Page 104 - 无损检测2023年第十一期

张义涛, 等:

基于偏置磁场 EMAT 表面波换能器效率的分析

的表面波幅值是常规 EMAT 的5.3倍左右, 这极大
提高了 EMAT 表面波换能器的换能效率, 常规
EMAT 激励的表面波相位大约超前 1 / 4 周期。将
接收到的时域信号进行傅里叶变换得到频域信号如
图7所示, 其中偏置 EMAT 激励的表面波频域幅值
是常规 EMAT 的4.3倍左右, 且常规 EMAT 激励
的表面波频域信号会在主频上产生分叉畸变, SHI
等发现采用窄式磁铁激励的表面波信号畸变会更严
重, 但采用偏置磁体产生的表面波不会发生畸变, 能
避免常规 EMAT 激励表面波对检测结果的影响。 图8 磁体偏移量与激励表面波位移幅值关系
分裂式线圈能有效提高换能效率, 因此仿真试验
模型中采用四分裂式线圈, 研究线圈参数, 永磁铁
尺寸和线圈提离对换能器激励表面波幅值的影
响。由于偏置 EMAT 换能器中多参数会对激励信

号幅值产生影响, 因此很难进行全面的试验分析,
文章基于正交试验来减少试验次数, 正交试验设

计如表2所示。
表2 正交试验设计 mm

磁铁 磁铁宽度 / 线圈 线圈 线圈 位移幅值 /
图6 偏置和常规 EMAT 激励表面波 y 分量 序号 高度 线圈宽度 高度 宽度 提离 蕈 10 -8

1 20 1.0 0.015 0.15 0.1 5.8
2 20 1.2 0.035 0.20 0.2 12.7
3 20 1.4 0.055 0.25 0.3 4.2
4 20 1.6 0.075 0.30 0.4 3.7
5 30 1.0 0.035 0.25 0.4 3.74
6 30 1.2 0.015 0.30 0.3 4.6
7 30 1.4 0.075 0.15 0.2 14.1
8 30 1.6 0.055 0.20 0.1 16.7
9 40 1.0 0.055 0.30 0.2 5.7
图7 偏置和常规 EMAT 激励的表面波频域信号 10 40 1.2 0.075 0.25 0.1 16.2
考查永磁铁偏置位置对偏置 EMAT 换能器激 11 40 1.4 0.015 0.20 0.4 11.9
励表面波效率的影响。首先建立常规 EMAT 激励 12 40 1.6 0.035 0.15 0.3 14.0

表面波模型, 磁体位于线圈正上方, 然后以2mm 为 13 50 1.0 0.075 0.20 0.3 5.1
步进将永磁铁向一侧移动, 来仿真模拟永磁铁偏移 14 50 1.2 0.055 0.15 0.4 11.6
量对换能器激发效率的影响, 其他参数均与上部分 15 50 1.4 0.035 0.30 0.1 18.5
16 50 1.6 0.015 0.25 0.2 16.3
设置的模型相同, 共设置15组模型。
仿真模型中接收信号归一化幅值与偏移量关系 正交试验结果如表3所示, 通过正交试验数据
如图8所示, 可见, 偏置 EMAT 激励表面波幅值随 分析可得出磁铁高度、 磁铁宽度 / 线圈宽度、 线圈高
磁铁偏置量先增大后减小, 当磁铁一侧位于线圈中 度、 线圈宽度和线圈提离对接收信号位移幅值的影
间部分时, 偏置 EMAT 换能器激励的表面波幅值 响。 5因素4 水平的接收信号位移幅值极差越大,

最大。 说明该因素对接收信号位移幅值的影响最大, 因此
2.3 基于偏置磁铁 EMAT激励换能器的优化设计 5个因对接收信号的位移幅值影响从大到小分别为
研究发现偏置永磁铁方式能有效提高 EMAT 磁铁宽度 / 线圈宽度、 线圈提离、 磁铁高度、 线圈宽度
表面波换能器的激发效率。张金等 [ 17 ] 研究发现四 和线圈高度。
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2023年 第45卷 第11期
无损检测