一種高性能電磁超聲傳感器線圈背板及其優化設計

陳建偉，劉帥，馬健，郭銳，宋江峰，白雪，鄒龍森，宿一凡

(齊魯工業大學(山東省科學院)山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250103)

電磁超聲傳感器(electromagnetic acoustic transducers，EMATs)能夠直接在被測對象表面激勵出超聲波，具有不需要耦合劑和非接觸檢測的特點，所以EMATs對被測對象表面的粗糙度要求不高，并且適用于表面有隔離層、高溫和高速在線等惡劣條件下的檢測[1-5]。此外，電磁超聲基于電磁耦合作用在導電或導磁金屬材料中產生超聲波，通過改變永磁體與線圈的組合可以很方便地產生橫波、表面波、蘭姆波、縱波等多種波型[6-9]。因此，電磁超聲檢測技術已經在許多領域得到了應用，例如鋼管自動化測厚、通過式軌道車輪自動檢測、核電高溫管道檢測、高溫鍛件測厚和探傷等[10-11]。

與傳統的壓電超聲檢測方法相比，電磁超聲技術的局限性在于換能效率低，從而造成其產生的超聲信號的信噪比低，同時隨著電磁超聲傳感器工作提離距離的增大，其信噪比呈指數規律衰減[12-14]，提離距離過低會大大限制電磁超聲技術的應用范圍。為了增大電磁超聲傳感器的信噪比和提離距離，許多學者已經做了大量的研究工作，但是這些工作主要集中在優化傳感器的磁鐵組合形式和線圈設計[15-21]，而針對傳感器中線圈背板的研究相對較少。

初步研究表明，電磁超聲橫波傳感器中線圈背板的尺寸參數和材料選擇對于傳感器性能具有較大的影響。本文提出了一種新的線圈背板制作工藝，選用羰基鐵粉作為背板材料，分析了導磁性材料對傳感器工作區域磁場分布的影響。

1 電磁超聲產生機理

1.1 EMATs基本原理

一般認為，EMATs由磁鐵、線圈和被測對象三部分組成，同時線圈背板也是傳感器必不可少的一部分。本文中的被測對象為鋁板，超聲波的產生是基于洛倫茲力原理，如圖1所示。其中，永磁鐵用于提供靜態偏置磁場，當在線圈中通入高頻交變電流時會在被測對象的表面感生出渦流，渦流在垂直靜態磁場的作用下產生交變的洛倫茲力，被測對象表面的質點在洛倫茲力的作用下產生有規律的高頻振動，從而在被測對象內激勵出超聲波。

圖1 基于洛倫茲力原理的電磁超聲橫波傳感器工作原理

1.2 EMATs多場耦合方程

在EMATs的線圈和被測對象所組成的系統中，沒有自由電荷，若忽略位移電流的影響，則脈沖渦流動態磁場方程為：

(1)

其中，μ代表材料的磁導率，A為矢量磁位，σ代表材料的電導率，Js為源電流密度。在不考慮線圈的集膚效應和鄰近效應的條件下，由電流近似求解得到線圈的平均電流密度分布

(2)

其中，i為總電流，S為線圈導體的截面積。

線圈以及被測試樣內的渦流密度Je和總電流密度Jt分別為：

(3)

(4)

那么，總電流i和源電流密度Js可以表述為：

i=?SJtds，

(5)

(6)

各區域的電磁強度E和矢量磁位A之間滿足：

(7)

由洛倫茲力定義可得，非鐵磁性試樣表面集膚深度內的受力，與永磁體提供的靜態磁場強度B0及導體表面感應渦流的大小有關，即：

fL=B0×Je。

(8)

鋁板為各向同性材料，且滿足線彈性和連續性假設，其在洛倫茲力fL的作用下發生彈性變形，運動方程為：

(9)

其中，σ為應力張力，w為位移矩陣，ρ為鋁的體密度。

考慮到σ和w之間的關系，式(9)可以改用位移表示，即：

(10)

式中，G和k為梅拉常數。

超聲信號的接收是激勵的逆過程，當超聲波傳播到EMATs的接收線圈處時，鋁板中運動的帶電粒子在外加偏置磁場作用下產生動態電流，其電流密度為：

JL=σv×B0，

(11)

其中，v代表帶電粒子的振動速度，鋁板中的動態電流密度會在其周圍產生動態磁場，處于此動態磁場中的EMATs接收線圈會產生感應電動勢，即為線圈的接收信號。

在線圈接收信號的過程中，求解區域的磁場由鋁板中的渦流密度和線圈中的源電流密度共同提供。一般而言接收線圈為開路狀態，其總電流為0。則接收線圈和被測試樣各區域所滿足的控制方程為：

(12)

在求解式(12)得到各區域的矢量磁位后，進而要計算接收線圈的感應電動勢。線圈導體內的感應電場可表示為：

(13)

線圈中某點導體的電動勢可通過對電場強度進行線積分獲得，于是

(14)

則線圈的輸出電壓可通過對線圈所包含的點導體電動勢求取平均獲得，即

(15)

對于自發自收工作模式的EMATs線圈，接收時的電壓信號可以表示為[22]：

(16)

其中，N代表線圈匝數，Zs代表被測材料鋁聲阻抗，α為被測對象的幾何相關常數，d代表線圈到被測鋁板表面的提離距離，D是工作線圈的直徑。由此可見，超聲信號的大小與靜態磁場強度的平方成正比，本文中對于線圈背板材料的選擇就是以增大線圈工作區域的靜態磁場強度為依據，因此選用導磁性材料。

2 橫波EMATs中線圈背板的優化設計

線圈背板的優化設計包括尺寸的確定和材料的選擇。當線圈背板為非導磁性材料時，其長度和寬度尺寸變化對傳感器性能無影響，所以采用塑料板作為線圈背板，通過實驗研究確定線圈背板的最佳厚度；當選用導磁性材料作為線圈背板時，會影響傳感器工作區域的靜態磁場，本文選用粒徑5.5～7 μm的羰基鐵粉顆粒經絕緣處理后加樹脂壓制成線圈背板，通過磁場仿真優化其長度和寬度尺寸。

2.1 線圈背板的厚度優化

研究表明，采用導電性材料作為線圈背板會降低線圈在被測對象中的感應渦流強度，從而降低傳感器的換能效率，所以線圈背板需采用非導電材料[23]。線圈背板是電磁超聲傳感器中必不可少的一部分，其厚度對傳感器的性能具有較大影響。為了保證磁場的一致性，本實驗中采用塑料板(非導磁性材料)作為線圈背板，實驗裝置如圖2所示，主要包括Ritec RAM-5000測試系統、50 Ω負載、雙工器、EMAT和示波器。本實驗中傳感器的工作方式為自發自收，Ritec RAM-5000測試系統通過一個50 Ω的負載和雙工器為EMAT提供高頻交變電流，EMATs在鋁板中激勵的超聲橫波沿其厚度方向傳播，到達鋁板底面后發生反射，反射波被傳感器接收后進入Ritec RAM-5000系統，通過該系統處理后的信號電壓顯示在示波器上，即本文通過鋁板的測厚信號質量進行傳感器性能評價。其中，傳感器中的塑料背板厚度為本節主要優化對象，鋁板上的塑料板用于調節傳感器的工作提離距離，根據需要放置不同厚度的塑料板。

如圖2中所示，本文中選用的工作頻率為2 MHz，傳感器主要由永磁鐵、塑料背板和線圈組成。其中永磁鐵為N50的釹鐵硼磁鐵，尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，在其下表面貼一層銅箔是為了降低線圈在磁鐵中的渦流感應；線圈為采用PCB(printed circuit board)制作的蝶形線圈，工作區域的尺寸為16 mm ×16 mm。塑料背板的尺寸為30 mm×30 mm，不同提離距離下線圈背板厚度與傳感器接收信號幅值的關系如圖3所示。

圖2 電磁超聲橫波傳感器測厚實驗方案

圖3 信號幅值與線圈背板厚度的關系曲線

由圖3可知，當線圈背板厚度小于1.5 mm時，隨著線圈背板厚度的增加，傳感器信號幅值明顯增大；而當線圈背板厚度大于2 mm時，隨著其厚度增加，信號幅值逐漸減小，因此線圈背板的最佳厚度約為1.5～2 mm。通過比較三種提離距離下的信號幅值規律可知，線圈背板的最佳厚度不隨傳感器工作提離距離的變化而變化。

2.2 線圈背板的長度和寬度優化

由1.2節可知傳感器接收信號強度與磁場強度的平方成正比，本節通過磁場仿真，研究采用導磁性材料作為線圈背板對傳感器工作區域磁場強度的影響。選用羰基鐵粉作為線圈背板材料，厚度取2 mm，磁鐵尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，各材料的參數如表1所示，二維有限元分析模型如圖4所示。

表1 材料參數

圖4 二維磁場仿真模型

當塑料板的厚度即提離距離為3 mm，羰基鐵粉線圈背板的尺寸為16 mm×16 mm×2 mm時，仿真計算得到的磁場分布如圖5所示。由本文中電磁超聲的激勵原理可知，橫波的產生是靜態磁場的垂直分量與線圈在被測件中感應渦流相互作用的結果，所以傳感器接收的信號強度大小主要取決于磁通密度的垂直分量By。因為線圈感應的渦流主要在被測件表面的集膚深度內，所以本節中傳感器工作區域為線圈覆蓋的鋁板近表面區域，取深0.1 mm處的磁通密度作為研究對象，如圖5中紅線所示。

圖5 電磁超聲橫波傳感器磁場仿真結果

為了研究導磁性材料及導磁性材料的尺寸對于傳感器磁場分布的影響，對以下三種情況進行了仿真：采用塑料板作為線圈背板；采用羰基鐵粉板作為線圈背板，羰基鐵粉板的長度等于磁鐵的長度，為30 mm；采用羰基鐵粉板作為線圈背板，羰基鐵粉的長度等于線圈工作區域的長度，為 16 mm。仿真模型如圖6所示，其中提離距離為2 mm。因為塑料板的相對磁導率與空氣相同，所以采用塑料板作為線圈背板時不需考慮其長度尺寸對于磁場分布的影響。

圖6 分別采用三種線圈背板的EMATs仿真模型

三種仿真模型的仿真結果如圖7所示，Bx代表磁通密度的水平分量，By代表磁通密度的垂直分量。由圖7(a)和7(b)可得，當線圈背板的尺寸與磁鐵相當時，By沿x軸方向逐漸減小，采用塑料背板時,By值約為0.71 T，比采用羰基鐵粉時By值略大；而由圖7(c)可以看出，當采用羰基鐵粉作為線圈背板且尺寸與線圈相當時，傳感器工作區域的By值約為0.84 T，并且工作區域的磁通密度保持恒定。因此，在傳感器封裝時應選用與線圈工作區域相同尺寸的羰基鐵粉背板，可以顯著增大線圈工作區域的磁通密度從而增強傳感器的信號。

圖7 分別采用三種線圈背板的EMATs仿真結果

2.3 線圈背板優化后傳感器性能驗證

基于前兩節的優化結果，對如圖8所示的兩種不同線圈背板的傳感器進行比較。其中，線圈工作區域的尺寸為16 mm×16 mm，線圈背板分別采用塑料板和羰基鐵粉板，尺寸均為16 mm×16 mm×2 mm。選用的釹鐵硼磁鐵的尺寸為30 mm×30 mm×40 mm，在磁鐵表面貼厚度為0.2 mm的銅箔，以防止線圈在磁鐵中感應出渦流。

圖8 傳感器結構的分解示意圖

分別采用以上兩種傳感器對厚度為25 mm的鋁板進行測厚，通過測厚信號的質量比較兩種傳感器的性能。當工作提離距離為2 mm時，兩種傳感器測得的信號如圖9所示。從圖中可以看出，一次回波和二次回波的時間間隔約為15.5 μs，從而計算出波速為3 225 m/s，這與橫波的波速相符。采用羰基鐵粉背板和塑料背板相比，傳感器獲得的一次回波和二次回波幅值分別增大了約50%和100%，而兩種傳感器的噪聲水平相當。因此，采用優化后的羰基鐵粉背板能夠顯著改善電磁超聲橫波傳感器的信噪比。

圖9 分別采用優化前后傳感器的回波信號

傳感器的工作提離距離大小是衡量其應用能力的直接指標，對以上兩種傳感器在不同提離距離下的信號進行分析，如圖10所示為兩種傳感器一次回波隨提離距離的變化規律。從圖中可以看出，隨著提離距離的增大，信號幅值急劇下降，這與文獻[24]的結論一致，但采用羰基鐵粉作為線圈背板時，傳感器的信號隨著提離距離增加的衰減速度變慢。本實驗中采用羰基鐵粉背板的傳感器工作提離距離可以達到4.8 mm，比采用塑料板作為線圈背板時增加了約1 mm。

圖10 分別采用優化前后傳感器的提離距離

3 結論

為了提高電磁超聲橫波傳感器的信噪比和工作提離距離，本文提出采用羰基鐵粉作為線圈背板材料并對其進行了優化設計。結果表明，優化后的線圈背板能夠顯著增加橫波傳感器的信噪比和工作提離距離，對于推動電磁超聲技術的工業應用具有重要意義。