一種吸盤式電磁超聲傳感器檢測信號實驗分析?

李靖琳 李成良 喬世成

（1.沈陽農業大學信息與電氣工程學院 沈陽 110866）（2.大連海洋大學應用技術學院電氣與信息工程系 大連 116300）

1 引言

為了進一步拓展超聲無損檢測的應用領域，可以采用電磁超聲方法來適應非接觸性以及需要承受極端溫度的檢測環境。根據偏置磁場的不同形成方法，可以將電磁超聲傳感器（EMAT）分成電磁鐵型與永磁體型共兩種［1～2］。其中，電磁鐵型的結構通常包括U型與E型，可以形成與材料表面保持平行分布狀態的磁場。目前，對此類傳感器進行研究的學者也較多，例如，劉冉開發得到了一種可以在高溫環境中對試樣厚度進行測試的傳感器［3］，周進節開發出了一種可以測試鋁板厚度的傳感器［4］，李素軍開發了一種可以對鋼軌進行探傷的傳感器［5］，上述各類傳感器的電磁鐵都是通過E型硅鋼片進行堆疊構成，整體結構需要占據較大的空間體積，此外探頭也是一種方形結構，對于攜帶與實際探測過程都會帶來較大的麻煩。同時因為柱狀外殼本身就屬于一個磁極，可以使磁場進一步集中形成密集的磁場線，確保同樣的線圈匝數下能夠獲得更高的磁場強度［6～8］。

本文主要研究了一種具有吸盤式脈沖電磁鐵結構的電磁超聲傳感器，開發得到了一種建立在脈沖電磁鐵結構基礎上的電磁超聲傳感器探測系統，深入分析了由環形收發和吸盤式脈沖電磁鐵共同構成的EMAT測試方法，并且對比了各類不同磁性材料的在檢測期間產生的信號特點，最后分析了該傳感器信號與提離距離和勵磁電流之間的關系。

2 實驗研究

2.1 傳感器結構

從圖1中可以看到吸盤型脈沖電磁鐵EMAT的組成結構，主要包含了吸盤型脈沖電磁鐵以及EMAT線圈兩個部分。其中，吸盤磁軛的中心圓柱通過線圈纏繞的形式構成一個磁極，外部殼體作為另一個磁極，從而使線圈中產生一個磁感線保持豎直方向排布狀態的偏置磁場。

本實驗所使用的吸盤型脈沖電磁鐵的磁軛部分屬于一個圓柱結構，選擇DT4C電工純鐵作為磁軛材料。在中心柱上總共纏繞380圈外徑等于0.56mm的銅漆包線。以環形線圈作為EMAT線圈，該線圈外徑等于18mm，內徑等于4.25mm，總共纏繞19圈。

將EMAT傳感器中的吸盤磁鐵固定于環形線圈的上部，確保線圈被磁軛中心柱體的磁極完全覆蓋，以厚度為0.5mm的塑料片來實現磁極和線圈之間的相互隔離，防止線圈的磁軛中心柱體表面因為感應作用而形成渦流。

圖1 吸盤式脈沖電磁鐵EMAT結構示意圖

2.2 實驗系統

圖2顯示了脈沖電磁鐵型電磁超聲傳感器探測系統的原理框圖，主要包含兩部分，分別是脈沖電磁鐵勵磁系統與電磁超聲激勵接收系統。其中，脈沖電磁鐵勵磁系統的作用是驅動電磁鐵形成磁場，包括電磁鐵功率放大器與電磁鐵信號源兩部分結構。本系統的電磁鐵信號源通過Agilent33522B雙通道信號器產生，并采用N4L LPA05A進行功率放大。電磁超聲激勵接收系統包含了EMAT信號源及其功率放大器、前置放大器、雙工器、收發線圈、測試組件，可以利用示波器來觀察信號變化情況。其中，以RAM-5000-SNAP設備來提供EMAT信號源以及功率放大器，并通過RDX-EM2提供前置放大器與雙工器。

圖2 電磁超聲實驗系統原理框圖

從圖3中可以看到系統的信號時序圖。其中，第1欄是信號發生器1通道在一個周期內產生的激勵信號，第2欄是2通道對EMAT產生觸發的信號，當EMAT被上升沿觸發后便開始進入工作狀態，第3欄屬于EMAT的原始激勵信號，第4欄屬于測試獲得的EMAT典型探測信號。電磁鐵和EMAT的激勵信號具有相同的頻率，當電磁鐵處于工作狀態下時，將會對電磁超聲激勵以及信號接收造成覆蓋作用，通常情況下，接收時長等于所有超聲回波過程的累加時間，可以按照實際檢測情況進行設定。考慮到在實際情況下電磁鐵要達到最大磁感應強度必須經歷一段響應時間，所以需要合理設定電磁鐵通電時間以及EMAT的觸發時間，實現延時效果。在測試過程中，設定電磁鐵脈沖激勵頻率20 Hz，脈沖激勵幅度20 V，占空比40%，通過LPA05A功率放大器來實現10倍放大效果，使吸盤型電磁鐵形成磁場，電磁超聲激勵波形由5個正弦波構成，頻率也等于20Hz，同時設定EMAT線圈和電磁鐵觸發延時為20ms。

圖3 脈沖電磁鐵式電磁超聲實驗系統工作時序圖

本實驗的測試材料包括具有鐵磁性的SUS430不銹鋼以及非鐵磁性材料鋁共兩種，兩種試樣的厚度都等于10mm，對比研究了脈沖電磁鐵型EMAT對上述兩種材料實施脈沖回波探測時產生的信號特征，同時分析了探測信號與提離距離以及電磁鐵勵磁電流之間的變化關系。

3 結果及討論

3.1 檢測信號與被檢材料的關系

根據設定條件，利用吸盤型脈沖電磁鐵EMAT分別測試了SUS430不銹鋼與鋁塊試樣的脈沖回波信號，結果見圖4。在測試上述兩種材料的過程中要求所使用的傳感器、探測儀器與具體設定參數都完全一致。比較圖4給出的兩種材料第2次回波波包數據可以發現，對SUS430不銹鋼進行探測得到的信號幅值達到了鋁板探測信號的12倍左右。

上述兩種探測過程在信號幅值方面表現出明顯的差異性。這主要是由于采用本系統探測鐵磁性材料的過程中，吸盤結構可以在鐵磁性材料中產生閉合磁路，使線圈渦流中的磁感線密度獲得明顯提高，鐵磁材料表面和中心圓柱磁極將更容易產生具有垂直分布形態的均勻磁場。并且，鐵磁性材料的磁化力及其磁致伸縮力還可以有效提高EMAT換能效率。之后，仿真分析了吸盤脈沖電磁鐵在鋁板與SUS430不銹鋼板表面形成的磁場結構。

圖4 檢測信號圖

3.2 檢測信號與提離距離的關系

在探測鐵磁性材料時，將傳感器提離距離改變后，將會導致渦流效應降低，使磁場強度變弱，從而引起探測信號強度的下降。以SUS430不銹鋼板作為測試材料分析了EMAT產生的提離效應，在不同提離值下測試得到了表1所示的脈沖回波探測信號，此外進一步研究了同樣的實驗條件下選擇永磁鐵時得到的信號幅值和提離距離間的關系。

將表1的脈沖電磁鐵通過圓柱型永磁鐵進行替換后，可以發現隨著提離距離的增大，探測信號的幅值開始降低，表現為近似反函數的關系。同時還可以發現，吸盤型脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器具有更加明顯的提離衰減速率。

表1 不同提離距離下檢測信號的幅值/mV

4 結語

1）對SUS430不銹鋼進行探測得到的信號幅值達到了鋁板探測信號的12倍左右。SUS430不銹鋼以及非鐵磁性材料鋁兩種探測過程在信號幅值方面表現出明顯的差異性，鐵磁性材料的磁化力及其磁致伸縮力還可以有效提高EMAT換能效率。

2）將脈沖電磁鐵通過圓柱型永磁鐵進行替換后，可以發現隨著提離距離的增大，探測信號的幅值開始降低，表現為近似反函數的關系，吸盤型脈沖電磁鐵電磁超聲傳感器具有更加明顯的提離衰減速率。