电磁超声检测技术.doc

电磁超声无损检测技术的理论研究丁一摘要：电磁超声是一项新的无损检测技术，该技术利用电磁耦合方法激励和接收超声波。与常规超声相比其不需要耦合剂，既可以实现常规超声的各种检测功能，还可以应用于一些常规超声无法检测的场合，如高温环境，带保温层、屏蔽层的试件检测等。本文首先介绍了电磁超声技术发展的应用的历史，在总结前人成果的基础之上，研究了电磁超声系统的基本理论。在理论研究的基础之上，对EMAT试验系统进行设计。关键词：电磁超声；无损检测；试验系统设计1 绪论超声检测是工业上常用无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射并被超声波探头接收，对反射波进行分析，就能精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。传统压电式超声波检测，是将脉冲振荡器发出的电压加在用压电陶瓷或石英晶片制成的探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大后进行显示的。通常需要耦合剂才能实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测环境。电磁超声检测技术（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）是指，在永磁场中，强大脉冲电压在线圈中产生脉冲电流，并在周围产生强电磁场，辐射到被测体的表面的电磁场会在被测体的表面产生涡流，涡流受到洛仑兹力，洛仑兹力的方向与涡流垂直，并指向涡流的中心，表面会产生电磁超声波。若被测体为铁磁性材料，还会有磁致伸缩力，洛仑兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种起主要作用是由外加磁场的大小以及激励电流的频率决定。接收效应与激励效应互为逆过程，超声波回波被检测探头接收，可对被测体进行检测。相对于压电式超声波检测，电磁超声检测具有以下优点：（1）电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质，所以不需要油、水之类的耦合剂。（2）通过改变磁铁的结构和形状，改变信号发射和接收线圈的排列方式，可以产生不同模式的波，特别是可以激发出水平偏振横波。（3）对于被测物体表面要求不高，而且可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测。（4）由于不需要耦合剂，不存在接触压力变化问题，探伤灵敏度稳定。虽然电磁超声技术只能对具有良好导电性的物体进行检测，但由于无需接触，可在高温下运行，高检测效率等诸多优点，目前被广泛应用于在线测厚、炼钢、管道、板材以及铁路等多方面的无损检测中。目前，电磁超声在国外已进入工业应用阶段，美国、日本、德国以及加拿大等国对EMAT进行了许多研究。国内对电磁超声的研究起步较晚，但由于电磁超声所具有的诸多优点，越来越多地受到广大无损检测工作者的关注，从事此方向研究的人员也日益增多。2 电磁超声的应用电磁超声可以应用于大型无损检测线和各种管道检测，具体应用领域如图1所示。图 1 电磁超声的应用常规超声检测技术在点测方面已取得了很好的应用，但是在大型连续检测线上实现却存在着很大的困难。为了解决耦合和运动的矛盾，普遍采用的是水浸法和充水法，但是这些实现方法也存在着实现设备复杂，检测信号波形不稳定等缺陷。电磁超声可以很好的解决这些问题。电磁超声另外一个重要的应用方面就是高温管道检测。随着国家在能源、动力企业的投入和发展，各种高温压力管道逐渐增多。作为特种设备的压力管道，一旦出现事故，损失将非常严重。对此，国家有相关政策法规强制检测，以实现最小的事故发生率。这就使得高温压力管道检测成为一个急需解决的问题。而电磁超声正是解决这个问题的最好选择。电磁超声相对于常规超声一个最大的优点就是其非接触性。热体在空间辐射的温度场是按指数衰减的，探头离检测试件表面每提离一段距离，其探头环境温度就有显著的下降，所以，电磁超声可以用于高温管道检测。3 电磁超声基本原理3.1 引言EMAT的物理结构通常由高频线圈、磁铁和工件三部分组成。高频线圈用于产生高频激发磁场；磁铁用来提供外加磁场，可以是永久磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁；工件即检测对象，是EMAT的一部分，工件的材质必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有。一般来说产生电磁超声有两种效应：洛仑兹力效应，磁致伸缩效应。对于非铁磁性材料，其换能机制是洛仑兹力效应；对于铁磁性材料则存在洛仑兹力效应以及磁致伸缩效应。洛仑兹力效应是指在金属表面趋肤深度层内感生涡流在外磁场作用下产生的洛仑兹力所激发的超声振动及其反过程。磁致伸缩效应是指铁磁性材料在线圈的高频磁场及外磁场共同作用下产生的宏观形变所激发的超声振动及其反过程。洛仑兹力和磁致伸缩力两种效应具体是那种起主要作用是由外加磁场的大小，激励电流的频率决定。这样产生的超声波形成的回波在检测探头上由和激励效应互为相反的逆过程的作用原理进行检测。3.2 洛伦兹力方式图2 洛伦兹力方式原理图图2简单说明了洛仑兹力方式电磁超声的原理。在被测导电体表面上方放置一个通以交变电流的线圈，则在导电体表面会产生一个交变磁场，交变磁场会渗透入导电体，但由于趋肤效应，透入后会按指数衰减，以致渗透不深。在交变磁场能够渗透入的导电体区域，如果忽略位移电流，按安培定律，磁场将产生电涡流，在交流磁场之外另加一静磁场，则电流会受到洛仑兹力作用。这个交变的力直接作用于电子，又通过电子和晶格的磁撞，进而作用于晶格，使导电体的表面层受力，成为发射超声的声源。所发射超声的频率等于交变磁场的频率，即悬空线圈内电流的频率。当激励线圈面积足够大，超声波的传播将指向样品内部。而当被测体表面有超声自内部透射出时，样品上空只有空线圈时，由于静磁场的作用，晶格将受力作用力，从而产生电流导致被测体的表面层出现交变磁场，这个交变磁场将漏出导电体，根据法拉第效应在样品上定的线圈内感生出电动势。因此，电磁超声换能器同样可用来检测被测体内部的超声。在作为超声接收器时，直流静磁场不可缺少，但作为超声发生器时，直接静磁场为零时，上空线圈所产生的交流磁场也将对电流产生洛仑兹力，这个力总是沿着一个方向总使线圈与导电体相互排斥，不过，这时超声波频率是线圈内电流频率的两倍。为得到足够强的超声，需要很强的交变磁场，即需要很强的交变电流。3.3 磁致伸缩力方式当铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下，在磁场中被磁化时，会沿磁化方向发生微量伸长和缩短，称之为磁致伸缩效应，又称焦耳(Joule)效应。磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化，形成大量磁畴。在每个磁畴内，晶格发生形变。在未加外磁场时，磁畴的磁化方向是随机取向的，不显示宏观效应；在外磁场中，大量磁畴的磁化方向转向外场，其宏观效应即是材料在磁力线方向的伸长或缩短。铁磁式导体中除了洛仑兹力，磁致伸缩作用也是其工作的主要原因，并且此时磁致伸缩力常占主导作用。对于磁性导电材料，有磁致伸缩力，再加上洛仑兹力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩量，从而产生周期变化的磁致伸缩应力迭加在洛仑兹力产生的应力上。磁致伸缩应力是很复杂的，其取决于磁畴的分布，同时也受外加稳恒磁场的大小和方向影响。虽然存在于磁性导电材料中的磁致伸缩力在理论分析上很复杂，但这种附加力的叠加很有用，因为与单独由洛仑兹力力产生的信号相比，这种力可大大提高信号的强度。在应用高的磁场强度使材料达到磁饱和以后，洛仑兹力成为产生声波的唯一原因，磁致伸缩力在磁场比较小的时候占主导地位，然而，要比相应场强洛仑兹力机理产生的声波强的多。3.4 电磁超声和常规超声对比电磁超声与常规超声又许多相似之处，对比常规超声和电磁超声的异同之处有助于电磁超声的设计。常规超声检测技术是一项很成熟的技术，图3给出了常规超声和电磁超声的不同之处。从图中可以看出，除了激励部分一个使用的是压电晶片，一个使用的是电磁作用，其它部分两者基本上是相同点的，所以两者具有很大的共同点。图3电磁超声和常规超声对比图4 电磁超声实验系统的设计本章将从电磁超声实验系统入手，对电磁超声实验系统进行介绍并提出设计思路。详细的介绍了电磁超声换能器的结构设计、阻抗匹配系统和抗干扰问题。EMAT无损检测系统一般都由EMAT电磁超声激励部分、电磁超声换能器、接收部分和处理显示部分组成。其中激励部分包括窄脉冲发生电路、功率放大电路和阻抗匹配部分；电磁超声换能器由磁铁、线圈（发射线圈和接收线圈）和被测试件组成，其中被测试件也是换能器的一部分，可以被看做是电磁超声的声源；接收电路主要由放大滤波电路组成；处理显示部分一般由上位机或者示波器组成。图4 EMAT实验系统设计EMAT表面波检测系统的工作原理如图4所示，由脉冲激励电路发射出一个窄脉冲序列，脉冲序列经过功率放大电路，将脉冲串瞬时电流提高到安培级，加载到有阻抗匹配线圈的发射线圈上，发射线圈在被测试件表面形成涡流场，涡流场与磁铁形成的偏置磁场共同作用，在被测试件表面激发出沿导体表面传播的超声波；声波遇到缺陷时会发生衰减和反射，衰减波和反射波传播到接收线圈处，会被接收线圈拾取，在接收线圈中感生出带有缺陷信息的电压信号，通过对电压信号进行提取分析来判断缺陷的有无。EMAT接收到带有裂纹信息的回波信号，裂纹信号幅值很小并且包含各种噪声，信号在经过前置放大和滤波后，被示波器接收显示或者通过数据采集卡采集到上位机中进行后续处理和显示。5 总结电磁超声技术经过半个世纪的发展，以其独特的优点在无损检测领域占有了一席之地，并逐渐被应用到各个领域中，为提高产品质量，保证设备安全做出贡献。与传统压电超声相比，电磁超声技术利用电磁感应原理在被测试件中激发出超声信号，既具备了超声检测的高精度，又不需要耦合介质，因此其能用于高速、高温的环境，具有广阔的应用前景。同时，电磁超声检测技术自身具有跨学科、多样性的特点，使其机理的认识和探索比较困难。本文在吸收和总结前人的研究