電磁超聲橫波測厚影響因素分析

張翱龍，王俊杰，姜 超，武新軍

(華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

電磁超聲測厚是無損檢測的重要方法之一，具有無需耦合劑、對被檢表面清潔度要求不高等優點[1]，且電磁超聲傳感器易于激發橫波[2]，故該方法在石油化工、電力等領域具有廣闊應用前景。被檢構件作為電磁超聲測厚傳感器的組成部分，其幾何尺寸和材料特性會影響回波信號的特性，進而影響電磁超聲測厚結果的穩定性和精度。目前，國內外研究的較多的是傳感器結構對電磁超聲回波特性的影響[3-4],對被檢構件尺寸和材料特性對電磁超聲回波信號的影響研究得較少，且主要集中于壓電傳感器激發縱波在不同被檢構件上對回波特性的影響[5]。

文章首先采用圓形線圈傳感器，對相同材料、不同板厚的試件進行測厚試驗，對獲得的時域信號進行回波峰值衰減速率分析和頻譜分析，得到被檢構件厚度對傳感器回波信號特性的影響規律；然后采用矩形線圈傳感器，在不同材料的試板上，從互相正交的方向進行測厚，對獲得的時域信號進行回波峰值衰減速率分析和頻譜分析，得到被檢構件材料組織的方向性對回波信號特性的影響規律；最后采用圓形線圈傳感器，對含不同尺寸腐蝕坑的試件進行測厚試驗，并分析時域信號特性，得到被檢構件腐蝕坑尺寸對傳感器回波信號特性的影響規律。

1 試驗原理介紹

電磁超聲傳感器(EMAT)由偏置永磁鐵、激勵線圈、接收線圈、屏蔽板和被檢構件組成(見圖1),其中，永磁鐵提供靜態偏置磁場，屏蔽板用于隔離磁鐵中的噪聲干擾。激勵時線圈在被檢構件表面激發的渦流與靜磁場耦合產生超聲波；接收時線圈通過磁耦合的方式接收超聲回波產生的動態磁場。

圖1 電磁超聲傳感器結構示意

通過改變激勵、接收線圈的形狀，可以實現不同偏振方向電磁超聲橫波的激勵與接收。典型電磁超聲橫波探頭線圈外觀如圖2所示。圓形線圈可以激勵和接收全向、徑向偏振的電磁超聲橫波；矩形線圈可以激勵和接收沿矩形長度方向的單方向偏振電磁超聲橫波。

圖2 典型電磁超聲橫波探頭線圈外觀

2 試驗過程及結果分析

2.1 被檢試件厚度對回波信號的影響

在保持電磁超聲檢測儀器參數不變的條件下，采用圓形線圈電磁超聲測厚探頭在不同厚度鋁板上進行檢測，得到圖3所示的回波信號，提取回波峰值進行擬合，得到不同厚度鋁板回波峰值的衰減擬合曲線(見圖4)。對圖3的信號進行離散傅里葉變換，得到圖5所示的信號頻譜(縱軸幅值無量綱)。

圖3 不同厚度鋁板的電磁超聲回波信號

圖4 不同厚度鋁板的電磁超聲回波信號峰值衰減擬合曲線

圖5 不同厚度鋁板的電磁超聲回波信號頻譜

由圖3可知，電磁超聲回波信號的波包間隔隨著板厚增加而增大，板厚較小時，相鄰波包出現疊加，造成回波間隔難以分辨。由圖4可知，回波峰值在時域內呈指數衰減，隨著板厚的增加，衰減速率加快，同時，由于單個波包在時域內占據著一定的寬度，所以基于回波聲時間隔的電磁超聲法所能測量的最小板厚取決于單個波包的衰減速率，加快單峰衰減速率能夠有效提高電磁超聲測厚的分辨率；電磁超聲法所能測得的最大板厚取決于回波峰值的衰減速率，減小回波峰值的衰減速率能夠有效提高電磁超聲測厚的上限。由圖5可知，測厚信號回波主頻率在0.800 MHz附近，隨著板厚的增加，在相同時間內，回波數量降低，相應主頻率的幅值也降低。

2.2 被檢構件材料方向性對回波信號的影響

在保持電磁超聲檢測儀器參數不變的條件下，利用電磁超聲測厚探頭(線圈為單方向偏振矩形線圈)分別在厚為9.3 mm的碳鋼板和10 mm的16MnR熱軋合金鋼板(見圖6)上，測量其0°方向(平行于鋼板長邊的方向)和90°方向(垂直于鋼板長邊的方向)的回波信號，對回波信號進行分析，可得到回波信號波形、頻譜及其峰值衰減擬合曲線(見圖7，8)。

圖6 碳鋼板和熱軋合金板外觀

圖7 9.3 mm厚碳鋼板的電磁超聲回波信號及其分析結果

圖8 10 mm厚16MnR熱軋合金鋼板的電磁超聲回波信號及其分析結果

取碳鋼板時域信號的前5個波峰計算平均聲時，得到其0°方向的平均回波聲時為5.816 μs，90°方向的平均回波聲時為5.820 μs。對回波峰值進行擬合，得到其0°方向的波峰衰減擬合函數為y=0.317 1×e-0.246 5x，90°方向的波峰衰減擬合函數為y=0.323 3×e-0.202 4x。由頻譜可知，碳鋼板0°和90°方向的頻譜成分相近。

取合金鋼板的前5個波峰計算平均聲時，得到其0°方向的平均回波聲時為6.215 μs，90°方向的平均回波聲時為6.695 μs。對其回波峰值進行擬合，得到0°方向的峰值衰減擬合函數為y=0.348 0×e-0.314 5x，90°方向的峰值衰減擬合函數為y=0.195 0×e-0.634 7x。由頻譜可知，在0°方向上，合金鋼板的頻譜與碳鋼板的相近；在90°方向上，合金鋼板的頻譜較分散。

結合金屬材料學知識可知，碳鋼板晶粒均勻，材料沒有方向性，因此單偏振電磁超聲探頭在其0°方向和90°方向測得的聲速和聲波衰減系數相差不大；16MnR熱軋合金鋼板的晶粒沿著扎制方向拉長，因此聲波在材料中傳播時具有方向性，兩個方向的聲速相差230.7 m·s-1，同時兩個方向的聲波衰減系數也差異較大。

根據材料的方向特性對橫波測厚信號的影響可知，圓形線圈全向偏振的特點會激勵和接收全方向的電磁超聲橫波，同時，材料的方向性會導致回波信號包含兩個不同速度回波的疊加，對聲時信息提取造成干擾。由于單方向偏振矩形線圈僅激勵和接收沿矩形長度方向的電磁超聲橫波，所以可以采用單方向偏振探頭，選取合適的測量方向，同時引入聲速標定過程，在這一過程中找到信號幅值最大的方向。實際檢測時，只有當探頭方向與標定方向保持一致，測得結果才是可靠的。

2.3 被檢構件表面腐蝕情況對回波信號的影響

人工腐蝕缺陷鋼板實物及腐蝕缺陷分布如圖9所示，編號為1A，2A，3A，4A的4個半球形腐蝕缺陷的腐蝕深度分別為板厚的20%，40%，60%，80%；編號為1B，2B，3B，4B的4個階梯形腐蝕缺陷的腐蝕深度分別為板厚的20%，40%，60%，80%；編號為1C，2C，3C，4C的缺陷為腐蝕通孔。當電磁超聲探頭(圓形線圈)位于腐蝕缺陷的正上方時，測得的電磁超聲信號如圖10所示。

圖9 人工腐蝕缺陷鋼板實物及腐蝕缺陷分布示意

圖10 不同類型、尺寸腐蝕缺陷的回波信號

觀察圖10每組信號的規律，發現回波信號只包含原始板厚的回波信息，缺陷的厚度信息未被接收線圈接收；隨著腐蝕深度的增大，回波信號幅值降低，由缺陷1A和4C的信號可判斷回波信號受缺陷面積影響較大，與缺陷深度關系不大。

電磁超聲探頭掃查腐蝕缺陷示意如圖11所示，掃查過程中腐蝕缺陷的回波信號如圖12所示，可見，僅信號幅值發生變化，信號幅值先減小后增大。當探頭位于腐蝕缺陷正上方時，信號幅值最小。

圖11 電磁超聲探頭掃查腐蝕缺陷示意

圖12 掃查過程中腐蝕缺陷的回波信號

由上述試驗結果可知，電磁超聲在對帶有小型腐蝕缺陷的試件進行測厚時，僅回波幅值發生變化，對回波聲時不敏感，需要進一步對比不同位置信號的幅值以實現缺陷的識別和量化。

3 結論

(1) 回波信號的單峰衰減速率限制了電磁超聲測厚的分辨率，單峰衰減越快，電磁超聲測厚分辨率越高；回波信號的波峰衰減速率限制了電磁超聲所能檢測的最大厚度，波峰衰減越慢，電磁超聲測厚范圍越大。

(2) 回波信號波峰呈指數衰減，衰減速率隨板厚的增大而加快。

(3) 對具有方向性的材料進行測厚時，需要考慮在不同方向上，聲波速度不同引入的誤差。

(4) 探頭掃查經過小型腐蝕缺陷時，回波信號只包含板厚信息，而不包含缺陷的厚度信息，回波信號幅值先減小后增大。當探頭位于腐蝕缺陷正上方時，信號幅值最小；隨著腐蝕深度的增大，回波信號幅值降低；回波信號受缺陷面積影響較大。