刘 冉, 武新军

(华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

基于洛伦兹力机理的电磁超声周向导波传感器研制*

刘 冉, 武新军

(华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

在分析基于洛伦兹力机理的电磁超声周向导波检测原理的基础上，通过实验方式研究传感器参数对检测信号幅值的影响，根据实验结果确定了传感器参数。设计并制作了电磁超声周向导波传感器。对所研制的传感器进行性能测试，结果表明:该传感器能检测出Φ3.2 mm的通孔缺陷。

电磁超声传感器； 洛伦兹力； 周向导波

0 引 言

管道在石油、化工、冶金等领域应用广泛，在长期服役过程中，受到高温、高压、传输介质、周围环境的影响，会发生腐蚀、磨损、爆炸等情况，最终会造成不可逆的经济损失、环境污染和人员伤亡[1]。因此，定期对管道进行检测具有十分重要的意义。

常见的管道检测技术主要有漏磁、磁粉、渗透、涡流和超声导波检测等。其中前四种检测技术要求传感器到达所检测部位，对于传感器无法到达的部位，则无能为力[2]。超声导波检测技术因具有长距离检测，传感器无须抵达检测部位等优点受到越来越多的关注[3]。根据超声导波在管道传播方向的不同，可以分为沿管道轴向方向传播的轴向导波和沿管道周向传播的周向导波。轴向导波常用于管道长距离检测[4]，对缺陷的轴向定位准确，但无法获取缺陷所处管道的周向位置。相比于轴向导波，周向导波一次可检测一周的管道，以获得缺陷的周向信息[5]，适用于较复杂管线，具有广阔应用前景。周向导波可通过压电斜探头[6]和电磁超声传感器[7]激励得到。其中，电磁超声传感器因采用非接触式检测，无需耦合剂，适用于现场检测。

本文基于洛伦兹力原理设计制作了电磁超声周向导波传感器，经测试结果表明：该传感器能检测出Φ3.2mm的通孔缺陷。

1 原 理

如图1所示，周期性永磁铁阵列(period permanent magnet,PPM)提供沿管道径向的静态偏置磁场，跑道线圈在管道表面感应出与其交流电流方向相反的涡流，基于洛伦兹力机理，涡流在静态偏置磁场作用下产生垂直于涡流方向并与管道轴线平行的交变洛伦兹力，从而在管道试件内产生与洛伦兹力方向相同的机械振动，最终激励出沿着管道轴向振动、周向传播的导波，即周向水平剪切波(shear horizontal wave，SHW)。电磁超声洛伦兹力激励机理可以描述为

fL=Je×Bs

(1)

式中Je为涡流密度(A/m2)，Bs为静态偏置磁场的磁通量密度(T)，fL为洛伦兹力的体密度(N/m3)。接收传感器结构与激励的基本相同，其接收过程为激励过程的逆过程，即试件内的超声导波在静态磁场中产生感应电流，感应电流在空间中产生感应磁场，接收线圈感应到其变化，将其转换为电压信号，通过分析该信号，可获取被检试件状态信息。

图1 电磁超声周向SH波传感器原理图

2 传感器设计与制作

2.1 周期性永磁铁阵列

周期性永磁铁阵列由多个永久磁铁组成，相邻磁铁极性方向相反布置，如图2所示。其中，磁铁长度L根据跑道线圈直线段宽度确定。由于激励出的SH波波长λ为磁铁宽度W的2倍，而波长需与激励频率相匹配，当激励频率确定时，磁铁宽度也就确定下来。此时，仅需研究磁铁高度H值对信号幅值的影响来确定最佳磁铁高度。

图2 周期性永磁铁阵列

图3 实验系统框图

为此，搭建如图3所示的实验平台，包括信号发生器、门控放大器、前置放大器、数字示波器、激励和接收传感器、钢管试件、计算机。前置放大器增益设置为64 dB，滤波带宽设置为50 kHz～3 MHz，激励信号采用5个周期、340 kHz正弦波信号。

实验中使用的钢管规格为Φ219 mm×8 mm，图4为周向SH波群速度频散曲线。当激励频率为340 kHz时，会同时激励出SH0和SH1波，但SH1波群速度比SH0波慢，可以通过波速判断SH波模态。周期性永磁铁阵列由规格为16×5×12 mm(极化方向)的N52钕铁硼永久磁铁构成。由于SH波波长为磁铁宽度2倍，本实验中SH波波长为10 mm。

图4 Φ 219 mm×8 mm规格钢管的SH波群速度频散曲线

将激励和接收传感器沿钢管无缺陷处周向布置，短边周向距离为172 mm，如图5(a)所示。图5(b)为该布置方式下接收到的典型检测信号波形。图5(b)中，A为电磁脉冲信号，激励出的SH波沿传感器两边均有传播， B和C分别为从短边通过接收传感器的SH0和SH1波信号，D和E分别为从长边通过接收传感器的SH0和SH1波信号。由于SH0和SH1波速度相近，短边距离为172 mm时，通过信号B和C易发生波形叠加，所以,以下实验选取通过信号D的峰峰值进行研究。

图5 传感器布置图和典型信号波形

将磁铁高度作为唯一变量，激励和接收传感器的磁铁高度同时以3 mm的步长从3 mm递增到18 mm，将6组实验中信号D的峰峰值提取出来，得到实验结果如图6所示。由图6可知，当磁铁高度为6 mm时，SH0波信号最大。当磁铁高度大于6 mm，SH0波信号幅值反而随着高度的增加而减小。因此，为使信号幅值最大，磁铁高度选择6 mm。

图6 磁铁高度与SH0通过波峰峰值关系

2.2 线 圈

激励与接收线圈均采用柔性印刷电路板制成的跑道线圈，直线段长40 mm，线宽分别为0.3 mm和0.15 mm。线圈对传感器信号的影响较复杂，除了考虑线圈匝数对信号影响外，还需要考虑线圈层数，线圈间连接关系等的影响。

首先对激励线圈影响进行研究分析，激励线圈分别采用9匝跑道线圈、17匝跑道线圈、两个17匝跑道线圈串联、两个17匝跑道线圈并联进行实验，实验结果如表1所示。由表1可知，由于线宽相等， 17匝线圈和9匝线圈相比， 17匝线圈下钢管感应的涡流区域较大，所以对应的传感器信号较大。无论是单个17匝线圈，还是两个17匝线圈串联或并联，线圈下钢管感应的涡流区域不变，并且由于前置放大器额定功率一定，当激励电压保持一定时，这三种线圈的总电流密度几乎一样，但由于两个线圈的叠加会增加磁铁提离，最后导致接收信号有所下降。

表1 激励线圈与SH0波峰峰值关系

接着对接收线圈影响进行研究分析，接收线圈分别使用单个66匝跑道线圈，两个66匝跑道线圈并联，两个66匝跑道线圈串联，三个66匝跑道线圈串联进行实验，实验结果如表2所示。由表2可知，接收线圈为两个66匝线圈并联时，其SH0波幅值比单个66匝线圈的要小；接收线圈为两个66匝线圈串联时，接收到的SH0波幅值最大，但其信噪比比单个66匝线圈要小；当接收线圈为三个66匝线圈串联时，信噪比继续减小，但由于线圈层数较多使磁铁提离增加，导致SH波信号幅值下降。

表2 接收线圈与SH0波峰峰值关系

综合上述实验结果可知，当激励线圈采用单个17匝线圈，接收线圈采用两个66匝线圈串联时，信号幅值最大。

2.3 传感器制作

在上述电磁超声周向导波实验中，安装传感器时需先将跑道线圈用绝缘胶固定在钢管上，再将周期性永磁铁阵列压在相应跑道线圈直线段并吸附在钢管表面。由于实验需要，需多次手动调节二者位置，容易出现偏差，故设计了一种封装结构用于固定线圈与磁铁的空间位置关系。传感器封装结构由封装壳体和封装盖板组成，如图7所示，其中跑道线圈可直接插入线圈通槽内固定；在磁铁腔内装入周期性永磁铁阵列，压住跑道线圈的两个直线段；在BNC接头孔和接线腔，可实现BNC接头的固定与接线；螺纹用于与传感器封装盖板的固定。封装壳体底部可以完全贴合管道表面，其保护层厚度为0.5 mm，使用3D打印成型技术加工实现。

图7 传感器实物图

3 传感器测试

3.1 传感器性能测试

如图8,测试结果表明，封装后的传感器方便安装和拆卸，可以激励、接收周向SH波，并且接收信号噪声小，信噪比有所提高。

图8 传感器检测信号波形

3.2 缺陷检测实验

采用研制的传感器对Φ3.2 mm的通孔缺陷进行检测，传感器布置图如图9(a)所示，两传感器间短边周向距离为172 mm，缺陷与激励传感器周向距离为258 mm。由图9(b)可知，在0.21 ms时会出现明显的缺陷回波信号，表明该传感器可以检测Φ3.2 mm的通孔缺陷。

图9 传感器布置图与缺陷检测信号波形

4 结 论

性能测试结果表明：该传感器可以检测出Φ3.2 mm的通孔缺陷。下一步的工作是将该传感器应用于工业管道现场检测，验证传感器的实用性。

[1] 狄 彦,帅 健,王晓霖,等.油气管道事故原因分析及分类方法研究[J].中国安全科学学报,2013,23(7):109-115.

[2] 李光海,沈功田,李鹤年.工业管道无损检测技术[J].无损检测,2006,28(2):89-93.

[3] 李 衍,强天鹏.管道长距离超声导波检测新技术的特性和应用[J].无损探伤,2002(3):1-5.

[4] 丁秀莉,武新军,孙鹏飞.开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究[J].传感器与微系统,2014,33(12):17-19.

[5] 沙高峰,蔡桂喜.基于电磁超声周向导波的钢管缺陷检测方法[J].仪表技术与传感器,2012(3):32-35.

[6] Nagamizo H,Kawashima K,Miyauchi J.NDE of pipe inner corrosion with delayed echoes of SV wave propagated circumferentially in liquid-filled pipes[J].Pressure Vessel and Piping,2003,456:7-12.

[7] Clough M,Dixon S,Fleming M,et al.Evaluating an SH wave EMAT system for pipeline screening and extending into quantitative defect measurements[C]∥AIP Conference Proceeding,2016:160001.

刘 冉(1994 - )，女，硕士研究生，研究方向为电磁超声无损检测技术。

Research and fabrication of electromagnetic ultrasonic guided circumferential wave transducer based on Lorentz mechanism*

LIU Ran, WU Xin-jun

(School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

On the basis of analyzing testing principle of ultrasonic guided circumferential wave transducer based on the Lorentz mechanism,influence of transducer parameters on amplitude of detected signal is studied by experiments,and parameters of transducer are determined according to experimental result.Electromagnetic ultrasonic wave circumferential guide transducers are designed and fabricated.Performance test result of transducer shows that the transducer can detect the through-hole defect with 5 mm diameter.

electromagnetic acoustic transducer; Lorentz force; guided circumferential wave

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0094—03

2016—12—16

国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ09017502)

TP 212; TG 115

A

1000—9787(2017)03—0094—03