电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化_江念

。 目前， 在欧
美等国家电磁超声技术已被应用于在线测厚 、 炼钢 及铁路轨道等无损检测领域， 并逐渐成为国外较为 主流的无损检测技术之一。 EMAT 的能量转换效率低。 若增 实际应用中， 大换能器激励源的功率， 由此会产生强烈的电磁干 扰， 并使得线圈发热， 导致接收信号信噪比低， 限制 了电磁超声的广泛应用。为了提高电磁超声接收信
［11－12 ］ 。 影响接收信号的质量 图 5 所示为不同周期个数激励信号的回波幅
3
3．1
影响检测信号的因素分析
频率改变对换能效率的影响 EMAT 在检测过程中， 实际上， 可以通过式 （ 6 ）
改变线圈相邻导线间距 L 以及激励信号频率 f， 进而 改变波在钢板内部的传播角度 θ， 就会产生不同模 式的波。 （ 6） = 式中： C 是声波的速度。在本文中传播角度 θ 90° ， f = nC / 2L · sinθ L = 0． 2 mm， 那么要在实验中产生电磁超声横波， 波 = C 3 230 m / s ， （ 6 ） 速 由式 可以计算得出高频线圈的 激励频率 f = 8．07 MHz。 在实际实验中， 激励信号频率的选取应综合考 EMAT 的工作环境、 虑被测对象的物理性能、 检测精 度等条件。同时， 材料物理特性的不同对激励频率 也有一定的影响， 当材料的晶粒较粗时， 超声波在其 中的衰减也比较大， 且易产生反射波。
H d 为激励 电 流 所 产 生 的 磁 场 强 以上各式中， E E 表示感生涡流 度。μ 为被测试件的相对磁导率， J E 代表 场的电场强度， γ 为被测试件的相对电导率， 了感生涡流场的密度。式（ 1） 、 式（ 2 ） 描述了通电高 频线圈在其周边小范围内产生交变电磁场 B d 的过 程。式（ 3 ） 、 式（ 4） 描述了在交变电磁场 B d 作用下， 试件集肤层产生涡流场 J E 的过程， 式 （ 5 ） 描述了涡 流 J E 在偏置磁场 B s 和交变电磁场 B d 作用下产生 洛伦兹力 fL 的过程。
电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化
江
摘
* 陈友兴 ， 陈 念， 王召巴，
*
玉
（ 中北大学电子测试技术国家重点实验室， 太原 030051）
要： 为提高电磁超声检测信号的信噪比， 脉宽及换能器提离距离对厚度测量结果的影响， 搭建了电磁 研究激励信号频率、
SNAP 5000 产生高能正弦波激励电磁超声换能器 EMAT （ Electromagnetic Acoustic Trans超声实验系统。该系统利用 ＲITECducer） ， 通过调节激励信号的频率、 脉宽， 改变提离距离来观测超声回波幅度的变化。实验结果表明： 当激励频率和 EMAT 固有 频率相同时其换能效率最高， 采用 6 个周期的脉冲串时前后波包之间分界明显， 为获得较大的回波幅度应尽可能减小提离距离。
［7 ］ 根据相关检测技术手册 ， 可知钢板的最佳激 励频率参考范围是 2 MHz ～ 15 MHz。当采用较低频
（ n = 1， 2， 3 …）
激励信号时， 虽然在被测导体中声波衰减小、 穿透能 力强、 传播距离长， 但是信号幅值较小， 超声回波信 噪比低， 不能有效利用。而采用高频激励信号时， 产 生的超声波波长短， 能量集中， 因此检测缺陷的精度 高、 分辨力好、 定位准确。但高频超声波在被测导体 ［9－10 ］ 。为研究 中的衰减大、 穿透能力差、 传播距离短 回波幅值与检测频率的关系， 找到 EMAT 的最佳激 励频率， 本文以 4．0 mm 厚的钢板为例， 通过对比不 同频率下的回波信号来分析激励信号频率对检测结 果的影响。设定激励信号的频率范围为 4 MHz ～ 14 MHz， 步进增量为 0．1MHz， 得到不同激励频率下的 超声回波幅值如图 4 所示。
图2
电磁超声检测系来自百度文库示意图
电磁超声换能器采用外圈发射、 内圈 在实验中， ， 接收的一体化结构 由相互垂直的条形永久性磁铁 “螺旋 ” EMAT 实物图如图 3 所示。 其 和 线圈组成， 中， 永久磁铁选用钕铁硼， 用于提供换能器工作所需 的静态偏置磁场； 线圈则由直径为 0．2 mm 的铜漆包 “螺旋形” 以 绕 12 圈制成。 检测试件为 4．0 mm 厚
图1
电磁超声换能器的换能机理
EMAT 结合电磁超声激发原理及电磁学理论， 产生洛伦兹力的过程可以被描述为 ： 珝 珒 （ 1） J c = ×H d 珝 珗 · Hd B d =μ 珗 = ×E E t 珗 珒 · E J E =γ E － 珒 珗 珗 fL = J E ×（ B s +B d ） 珗 B d （ 2） （ 3） （ 4） （ 5）
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EMAT 换能机制
EMAT 由线圈、 磁铁和具有良导体性质的被测试
件 3 部分组成， 其中激励线圈和偏置磁铁是 EMAT 探 头的重要组成部分。在实际应用中， 为了能够有效激 发能量集中的电磁超声波， 常采用曲折线圈、 螺旋线 圈以及与其相互垂直或平行等形式的静磁场设计电 磁超声探头， 并适当调整、 优化其参数结构。 EMAT 在钢板中激发出电磁超声横波的换能机 制如图 1 所示。线圈在上高频大功率电流的激励作 用下使钢板中产生交变的电磁场， 并在钢板表层的 趋肤深度内感生出涡流； 同时偏置静磁场 （ 由永久 性磁铁产生 ） 作用于感生涡流， 使得感生涡流场受 到洛仑兹力的作用而引发钢板表面质点进行高频振 ［7－9 ］ 。 相应的， 动， 从而激发出超声横波 利用 EMAT 接收超声波是上述过程的逆效应过程 。
本文搭建的电磁超声钢板厚度检测系统示意图如 图 2所示。 激励部分和接收电路由 SNAP － 5000 系 统及其相关模块组成。 SNAP － 5000 产生 6 个周期 的高频大功率正弦波脉冲串， 经过匹配阻抗、 收发双 工器模块后， 激励自发自收的 EMAT 工作， 在试件 表层激发出超声波， 用于检测试件。 在钢板中传播 并反射回到上表层的超声回波信号被 EMAT 接收， 经过再双工器模块传输至 SNAP － 5000 由示波器显 示和采集。 在整个电磁超声波的激发和接收过程 中， 钢板的上表层参与了换能过程。
图3 实验所使用的 EMAT 实物图
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第 28 卷
的 45#钢板， 检测信号由采样频率为 100 MHz 的示 波器进行采集。
振动在传播过程中又急剧衰减， 反而无法提高回波 幅值。当激励频率和 EMAT 的固有频率相同时， 螺 旋线圈的总体外特性就会呈纯阻性 ， 换能效率最高， 该实验结果与理论值相一致， 证明了实验平台及自 制 EMAT 的稳定性与准确性。 此实验也说明， 多螺 旋线圈结构具有很好的选频特性， 在设计频率之处， EMAT 超声波具有最大的幅值。 由以上分析可知， 检测中应该选择合适的激励频率， 过高和过低的频 率都会影响检测结果。 3．2 激励信号的脉冲宽度对换能效率的影响 激励信号的脉冲宽度对系统的工作性能也有较 大的影响， 在频率和振幅一定的情况下， 脉冲宽度越 大， 所包含的单脉冲个数就越多， 携带的能量也就越 ， ， 大 产生的超声波传播得也越远 但同时分辨力会下 降。若脉冲宽度太窄， 因为脉冲宽度与信号所含有 的频率分量成反比， 信号所含频率分量就会增多， 要 求检测系统具有比较宽的通频带， 否则会引起检测 信号失真， 但通频带的加宽同时会带来大量的噪声 ，
［1 ］
文章编号： 1004 － 1699（ 2015） 04 － 0498 － 05
号的信噪比， 提高检测信号的质量， 国内外研究人员 2］研制一种参 做了大量的试验工作。 比如， 文献［ 数可调的新型脉冲激励电源， 解决了 EMAT 能量转 换效率低、 缺陷检测灵敏度低等问题， 并成功应用于 3］ 钢板 / 钢管的电磁超声导波检测； 文献［ 针对低噪 声接收放大电路， 设计了低噪声前置放大器， 成功实 － 4 5］优化 现了电磁超声皮米级的位移检测； 文献［ 6］ 了阻抗匹配电路， 得到了较大激发功率； 文献［ 利 ， 用线性调频脉冲激励换能器 把脉冲压缩处理技术 应用到 EMAT 测厚和金属板成像中， 增大了接收信 号的信噪比。本文在横波测厚的实验前提下， 研究 了激励频率对 EMAT 换能效率的影响， 分析了激励
第 28 卷 第 4 期 2015 年 4 月
传 感 技 术 学 报
CHINESE JOUＲNAL OF SENSOＲS AND ACTUATOＲS
Vol. 28
No. 4
Apr． 2015
The Experiment Parameters of The Steelsheet Thickness Measurement By Electromagnetic Ultrasonic *
关键词： 电磁超声； 无损检测； 厚度测量； 激励频率； 提离距离 文献标识码： A 中图分类号： TB551； TH821； TP391 电磁超声换能器是一种非接触型超声波传感 EMAT 不需要声 器。与传统压电超声换能器相比， 耦合剂、 也不需要对试件表面预处理， 就能够方便地 产生出多种类型超声波， 可以成功地应用到高温、 高 速、 在线等特殊的无损检测环境中
JIANG Nian， WANG Zhaoba， CHEN Youxing * ， CHEN Yu
（ National Key Lab for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051）
Abstract ： In order to improve the SNＲ of the thickness measurement testing ， study the effects caused by the excitation signal and transducer liftoff distance ， setting the electromagnetic ultrasonic experiment system． Using the system ＲITECSNAP 5000 produced highenergy sine wave to excite the electromagnetic ultrasonic transducer （ EMAT） ， by adjusting the frequency of the excitation signal， pulse width， change the liftoff distance to observe the change of the ultrasonic echo amplitude． The experiment results showed that， when the excitation frequency was equal to the inherent frequency of EMAT， the transducer high worked efficiency ； using six cycles of pulse sequence ， the wave boundary between before and after was apparent ； in order to obtain larger echo amplitude ， the liftoff distance should be minimized． Key words： electromagnetic ultrasonic； nondestructive testing； thickness measurement； excited frequency； liftoff distance － EEACC： 7230 doi： 10．3969 / j．issn．1004 1699．2015．04．008
收稿日期： 2014－11－26 项目来源： 国家自然科学基金项目（ 61201412） 修改日期： 2015－01－15
第4期
江
念， 王召巴等: 电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化
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为电 脉冲宽度及提离距离与回波幅度之间的关系 ， 磁超声检测中的参数优化提供了实验依据 。
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电磁超声实验系统
以 Ｒitec 公司生产的 SNAP － 5000 为研究平台，