无损检测新技术-电磁超声检测技术简介

1、无损检测新技术-电磁超声检测技术简介夏纪真广州市番禺区南村镇恒生花园14梯701 邮编：511442摘要：本文简单介绍了电磁超声检测技术的基本原理、基本结构以及应用范围。 关键词：无损检测 超声检测 电磁超声1 综述电磁超声检测技术也称为涡流-声检测（英文缩写EMAT），是近年来国际上快速发展的一项新的检测手段，也是超声检测发展的前沿技术之一，它属于非接触超声检测，采用数字技术，可方便地在被检测工件中激发出各种型式的超声波，能实时有效地检测金属的表面及内部缺陷，而且电磁超声对各种不同钢材的导磁率比较敏感，以及对钢材组织比晶粒度更敏感的特点用于钢材分选。因此电磁超声检测技术已经广泛应用于各种锻件

2、、钢棒、钢板、钢管（包括无缝钢管、石油套管、焊管等）的手动、半自动和全自动无损检测以及火车轮的动态检查、火车车轮踏面及轧辊的表面及近表面探伤等众多领域，特别是可以用在高温状态下金属坯料的非接触在线自动化超声检测（如轧钢生产线上的在线高温自动化超声检测），这是电磁-超声法所拥有的特殊优势，目前常用的压电换能器是无法承担这样的检测任务的。电磁超声检测还可用于金属蜂窝结构的胶接质量（例如未粘合、分层等）以及导电层压制品或例如硼纤维或石墨纤维增强的复合材料，金属复合板等的未粘合等缺陷的检测，这主要是利用试件振动时的机械阻抗变化为依据的。EMAT的能量转换是在工件表面层内直接进行，可以将工件表面层看成是

3、压电晶片，因此EMAT所产生的超声波就不需要任何耦合介质，探头可以不与被检测的试件接触就可向其发射和接收超声波，对被探测工件的表面不需要特殊清理，对较粗糙的表面也可直接进行检测，因此对粗糙黑皮表面特别是对于高温探伤十分有利。EMAT在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，能够激发出表面波、SH波和Lamb波。如果改变激励电信号频率使之满足下式要求：f=nC/2Lsin（n为任意整数），式中：C为声速；f为电信号的频率；L为1/2波长，则超声波能以倾斜角向工件内侧斜辐射（但其幅度也随之下降），亦即在其它条件不变的前题下，改变电信号的频率就可以改变超声波的辐射角，从而可以在不变更换能器的情况下，实

4、现超声波模式的自由选择，灵活产生各种波型，可适当选择磁场和涡流的不同方向组合产生不同形式的超声纵波和超声横波用于各种要求的探伤。EMAT也是利用它所激发的超声波按一般的反射法检测，其主要特点还包括检测速度快（手动探伤速度可达5米/分，自动化检测速度最高可达到钢板30米/分钟、钢管40米/分钟），超声波传播距离远（在钢管或钢棒中激发的超声波可绕工件传播几周甚至十几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时，探头与工件都不用旋转，使得检测设备的机械结构相对简单，所用通道与探头的数量少，例如在板材的自动化超声波检测时，压电换能器型超声波检测设备要进行板面的探伤需要几十甚至上百个通道及探头，而EMAT只需要

5、四个通道及相应数量探头就可以了），以及调整操作简便、可靠性高等，适合实施在线自动化检测，发展前景非常广阔。EMAT的缺点是检测对象必须是导电介质（以便建立涡流场），需要有参考标准作为评定依据，而且其方法的实施还受到试件几何形状与尺寸等的限制，还必须指出该方法的检测灵敏度和常规的超声检测相比是相对较低的，因此使其推广应用受到了限制。2 电磁超声检测技术依据的物理基础电磁超声检测技术激励超声波的原理基于电动力学法，我们通常称之为涡流-声或者电磁-超声法：将通有高频脉冲电流的激磁线圈置于导电金属表面上，线圈产生的交变磁场作用于金属并在金属表面层内感应出频率相同、方向相反的涡流-它是由运动着的带电质点

6、组成的，此涡流与同时施加在试件上的另一外加恒定磁场（如永久磁铁或直流电磁铁）相互作用，则金属中的带电质点在磁场中流动时受到垂直于磁场方向和质点运动方向的力-洛仑兹（Lorentz）力的作用而发生位移，使涡流进入的体积元发生振动，从而激发出与涡流频率相同的超声波，形成了超声波波源，视作用力的分力方向（水平分量与垂直分量）可以同时激发出纵波与横波，其频率与通入交变电流的频率相同，改变高频脉冲电流的频率即可改变电磁超声波的频率。这种方法又称重叠磁场法。接收超声波是上述过程的逆过程，即工件中的超声反射回波导致质点在恒定磁场中振动，就会产生感应电流，使配置在导电工件表面上的检测线圈中有感应电势产生，即可

7、作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频率，其大小则随磁场的增大而增加。接收信号被仪器接收、放大并显示，达到检测金属材料中有无缺陷的目的，同样可以按压电超声检测的方法判定缺陷的大小、性质。如图1a所示，在磁铁极靴之间放置激励线圈（线圈绕组闭合在表面以外的无磁场空间），在它的绕组中电流都是同向的，磁铁所产生的磁感应强度B平行于表面，作用在涡流因子g的体积元上的力F垂直向下，因此在线圈绕组平面之下的表面将发射出纵波。图1电磁超声激发原理在图1b中，线圈放置在极靴之下，因而在垂直于表面的磁场中产生了涡流，这时的作用力平行于表面，因而产生了垂直穿透表面的横波。这里线圈绕组也同样必须在表面以外的无

8、磁场空间闭合。如果激励线圈排列得足够紧，则在上述任一情况下都能产生具有通常方向图形的超声波束。图2电磁-声换能器结构具体的电磁-声换能器结构如图2所示：利用直流线圈和铁芯产生外加恒磁场，利用激磁线圈在导电体中产生涡流，利用检测线圈产生的感应电势作为接收信号。这种结构的换能器将在导电工件中激发出超声波用于检测。3 电磁超声检测设备的基本构成实际应用中的电磁超声检测设备基本由三部分（简称EMAT三要素）组成：（1）用于产生高频激发磁场的高频线圈；（2）用来提供外加磁场的磁铁，它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；（3）作为检测对象的工件，它是EMAT的一部分。工件的材质必须

9、具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有。EMAT作为一种超声发生器，它的基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。实际应用的电磁超声探伤设备的主要组成部分包括：1大功率探伤仪：同步、放大、显示，主放大器增益100dB，动态范围不小于30dB。2高压发射器：采用7.5KV高压直流供电，发射电流峰值可达400450A，发射由闸流管和电容器组成电容放大系统，发射线圈和电感电容组成调谐系统，能产生很高的电压峰值波形。3探头：直流电磁铁或永久磁铁产生恒定磁场作为外磁场。探头系统中装有三级放大的宽频带前置放大器、发射和接收用的屏蔽电缆。发射线圈（多考虑低电阻、大电流）和接收线圈（倾向多匝数有利于提高灵敏度

10、），周围有金属框架保护。线圈的外形尺寸（长、宽）、绕制匝数、绕制方式都对灵敏度有较大影响，对于不同的磁极头，线圈尺寸有最佳值。探头表面有保护膜以防止破碎氧化皮进入探头中，减少杂乱噪声。图3示出典型的电磁超声探伤仪的基本原理方框图。图3典型的电磁超声探伤仪的基本原理方框图目前国产的电磁超声探伤设备种类已经有管体电磁超声探伤设备、管端电磁超声探伤设备、钢质无缝气瓶电磁超声探伤设备、板材电磁超声探伤设备、在线高频焊管焊缝电磁超声探伤设备、高频焊管电磁超声探伤设备、管材电磁超声探伤设备等。目前国产的电磁超声探伤设备的动态灵敏度可达2mm平底孔当量，能够采用钢管直线前进-探头原地跟踪检测、钢管螺旋前进-探头原地跟踪检测、钢管原地旋转-探头直线移动跟踪检测、钢板直线前进-探头原地跟踪检测等多种扫查方式，可有效的检出黑皮钢材中如缩管、白点、夹杂、内裂等自然缺陷，钢板上、下表面