电磁超声表面波探伤技术

无损探伤 Ｎ Ｄ Ｔ
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研究与应用
电磁超声表面波探伤技术＊
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ．２０１２
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杨理践 刘明明 高松巍 （沈 阳 工 业 大 学 信 息 科 学 与 工 程 学 院 ，辽 宁 沈 阳 １１０８７０）
摘 要 ：针 对 金 属 板 材 表 面 大 范 围 的 健 康 监 测 问 题 ，进 行 了 电 磁 表 面 波 的 研 究 。 设 计 了 基 于 电 磁 超 声 原 理 表 面 波 探 伤 系 统 ，其 主 要 由 激 励 、接 收 和 换 能 器 组 成 。 由 表 面 波 的 特 性 ，推 导 出 了 表 面 波 的 激 发 频 率 ，线 圈 采用反复绕制的回折线圈，其优点是增大单位面积的电 流。激励 采用 推挽式 功 率 放 大，接 收 采 用 二 级 放 大。 在长６００ｍｍ、宽３００ｍｍ、厚３０ｍｍ 铝板上进行试 验，实 验 结 果 表 明 利 用 一 发 一 收 的 换 能 器 模 式 能 够 检 测 铝 板 表 面 的 缺 陷 ，达 到 了 对 铝 板 表 面 探 伤 的 效 果 。
声 信 号 很 微 弱 ，接 收 线 圈 匝 数 要 比 发 射 的 多 ，这 样 接
收到的回波信号效果好。图６为折线形线圈的实物
图。
发射线圈和 接 收 线 圈 的 匝 数 绕 制 比 为 ３：７，接
收 回 波 效 果 明 显 好 于 匝 数 比 １：１。
２．４ 接 收 电 路
接收 到 的 信 号 幅 值 一 般 只 有 几 百 毫 伏，有 用 信
６
无 损 探 伤
第 ３６ 卷
ν— 表面波的传播速度。 计算 出 理 论 上 激 发 出 表 面 波 的 频 率 为 ４９０ｋＨｚ。
２ 电 磁 超 声 探 伤 系 统
电磁 超 声 硬 件 系 统 包 括 激 励 电 路，接 收 电 路 以 及换能器 （包 括 用 磁 体、线 圈、被 测 试 件 ）三 部 分 组 成。电磁超声硬件系统如图２所示。
图４ Ｈ 桥形功率放大电路
由图４所示，当正 脉 冲 通 入 变 压 器 后，令 Ｑ１ 和 Ｑ４ 导通并且Ｑ２ 和Ｑ３ 关闭，２００Ｖ 高压通过Ｑ１ 和Ｑ４ 闭 合 的 回 路 导 通 后 ，输 出 为 正 向 脉 冲 ；当 负 脉 冲 通 入 变 压器后，Ｑ２ 和Ｑ３ 导通且Ｑ１ 和Ｑ４ 关闭，２００Ｖ 高压 通 过Ｑ２ 和Ｑ３ 闭合的回路导通后，输出为负向脉冲。 这个驱动电路 叫 Ｈ 桥 电 路，因 为 其 构 造 像 Ｈ 型 又 叫 全 桥 电 路 。 在 一 个 周 期 内 ，两 个 管 子 轮 流 导 通 ，在 ＭＯＳ管两端 加 入 ２００Ｖ 电 压，由 脉 冲 串 控 制 ＭＯＳ 管的开关，使２００Ｖ 直流电压经过 ＭＯＳ管的开断 变 为 交 流 输 出 ，输 出 电 压 约 为 ４００Ｖ。 最 终 输 出 经 阻 抗 匹配后输入到发射 线 圈 中，输 入 到 发 射 线 圈 中 的 电 流范围约为几十安 培 高 频 交 流 电 信 号，高 压 激 励 脉 冲串如图５所示。
关 键 词 ：电 磁 超 声 ；表 面 波 ；探 伤 ；换 能 器 中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－４４２３（２０１２）０３－０５－０４
电磁超声技术 在 检 测 时 无 需 耦 合 剂，无 需 对 金 属 板 材 表 面 进 行 预 处 理 ，具 有 低 检 测 成 本 ，高 检 测 精 度和高效率等优势 。 ［１］ 这些优势决定了电磁超 声 在 国内外无损检测 领 域 中 的 重 要 地 位。 目 前，电 磁 超 声 在 国 内 广 泛 应 用 于 铁 路 、管 道 、金 属 板 材 等 无 损 检 测中。该技术能够通过改变线圈形式及磁场方向， 灵活简便地激发多种类型的超声波。本文采用由折 线形线圈和单磁铁 组 成 的 换 能 器 激 发 表 面 波，并 对 铝板表面以及近表面缺陷进行检测。
过取反模块后，由 ＦＰＧＡ 输 出 两 路 正 负 脉 冲 串。 脉 冲控制是由两个按 键 来 控 制 的，一 个 按 键 减 少 脉 冲 个 数 ，一 个 增 加 脉 冲 个 数 ，由 于 脉 冲 个 数 在 １～１６ 个 范 围 内 可 调 ，数 量 多 了 很 难 确 定 有 几 个 脉 冲 ，所 以 脉 冲个 数 由 ＬＥＤ 显 示 出 来，实 验 时 会 很 方 便 知 道 由 ＦＰＧＡ 产生脉冲的周波数。 ２．２ 功 率 放 大 电 路
３ 实 验 及 结 果 分 析
该检测 装 置 是 用 电 磁 超 声 表 面 波 技 术 对 长 ６００ｍｍ、宽 ３００ｍｍ、厚 度 ３０ｍｍ 的 铝 板 检 测。 表 面 波沿着介质的表面 和 近 表 面 传 播，随 着 深 度 的 增 加 能量衰减，可以对物 体 的 表 面 和 近 表 面 缺 陷 进 行 检 测 ，表 面 波 的 能 量 可 以 遍 布 整 个 板 材 ，由 于 表 面 波 具 有无频率散、单模 式，对 于 试 样 表 面 的 裂 痕、凹 坑 等 缺 陷 敏 感 ，可 以 对 大 型 板 材 快 速 检 测 。
图１中 Ｆ 为产生的 洛 伦 兹 力，振 源 在 发 射 线 圈 下方。表面波由横 波 和 纵 波 构 成，所 以 表 面 波 综 合 了横波和 纵 波 的 特 性，其 质 点 运 动 轨 迹 成 椭 圆 状。 表面波的传播波速为：
槡 ＣＲ
≈
０．８７＋１．１２σ １＋σ
μｍ ρｍ
式中 σ— 铝的泊松比；
电压经过激 励 电 路 后 升 压 到 ４００Ｖ 左 右，由 于 ＭＯＳ 管 导 通 有 上 升 和 下 降 时 间 ，使 输 出 脉 冲 变 成 尖
第３期
杨 理 践 等 ：电 磁 超 声 表 面 波 探 伤 技 术
７
图 ５ 高 压 激 励 脉 冲 串
峰状，便于激励 探 头 激 发 出 表 面 波 出 来。 因 为 尖 峰
图 ７ 接 收 流 程 图
一级 放 大 采 用 差 分 放 大，差 分 放 大 能 更 好 地 去 除共模抑制比。主要作用在于抑制共模直流电压或 者两输入端的任何 其 他 共 模 电 压，同 时 放 大 差 分 信 号电压，即两输 入 端 之 间 的 电 压 差。 二 级 放 大 采 用 选频放大，能很好的 将 表 面 波 信 号 从 噪 声 中 提 取 出 来。再用带通滤波 电 路 滤 掉 杂 波，把 有 用 的 信 号 提 取 出 来 ，便 于 传 入 示 波 器 进 行 观 察 。
图 ２ 电 磁 超 声 检 测 系 统 整 体 框 图
由此 可 以 看 出，电 磁 超 声 包 含 了 很 多 小 的 子 系 统，每一部分设计的 参 数 的 好 坏 都 直 接 影 响 最 终 的 检测结果。 ２．１ 电 磁 超 声 脉 冲 发 射 原 理
基于 ＤＤＳ技术产生一路连续可调信号，通过 调 节频 率 控 制，信 号 从 ２００ｋＨｚ～１ＭＨｚ之 间 连 续 可 调，由于电磁超声 表 面 波 的 激 发 会 出 现 在 不 同 的 频 率 点 ，为 了 不 丢 失 有 用 信 号 频 率 ，加 入 的 外 部 信 号 必 须是连 续 可 调 的［４］。ＥＭＡＴ 发 射 电 路 原 理 如 图 ３ 所示。
点 ，对 表 面 波 的 叠 加 来 增 强 激 发 超 声 波 信 号 ，减 弱 其
他干扰信号，当线圈 的 声 同 步 频 率 等 于 激 励 信 号 的
电流频率时，即当λ ＝ ２Ｌ 时，线 圈 所 激 发 的 声 波 最
强 。 电 流 越 大 ，就 能 在 铝 板 上 耦 合 出 更 大 的 涡 流 ，接
状 脉 冲 能 量 更 集 中 ，输 入 线 圈 时 ，更 容 易 在 铝 板 的 趋
肤层耦合出涡流。
２．３ 电 磁 超 声 表 面 波 的 线 圈 形 式
放大 后 的 脉 冲 串 通 入 高 频 线 圈 中，接 收 和 发 射
线圈均为折线形线 圈，由 线 圈 的 几 何 形 状 可 知 相 邻
导线内的电流方向 是 相 反 的，在 导 线 下 方 产 生 的 应
变 位 移 也 相 反 ，在 空 间 形 成 周 期 性 的 正 负 交 替 ，周 期
的表面应力作用在 试 样 上，当 满 足 以 下 位 移 匹 配 条
件 时 ，该 应 力 即 产 生 超 声 波 ，即 ：
ｎλ ＝２Ｌ
（３）
式中 ｎ— 奇整数；
λ— 瑞利波长；
Ｌ— 相邻线圈的间距。
匹配的目的是利用回折形线圈空间周期性的特
号 很 微 弱 ，而 外 界 的 噪 声 干 扰 却 很 强 ，当 信 号 和 外 界
图 ６ 折 线 形 线 圈
干 扰 混 杂 在 一 起 时 ，接 收 到 的 信 号 的 信 噪 比 很 低 ，为 了使接收到的信号 适 合 于 观 察，需 要 对 其 进 行 放 大 和 滤 波 ，消 去 信 号 中 掺 杂 的 干 扰 ，采 用 二 级 放 大 以 及 接收放大的流程如图７所示 。 ［７］
（１）
μｍ— 铝的拉密常数； ρｍ— 铝的密度。 算出表面波 在 铝 板 中 传 播 速 度 约 为 ２９３０ｍ／ｓ。
表面波的波长约为６ｍｍ，由频 率和波 长 以及和 波 速
的关系：
λ
＝
ν ｆ
式中 λ— 表面波波长；
（２）
＊ 基金项目：国家自然科学基金仪表专项资助项目（６０９２７００４）；国家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６１１４１００４）；十 二 五 国 家 科 技 部 支 撑 计 划 资 助 项 目（２０１１ＢＡＫ０６Ｂ０１－０３）
脉 冲 通 过 功 率 放 大 电 路 来 提 高 电 压 ，然 后 通 入 发 射 线 圈 获 得 大 电 流，产 生 大 电 流 在 铝 板 中 耦 合 出 涡 流，就可以更好地进行电磁超声检测。由 ＦＰＧＡ 发出 的脉冲一般只有５Ｖ 左右，其功率和幅值都无法驱动 ＭＯＳ管 ，所 以 脉 冲 由 发 射 电 路 产 生 后 ，先 经 过 驱 动 电 路，然后输入到功率放大电路（主要是 提 升 电压），脉 冲串的电压将提升到４００Ｖ 左右，然后输入到发射线 圈中。功率放大 电路 采用 推挽 式 放 大，ＭＯＳ 管 的 作 用如同开关，功率放大电路如图４所示［５］。
在某一个时间点在被检测试样上放置折线形线圈在线圈两端通入高频高压脉冲串此时线圈中产生很大的高频电流高频电流在试样趋肤层耦合出频率相同但方向相反的涡流在偏置磁场的作用下产生交变的洛伦兹力从微观角度来讲质子和质子之间相互碰撞在被测试样表面发生周期性的振动和形变
第 ３６ 卷 第 ３ 期 ２０１２ 年 ６ 月
收到回波效果更 明 显、幅 值 更 大。 本 文 采 用 来 回 往
复 绕 制线 ，电 流 往 复
循环提高了导线中单位面积的电流。导线应排列紧
密 且 平 行 ，而 且 间 隔 相 等 ，为 了 保 证 电 流 能 够 达 到 足
够大，接收线圈绕制方式和间距一致［６］，由于电 磁 超
图 ３ 脉 冲 发 射 电 路 原 理 框 图
程 序 大 体 思 想 为 ：在 控 制 信 号 为 高 脉 冲 时 ，允 许 ＤＤＳ产生的方波信号进入并进行计数，若计 数为 ９， 让 ９ 个 脉 冲 串 通 过 ，然 后 控 制 信 号 电 平 置 为 低 ，当 控 制 信 号 为 低 电 平 时 ，输 出 也 为 低 电 平 ，等 待 下 一 个 控 制 信 号 的 高 电 平 到 来 ，如 此 反 复 循 环 ，产 生 的 脉 冲 经
面缺陷进 行 检 测 。 ［２－３］ 表 面 波 产 生 的 示 意 图 如 图 １ 所示。
图 １ 电 磁 超 声 激 发 出 表 面 波 的 示 意 图
１ 原 理
电磁 超 声 表 面 波 产 生 的 原 理 是 由 电 磁 学、力 学 和声学组成的复杂的产生机理。其基本过程可以表 述为：在某一个时 间 点，在 被 检 测 试 样 上，放 置 折 线 形 线 圈 ，在 线 圈 两 端 通 入 高 频 高 压 脉 冲 串 ，此 时 线 圈 中产生很大的高频 电 流，高 频 电 流 在 试 样 趋 肤 层 耦 合出频率相同但方 向 相 反 的 涡 流，在 偏 置 磁 场 的 作 用下，产生交变的 洛 伦 兹 力，从 微 观 角 度 来 讲，质 子 和质子之间相互碰 撞，在 被 测 试 样 表 面 发 生 周 期 性 的振动和形变。一般认为被测试样的厚度超过４倍 超声波波长，质点的 高 频 振 动 就 会 以 表 面 波 的 形 式 在 试 样 中 传 播 ，当 表 面 波 在 向 下 传 播 时 ，其 信 号 会 衰 减 的 非 常 快 ，当 深 度 超 过 其 一 倍 波 长 时 ，表 面 波 会 急 剧衰减。因此表面波只能对被测物体的表面和近表