Page 68 - 无损检测2022年第五期

陈一博,等:
多通道体导一体电磁超声换能器的优化设计
等 [ 3 ] 提出了一种双线圈叠加使用的电磁超声换能器
结构, 可以在 450 ℃ 下工作。 ISLA 等
种新型 EMAT ( 电磁超声换能器) 磁铁排列方式, 将
多个磁铁排列在铁磁芯周围, 使产生的信号幅值提
高了 20dB 。康磊等 [ 5 ] 分别优化了 EMAT 的磁铁
尺寸和线圈中导线的分布方式, 在一发一收的工作
模式下, 换能器接收信号幅度提高了 39% 。郝宽胜
等 [ 6 ] 分 别 对 基 于 洛 伦 兹 机 理 和 磁 致 伸 缩 机 理 的
EMAT 完整换能过程进行有限元分析和解析, 并通
过试验分析了线圈提离、 线圈间距及回折数、 线圈导
线宽度等可能影响 EMAT 特性的因素, 提 出了回
折线圈的优化设计方案。也有学者通过采用新型线
圈抑制电磁冲击盲区 [ 7 ] 、 改变激励脉冲频率和提离
距离 [ 8 ] 等方式进行结构优化。
为了解决电磁超声检测效率低的问题, 文章在
EMAT 换能机理分析基础上, 提出体导一体多通道
EMAT 结构, 采 用 COMSOL 软 件 对 EMAT 探 头
磁铁结构进行仿真建 模, 探究 EMAT 探头 永磁体
高度、 永磁铁间距和磁铁提离值的影响规律, 得出了
曲折线圈 EMAT 最佳参数组合, 最后通过 试验对
仿真结果进行验证。研究结果改进了 EMAT 换能
器结构, 使其可以同时进行导波和测厚检测, 从而提
升了电磁超声检测的效率。
1 电磁超声换能器原理
电磁超声换能器一般由永磁体、 线圈和被测工
件组成。铁磁性材料中, EMAT 的换能机理包括 3
种: 洛伦兹力机理、 磁致伸缩力机理、 磁化力机理
非铁磁性材料中, 只存在洛伦兹力机理, 铁磁性材料
中超声波由洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用产生,
其中磁化力作用过小可忽略不计。
1.1 磁致伸缩导波 EMAT 换能器的基本原理
磁致伸缩是指当磁体磁化时, 伴有的晶格自发
变形, 即沿磁化方向伸长或缩短。当磁体发生磁致
伸缩, 而未达到饱和磁化状态时, 主要是磁体的长度
产生变化。由于磁致伸缩效应的存在, 当铁磁材料
被外界磁场磁化时会产生一定大小的应变
果将铁磁性金属板材置于交流变化的外磁场中, 那
么板材内的质点将产生与交变磁场同频率的磁致伸
缩, 这种伸缩振动以波的形式在试件中传输时, 形成
了超声波( 见图 1 )。
1.2 横波测厚 EMAT 换能器原理
横波测厚换能器激发原理如图 2 所示。在激励
3
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2022 年 第 44 卷 第 5 期
无损检测
[ 4 ] 设计了一
图 1 磁致伸缩激发原理
线圈中通入高频脉冲电流, 因电磁感应原理, 金属试
件中产生涡流, 涡流在永磁体的偏置磁场作用下产
生洛伦兹力, 当工件受到洛伦兹力的作用时, 会产生
横向振动, 波向垂直振动方向传播, 由此产生横波进
而在试件中传播。电磁超声波接收过程是发射过程
的逆过程。通过回波信号得到工件中超声波的往返
时间, 据此可计算出工件的厚度。
图 2 横波测厚换能器激发原理
2 换能器优化设计
2.1 体导一体电磁超声换能器设计
文章设计的体导一体电磁超声换能器的组合型
磁铁由4个单极型磁铁和1个轭铁组成。磁铁分为2
个 N 极单极型磁铁和2个S极单极型磁铁, 且相邻磁
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性为异名磁极[( 见图 3 ( a )], 形成了 1 、 3 、 7 、 9 4
个单极型磁场区域和2 、 4 、 6 、 8 4 个 U 型磁场区
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[ 9 ] 。 域。单极型永磁铁下放置用于腐蚀缺陷检测及定位
的螺旋线圈; 4 个 U 型磁场区域放置用于周向缺陷、
轴向缺陷检测及定位的回折线圈[ 见图3 ( b )]。
2.2 磁场仿真分析
磁铁结构是电磁超声换能器的重要组成部分,
磁铁产生的磁场强度大小直接影响整个换能器检测
信号的强度。文章设计的体导一体式电磁超声换能
器使用组合型磁铁, 可以同时完成导波检测和测厚
的功能。利用 COMSOL 软件对组合型磁铁、 常规
[ 10 ] 。如 测厚使用的单极型磁铁和导波使用的 U 型磁铁进
行有限元三维建模, 分析并对比被测件近表面磁场
强度的大小及分布情况。磁铁的有限元仿真模型如
图4 所示, 工件尺寸为 250mm×250mm×10mm
( 长 × 宽 × 高), 磁 铁 尺 寸 为 50 mm×50 mm×
30mm , 其剩磁强度为 1.2T , 泊松比为 0.3 , 杨氏模
量为 206GPa , 电导率为 1MS / m 。