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电磁超声传感器的三大典型结构
发布:kittyll   时间:2015/8/25 13:49:54   阅读:1402 
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电磁超声检测技术由于具有非接触的优点,探头不存在磨损,适合于高速、高温等恶劣工况检测。尤其是功率电子技术的发展,解决了电磁超声传感器(Electromagnetic acoustic transducer, EMAT)换能效率低的功率问题,极大地促进了EMAT技术的发展,特别是其易于激励出SH波,具有压电超声传感器不可比拟的优点,成为近年来无损检测技术的研究热点之一。

电磁超声传感器是电磁超声检测技术的核心,其物理基础来自于20世纪60年代,在凝聚态物理研究螺旋波特性的过程中,发现了电磁可转换为声的现象。由于电磁声现象是在研究材料特性的过程中发现的,研究人员很快认识到其在材料表征中的应用,进而被迅速应用到无损检测中,如钢板检测、油气输送管道裂纹及涂层脱落检测、钢管混凝土空洞检测,铁轨及火车轮踏面检测、焊缝检测、厚度测量等。

为适应上述无损检测的不同目标,研究人员设计了不同类型的传感器。在EMAT原理中,从时间域上看,动态磁场和静态偏置磁场共同作用使试件中质点振动;从空间域上看,静态偏置磁场和动态磁场的空间分布复杂多样,从而使得研究人员在设计与选择EMAT时,面临诸多困难。华中科技大学机械科学与工程学院的研究者们从静态偏置磁场的空间分布特点及其与动态磁场的作用机理出发,详细分析了EMAT结构,为研究人员设计与选择EMAT提供理论指导。

目前,已有的EMAT可以激励出体波、表面波和SH波(horizontally shear polarized waves,SH波)等多种波型的超声波。而超声波波型取决于试件质点振动的力或位移方向与振动传播方向。洛伦兹力和磁滞伸缩应变的方向与试件中偏置磁场和动态磁场的分布有关。动态磁场非常容易理解,线圈中电流发生变化,感应出的涡流就会随之变化。静态偏置磁场虽然在时间上不发生变化,但空间上可以有多种分布,进而与动态磁场复合作用,产生不同方向的洛伦兹力或磁致伸缩应变,从而激励出不同类型的超声场。根据试件中静态偏置磁场和动态磁场复合作用区域的静态磁场分布特点,下面从均匀静态磁场、空间周期静态磁场及非均匀静态磁场角度分析不同类型的EMAT结构。

在分析之前,需强调以下几点:

(1) 这里所说的均匀磁场是限定在一个局部小范围内的,一般特指交变线圈正下方的试件趋肤层。从严格意义上讲,绝对均匀的磁场是不存在的。

(2) EMAT结构种类繁多,下面介绍每一类结构时是一个典型结构为例,并不代表只有这一种。

(3) 对每一类结构,分别分析了洛伦兹力机理和磁致伸缩机理。实际中,如果被测试件是非导磁材料,则只需参照洛伦兹力机理;如果是铁磁材料,则这两种机理同时存在。至于哪一个占主导作用,则要根据外加的磁场确定,本文暂不对此作分析。

1 均匀静态磁场EMAT结构

均匀静态磁场EMAT结构如图1和图2所示,衔铁、永久磁铁和被测试件组成的闭合磁回路,在线圈正下方的被测试件表面会产生均匀的水平静态磁场。静态偏置磁场和动态磁场的复合作用主要表现为洛伦兹力或磁致伸缩应变。在均匀水平静态磁场的EMAT结构中,质点所受洛伦兹力和试件磁致伸缩应变的方向分别如图1和图2所示。图1中,洛伦兹力使质点垂直于试件表面振动并在试件中传播,产生横波(剪切波)。图2中,质点的磁致伸缩应变与试件表面平行,从而在试件激励出水平剪切波。
 
图1 均匀静态磁场EMAT结构中的洛伦兹力机理
 
图2 均匀静态磁场EMAT结构中的磁致伸缩机理

2 空间周期静态磁场EMAT结构

空间周期静态偏置磁场是由一组周期排列放置的永久磁铁(Periodic permanent magnet,PPM)产生的。一种典型PPM结构如图3所示,PPM产生垂直于试件表面的空间周期变化静态磁场。对于洛伦兹力机理而言,如图4所示,被测试件中感应出的涡流与试件表面平行,因此质点振动方向垂直于涡流方向且与试件表面平行,激励出SH波;对于磁致伸缩机理而言则如图5所示,线圈正下方试件表面的动态磁场方向与偏置磁场垂直且平行于试件表面,也可激励出SH波。


图3 空间周期静态磁场EMAT结构图

图4 空间周期静态磁场EMAT结构的洛伦兹力机理


图5 空间周期静态磁场EMAT结构的磁致伸缩机理
 
3 非均匀静态磁场EMAT结构

磁力线始终是闭合的,这一特点决定了在N极附近空间中,磁力线总是发散的,而S极附近的磁力线总是汇聚的,因此磁场的空间分布往往是非均匀的。空间中不同位置偏置磁场的方向不同,一般既有水平分量也有垂直分量(相对试件表面),而且在不同位置,水平分量和垂直分量的强度也是变化的。因此,非均匀偏置磁场中产生的超声波波型成分比较复杂,以图6所示的洛伦兹力机理为例,圆柱磁铁在试件周围产生的偏置磁场是非均匀的。在磁铁正下方试件趋肤层中,偏置磁场垂直分量远远大于水平分量;而在磁铁正下方以外的附近区域,偏置磁场水平分量则大于垂直分量。被测试件中感应出的涡流成环形,与试件表面平行,在磁铁正下方试件趋肤层中,质点振动方向垂直于涡流方向且与试件表面平行,与声波传播方向垂直,主要激励出横波;而在磁铁正下方以外的附近区域,质点振动方向垂直于涡流方向且与试件表面垂直,与声波传播方向平行,主要激励出纵波。在偏置磁场水平分量与垂直分量相当的区域,偏置磁场的水平分量会激出纵波,而垂直分量则会产生横波。由于声波传播方向不仅有垂直试件表面的方向,还有平行于试件表面的方向,因此在试件表面还会激励出表面波。
 

图6 非均匀静态磁场EMAT结构的洛伦兹力机理

 
图7 非均匀静态磁场EMAT结构的磁致伸缩机理
 
如果试件为铁磁性试件,需考虑磁致伸缩机理,如图7所示。在磁铁正下方试件趋肤层中,偏置磁场的垂直分量远远大于水平分量,动态磁场方向平行于试件表面,并与偏置磁场方向垂直,与声波传播方向垂直,主要激励出横波;而在磁铁正下方以外的附近区域,偏置磁场的水平分量远远大于垂直分量,动态磁场方向平行于试件表面,并与偏置磁场方向平行,与声波传播方向平行,主要激励出纵波。在偏置磁场水平分量与垂直分量相当的区域,偏置磁场的水平分量会激出纵波,而垂直分量则会产生横波。

节选自《无损检测》2015年第1期

本文作者:丁秀莉(1990—),女,华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生,研究方向为电磁超声无损检测技术。
      武新军(1971-),男,华中科技大学机械科学与工程学院教授,主要研究方向为无损检测新技术。
 
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