)計好的電磁鐵,式中R0、S、N均為定值,此時磁感應(yīng)強度值與勵磁電流為線性關(guān)系。從而使得洛侖茲力與勵磁電流呈線性關(guān)系,電磁超聲檢測信號也與勵磁電流呈線性關(guān)系。

為了驗證上述由式(8)得到的結(jié)論,對電磁鐵兩端施加從6 V到24 V勵磁電流,步進間隔為2 V,在430鋼板上進行實驗,觀察檢測信號幅值隨電流的變化規(guī)律。實驗中采用的電磁鐵線圈電阻值為4 Ω,在通以矩形脈沖電壓期間,等同為直流電,由歐姆定理可得對應(yīng)的勵磁電流值為1.5 A到6 A。圖10為不同勵磁電流下幾組信號圖,取檢測信號一次回波的峰值得到的關(guān)于勵磁電流與檢測信號幅值關(guān)系如圖11所示,圖11中顯示了脈沖回波檢測信號隨勵磁電流線性增加。

圖10 不同勵磁電流下檢測信號的幅值

圖12 不同提離距離下檢測信號的幅值

圖11 勵磁電流與信號幅值關(guān)系圖

2.3 檢測信號與提離距離的關(guān)系

對于鐵磁性材料檢測而言,改變電磁鐵式EMAT傳感器的提離距離,一方面會引起渦流效應(yīng)減弱,導(dǎo)致洛倫茲力減小,使得檢測信號變小;另一方面,由3.2節(jié)中式(8)得到的等效磁路模型中氣隙長度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系,電磁鐵的氣隙長度增大,會引起磁感應(yīng)強度減小,導(dǎo)致洛倫茲力減小,使得檢測信號變小。因此提離距離造成的檢測信號減小主要是由上述兩種效應(yīng)引起的。

在430鋼板上研究吸盤式脈沖電磁鐵EMAT的提離效應(yīng)規(guī)律,提離值分別選0 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm,得到脈沖回波檢測信號如圖12(a)～12(e)所示。取檢測信號一次回波的幅值,得到提離距離與檢測信號幅值關(guān)系圖,如圖12(f)所示。同時給出了相同實驗設(shè)置下使用永磁鐵時提離距離與檢測信號幅值關(guān)系圖。擬合圖中曲線,有關(guān)系式:

(9)

可知檢測信號幅值與提離距離近似呈的函數(shù)關(guān)系。為了比較,圖12(f)中表示出了將脈沖電磁鐵換為圓柱型永磁鐵時,檢測信號幅值與提離距離的關(guān)系曲線。由圖中可知,兩者有相似的提離衰減規(guī)律,即都為反函數(shù)關(guān)系,但在衰減速度上有所差異,吸盤式脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器的提離衰減效應(yīng)更強烈,在430鋼材上,提離2mm信號衰減了約24 dB。

3 結(jié)論

本文研究了基于吸盤式脈沖電磁鐵的電磁超聲傳感器,使用環(huán)形收發(fā)一體式線圈和吸盤式脈沖電磁鐵組成電磁超聲傳感器,組建了脈沖電磁鐵式電磁超聲傳感器的檢測實驗系統(tǒng),驗證了傳感器的有效性,比較了鐵磁性材料和非鐵磁性材料上的檢測信號特征,分析了勵磁電流、提離距離對檢測信號的影響。主要結(jié)論如下:

①本文研制的吸盤式脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器在鐵磁性和非鐵磁性兩種材料上能得到信噪比良好的信號,證明了其有效性。因電磁鐵在鐵磁性材料表面的磁感應(yīng)強度較非鐵磁性材料有大幅提高,且還存在線圈動態(tài)磁場引發(fā)的磁致伸縮力和磁化力,在鐵磁性材料上的檢測信號幅值遠大于非鐵磁材料上的檢測信號幅值。

②在電磁鐵未達到磁飽和時,吸盤式脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器脈沖回波檢測信號幅值隨勵磁電流增加呈線性增加關(guān)系。

③提離距離對吸盤式脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器檢測信號幅值衰減影響巨大,在430鋼材上提離2 mm,信號衰減約24 dB。

通過使用吸盤式脈沖電磁鐵可替代永磁體作為作為偏置磁場源,并能獲得良好的檢測信號,對于電磁超聲手動檢測、存磁性粉屑環(huán)境檢測等具有巨大的應(yīng)用價值。

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