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電磁超聲傳感器的三大典型結構

發(fā)布時間:2018-12-11 責任編輯:wenwei

【導讀】電磁超聲檢測技術由于具有非接觸的優(yōu)點,探頭不存在磨損,適合于高速、高溫等惡劣工況檢測。尤其是功率電子技術的發(fā)展,解決了電磁超聲傳感器(Electromagnetic acoustic transducer, EMAT)換能效率低的功率問題,極大地促進了EMAT技術的發(fā)展,特別是其易于激勵出SH波,具有壓電超聲傳感器不可比擬的優(yōu)點,成為近年來無損檢測技術的研究熱點之一。
 
電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測技術的核心,其物理基礎來自于20世紀60年代,在凝聚態(tài)物理研究螺旋波特性的過程中,發(fā)現(xiàn)了電磁可轉換為聲的現(xiàn)象。由于電磁聲現(xiàn)象是在研究材料特性的過程中發(fā)現(xiàn)的,研究人員很快認識到其在材料表征中的應用,進而被迅速應用到無損檢測中,如鋼板檢測、油氣輸送管道裂紋及涂層脫落檢測、鋼管混凝土空洞檢測,鐵軌及火車輪踏面檢測、焊縫檢測、厚度測量等。
 
為適應上述無損檢測的不同目標,研究人員設計了不同類型的傳感器。在EMAT原理中,從時間域上看,動態(tài)磁場和靜態(tài)偏置磁場共同作用使試件中質點振動;從空間域上看,靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)磁場的空間分布復雜多樣,從而使得研究人員在設計與選擇EMAT時,面臨諸多困難。華中科技大學機械科學與工程學院的研究者們從靜態(tài)偏置磁場的空間分布特點及其與動態(tài)磁場的作用機理出發(fā),詳細分析了EMAT結構,為研究人員設計與選擇EMAT提供理論指導。
 
目前,已有的EMAT可以激勵出體波、表面波和SH波(horizontally shear polarized waves,SH波)等多種波型的超聲波。而超聲波波型取決于試件質點振動的力或位移方向與振動傳播方向。洛倫茲力和磁滯伸縮應變的方向與試件中偏置磁場和動態(tài)磁場的分布有關。動態(tài)磁場非常容易理解,線圈中電流發(fā)生變化,感應出的渦流就會隨之變化。靜態(tài)偏置磁場雖然在時間上不發(fā)生變化,但空間上可以有多種分布,進而與動態(tài)磁場復合作用,產(chǎn)生不同方向的洛倫茲力或磁致伸縮應變,從而激勵出不同類型的超聲場。根據(jù)試件中靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)磁場復合作用區(qū)域的靜態(tài)磁場分布特點,下面從均勻靜態(tài)磁場、空間周期靜態(tài)磁場及非均勻靜態(tài)磁場角度分析不同類型的EMAT結構。
 
在分析之前,需強調以下幾點:
 
(1) 這里所說的均勻磁場是限定在一個局部小范圍內的,一般特指交變線圈正下方的試件趨膚層。從嚴格意義上講,絕對均勻的磁場是不存在的。
 
(2) EMAT結構種類繁多,下面介紹每一類結構時是一個典型結構為例,并不代表只有這一種。
 
(3) 對每一類結構,分別分析了洛倫茲力機理和磁致伸縮機理。實際中,如果被測試件是非導磁材料,則只需參照洛倫茲力機理;如果是鐵磁材料,則這兩種機理同時存在。至于哪一個占主導作用,則要根據(jù)外加的磁場確定,本文暫不對此作分析。
 
1 均勻靜態(tài)磁場EMAT結構
 
均勻靜態(tài)磁場EMAT結構如圖1和圖2所示,銜鐵、永久磁鐵和被測試件組成的閉合磁回路,在線圈正下方的被測試件表面會產(chǎn)生均勻的水平靜態(tài)磁場。靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)磁場的復合作用主要表現(xiàn)為洛倫茲力或磁致伸縮應變。在均勻水平靜態(tài)磁場的EMAT結構中,質點所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應變的方向分別如圖1和圖2所示。圖1中,洛倫茲力使質點垂直于試件表面振動并在試件中傳播,產(chǎn)生橫波(剪切波)。圖2中,質點的磁致伸縮應變與試件表面平行,從而在試件激勵出水平剪切波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖1 均勻靜態(tài)磁場EMAT結構中的洛倫茲力機理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖2 均勻靜態(tài)磁場EMAT結構中的磁致伸縮機理
 
2 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構
 
空間周期靜態(tài)偏置磁場是由一組周期排列放置的永久磁鐵(Periodic permanent magnet,PPM)產(chǎn)生的。一種典型PPM結構如圖3所示,PPM產(chǎn)生垂直于試件表面的空間周期變化靜態(tài)磁場。對于洛倫茲力機理而言,如圖4所示,被測試件中感應出的渦流與試件表面平行,因此質點振動方向垂直于渦流方向且與試件表面平行,激勵出SH波;對于磁致伸縮機理而言則如圖5所示,線圈正下方試件表面的動態(tài)磁場方向與偏置磁場垂直且平行于試件表面,也可激勵出SH波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖3 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構圖
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖4 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構的洛倫茲力機理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖5 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構的磁致伸縮機理
 
3 非均勻靜態(tài)磁場EMAT結構
 
磁力線始終是閉合的,這一特點決定了在N極附近空間中,磁力線總是發(fā)散的,而S極附近的磁力線總是匯聚的,因此磁場的空間分布往往是非均勻的??臻g中不同位置偏置磁場的方向不同,一般既有水平分量也有垂直分量(相對試件表面),而且在不同位置,水平分量和垂直分量的強度也是變化的。因此,非均勻偏置磁場中產(chǎn)生的超聲波波型成分比較復雜,以圖6所示的洛倫茲力機理為例,圓柱磁鐵在試件周圍產(chǎn)生的偏置磁場是非均勻的。在磁鐵正下方試件趨膚層中,偏置磁場垂直分量遠遠大于水平分量;而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域,偏置磁場水平分量則大于垂直分量。被測試件中感應出的渦流成環(huán)形,與試件表面平行,在磁鐵正下方試件趨膚層中,質點振動方向垂直于渦流方向且與試件表面平行,與聲波傳播方向垂直,主要激勵出橫波;而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域,質點振動方向垂直于渦流方向且與試件表面垂直,與聲波傳播方向平行,主要激勵出縱波。在偏置磁場水平分量與垂直分量相當?shù)膮^(qū)域,偏置磁場的水平分量會激出縱波,而垂直分量則會產(chǎn)生橫波。由于聲波傳播方向不僅有垂直試件表面的方向,還有平行于試件表面的方向,因此在試件表面還會激勵出表面波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖6 非均勻靜態(tài)磁場EMAT結構的洛倫茲力機理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結構
圖7 非均勻靜態(tài)磁場EMAT結構的磁致伸縮機理
 
如果試件為鐵磁性試件,需考慮磁致伸縮機理,如圖7所示。在磁鐵正下方試件趨膚層中,偏置磁場的垂直分量遠遠大于水平分量,動態(tài)磁場方向平行于試件表面,并與偏置磁場方向垂直,與聲波傳播方向垂直,主要激勵出橫波;而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域,偏置磁場的水平分量遠遠大于垂直分量,動態(tài)磁場方向平行于試件表面,并與偏置磁場方向平行,與聲波傳播方向平行,主要激勵出縱波。在偏置磁場水平分量與垂直分量相當?shù)膮^(qū)域,偏置磁場的水平分量會激出縱波,而垂直分量則會產(chǎn)生橫波。
 
節(jié)選自《無損檢測》2015年第1期
 
本文作者:丁秀莉(1990—),女,華中科技大學機械科學與工程學院碩士研究生,研究方向為電磁超聲無損檢測技術。
      
武新軍(1971-),男,華中科技大學機械科學與工程學院教授,主要研究方向為無損檢測新技術。
 
 
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