电磁声无损检测技术 ppt课件

研究与挑战——1.研究
关于EMAT的早期应用
火
管
车
道
钢
猪
轨
检
测
无
缝
钢
钢 管 检 测
板 生 产 线
研究与挑战——1.研究
EMAT研究SCI论文时间分布（1976-2012）
主 要 研 究 内 容
1 多场耦合模型及 电磁声作用机理
2 系统方程的有限 元及解析求解
3 仪器系统的设计 与开发
4 传感器的设计与 开发

2ui t 2

ij
x j

fi
1 、由固体中的弹性波在固定磁场中产生产生电磁场
J


(E

u t

B0
)
对于铁磁性材料，考虑逆磁致伸缩效应。
2 、振动表面边界条件 求解出空气中的电磁场
n0
(EV
E)

u3 t
(BV0
B0)
概述——1.电磁声检测
电磁声？电磁超声？电磁导波？ 电磁超声传感器（EMAT, Electromagnetic
Acoustic Transducer）是一种通过将电磁能转 化为超声波的换能器。
它是一种与压电传感器并列的超声波激励 接收换能器。
概述——1.电磁声检测
概述——2.基本原理
激励过程 接收过程
电磁声无损检测技术
Electromagnetic Acoustic Non-destructive Testing
1
内容提纲
1 概述 2 研究与挑战 3 理论模型与求解 4 仪器系统及传感器 5 典型工业应用与前景 6 目前开展的研究
内容提纲
1 概述 2 研究与挑战 3 理论模型与求解 4 仪器系统及传感器 5 典型工业应用与前景 6 目前开展的研究
内容提纲
1 概述 2 研究与挑战 3 理论模型与求解 4 仪器系统及传感器 5 典型工业应用与前景 6 目前开展的研究
研究与挑战——1.研究
关于EMAT应用于无 损检测的最早文献
关于EMAT应用于超声 无损检测的最早的专利
R. H. Randall, F. C. Rose and C. Zener, Physical Review, 56, p. 343, (1939).
测厚 A型脉冲探伤 斜入射探射 TOFD检测 相控阵检测 板波检测 管道导波检测
由于EMAT自身的特点具有 优势的源自文库用场合，如：
隔防锈漆层进行测量
管、板自动化在线检测
高温检测 宜于产生约10º~80º的
SV斜入射声束，特别 适用于奥氏体焊缝等粗 晶材料检测 采用单一S0或SH0模态 的板或管检测
SH guided Wave
Guided Wave in pipe or rods
概述——4.主要优点
可产生独特的波模式
压电传感器需斜入射 经波型转换后形成SV 波； EMAT无需波型转换， 可在结构中直接产生 横波（SV/SH）。
压电传感器需斜入射 产生Lamb波，难产生 对称模态，难产生单 一模态； EMAT特别容易产生单 一对称模态Lamb波。
GB 20935.1-2007-T 金属材料电磁超声检验 方法 第1部分：电磁超声换能器指南 GBT 20935.2-2009 金属材料电磁超声检验 方法 第2部分：利用电磁超声换能器技术进 行超声检测的方法
GB 20935.3-2009-T 金属材料电磁超声检验 方法 第3部分：利用电磁超声换能器技术进 行超声表面检测的方法
t
E B （法拉弟定律）
t
欧姆定律 J E
本构关系 B 0H M
2 、由电磁场求解材料内部的体力
洛仑兹力 磁力
f L Je B0 f M *(M H)
磁致伸缩力 f S
铁磁性 材料
理论模型与求解——1.理论模型
3 、由体力求解产生的声场
接收过程
Motor
Generato r
磁铁
固置磁场 线圈 涡流
加载瞬态交变信号 电磁场
洛仑兹力
磁化力（铁磁性） 磁致伸缩力（铁磁性）
概述——3.可产生的超声波模式
Angle beam shear wave Surface Wave
Lamb Wave ( especially suitable for symmetric mode )
北京钢铁研究院探伤组.电磁声探伤实 验. 物理学报 (1977).
Cornell University
J. R. Houck, et al, "Ultrasonic Transducer", Patent 3,460,063, Aug. 9, 1969. J. R. Houck et al, "NDT of Conductive Objects" Patent 3,583,213, June 8, 1971.
5 测量系统的电学 模型
6 激励接收性能的 优化
7 检测影响因素分析
8 应用研究
研究与挑战——2.挑战
提高EMAT的转换效率
• 激励、接收性能优化 • 大功率激励电路的实现 • 大增益高信噪比的前置放大器
理论模型的完备
• 更多材料作用机理的认识 • 多场耦合模型的完整求解
工业应用与推广
• 检测标准化 • 检测的适用性设计
目前存在的主要问题 转换效率相比压电较低
• 需要宽带、大功率、线性的激励电路 • 需要大增益、高信噪比的采集电路 • 需要对传感器的激励、接收性能做大量优化设计 理论尚不完备 • 是一个多场耦合的问题 • 对详细作用机制认识尚不完全
概述——6.可执行的检测
对于导体材料，几乎所有 采用压电传感器执行的超声 检测，均可采用EMAT传感 器作为执行传感器。如：
概述——4.主要优点
EMAT检测无需耦合剂
指标
压电传感器
重复测量稳定性 阵列检测时传感器一致性 非接触式测量
检测时打磨材料表面 高温检测
一般
难易保证
无法（空气耦合探头 除外） 需要
难（常规探头小于 60ºC，高温探头一
般小于300ºC）
EMAT 好
很好保证 可以
无需 可大于 300ºC
概述——5.存在问题
内容提纲
1 概述 2 研究与挑战 3 理论模型与求解 4 仪器系统及传感器 5 典型工业应用与前景 6 目前开展的研究
理论模型与求解——1.理论模型
多场耦合模型
磁铁 线圈
声场
激励过程
固置磁场
边界条件 体力
1 、由线圈及固置磁场求解材料内 部的电磁场
Maxwell方程 H D J （安培定律）