电磁声无损检测工作技术

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 )
SH guided Wave
Guided Wave in pipe or rods
概述——4.主要优点
传感器的设计与 开发
测量系统的电学 模型 激励接收性能的 优化
检测影响因素分析
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
电磁声无损检测工作技术
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
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
J(Eut 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)
n0(HHV)n'(HV0 H0)
3、求解线圈处的电磁场
理论模型与求解——2.求解
有限元方法
表面波 横波
纵波
理论模型与求解——3.电学模型
简易等效电路模型
- Jian, X., S. Dixon, et al. (2006). "Coupling mechanism of an EMAT." Ultrasonics 44: E653-E656.
✓ 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
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
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
固置磁场
边界条件 体力
激励过程
1 、由线圈及固置磁场求解材料内 部的电磁场
Maxwell方程
H DJ t
E B t
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
（安培定律） （法拉弟定律）
欧姆定律 J E
本构关系 B0HM
2 、由电磁场求解材料内部的体力
洛仑兹力 磁力
f L Je B0 fM *(MH)
磁致伸缩力
fS
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
2ui t 2
ij
xj
fi
1 、由固体中的弹性波在固定磁场中产生产生电磁场
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。
概述——4.主要优点
ห้องสมุดไป่ตู้
EMAT检测无需耦合剂
指标
压电传感器
研究与挑战——1.研究
关于EMAT的早期应用
火
管 道 猪
车 钢 轨 检
测
无 缝 钢 管 检 测
钢 板 生 产 线
研究与挑战——1.研究
EMAT研究SCI论文时间分布（1976-2012）
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 主 要 研4 究 内 容5
6
7 8
仪器系统的设计 与开发
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：
✓ 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 优势的应用场合，如：
✓ 隔防锈漆层进行测量
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
激励过程 接收过程
概述——2.基本原理
Motor Generator
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）
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).
北京钢铁研究院探伤组.电磁声探伤实 验. 物理学报 (1977).
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
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
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.