Page 124 - 无损检测2024年第十一期

左万君，等：

管道超声导波检测技术研究进展

适应不同的结构形状。3种PVDF换能器的实物如 偏氟乙烯-三氟乙烯）溶剂沉积在结构表面，形成柔
图9所示 [25-27] 。近年来，针对PVDF换能器的设计与 性涂层，通过该涂层能够激发ZVG（零群速度）波，
优化研究已经获得了一些成果。DING等 [28] 设计了 试验结果表明，与传统的ZVG导波激发方式相比，
一种有PVDF薄膜和梳状电极组成的换能器，该换 该接触式的激发方法能够显著提高检测的可靠性、
能器能够激发单个A0和S2模态导波，并能够高精 窄带激励的便利性、检测的抗干扰性以及原位检测
度定位多类型损伤。LIU等 [29] 将PVDF-TrEF（共聚 的能力。

图 9 3 种 PVDF 换能器实物
2.2 磁致伸缩换能器 2.3 电磁声换能器
磁致伸缩换能器通过磁致伸缩效应生成导波信 电磁声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer，
号，通常由磁致伸缩材料芯、励磁线圈和感应线圈组 EMAT）的工作原理主要是通过洛伦兹力和磁致
成。当交变电流通过励磁线圈时，产生的磁场使磁致 伸缩效应激发和接收超声导波。基于洛伦兹力的
伸缩材料内部磁畴重新排列，材料发生周期性形变， EMAT利用动态电流在固体中感应涡流，并与偏置
从而产生超声导波 。磁致伸缩换能器具有高灵敏 磁场相互作用，从而激发弹性波，因此仅适用于导电
[21]
度、宽频带、非接触式操作以及高效率等优势，在管 材料。而基于磁致伸缩效应的EMAT通过压磁效
道的无损检测中应用广泛。ARJUN等 [21] 利用有限元 应激发导波，适用于铁磁性材料或贴有高磁致伸缩
建模分析，优化了磁致伸缩探头的发射器和接收线圈 贴片的试件。通过设计换能器内的线圈和磁体参数，
的宽度，并通过等效电路模型优化了发射器和接收线 能够优化换能器并产生多种模式的导波以及复杂波
圈的匝数。XIE等 [30] 设计了一种新型薄膜磁致伸缩 型。基于洛伦兹力和磁致伸缩效应的电磁声换能器
贴片导波换能器（MPT），其由Hyperco 50A合金贴片 结构示意如图10所示 [32] 。
和双层柔性印刷电路（FPC）组成。该换能器通过偏 基于洛伦兹力的电磁声换能器的结构示意如
置磁场和动态磁场线圈的相互作用生成并接收单模 图10（a）所示。LIU等 [33] 用双层周期光栅线圈优化
态且几乎无频散的S0模态导波，具有轻便、柔性和高 了换能器，以增加所激发的SH导波能量。基于洛
转换效率的优势，适用于曲面薄壁结构的健康监测。 伦兹力的换能器导波激发原理决定了该装置能够完
WANG等 [31] 设计并开发了一种多通道磁致伸缩换能 成非接触式操作，利于其为在高温或均匀移动的工
器，通过设计优化换能器的线圈宽度和间距，以实现 况环境下工作，更值得注意的是，高温环境会影响永
高效的SH 0 导波激发与接收。磁致伸缩换能器的发 磁铁和线圈的性能，因此需要在装置中设计冷却系
展与磁致伸缩材料的性能紧密相关，开发高磁饱和强 统。肖菲等 [34] 研究了管道内高温对横波、纵波的传
度和更优机械性能的材料是促进磁致伸缩换能器应 播影响，并设计了具有风冷和水冷结构的换能器，此
用的基础。 外，接触式操作可能会导致换能器的转换效率低，以

图 10 基于洛伦兹力和磁致伸缩效应的电磁声换能器结构示意
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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测