张翱龙，王俊杰，姜 超，武新军

(华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074)

电磁超声测厚是无损检测的重要方法之一，具有无需耦合剂、对被检表面清洁度要求不高等优点[1]，且电磁超声传感器易于激发横波[2]，故该方法在石油化工、电力等领域具有广阔应用前景。被检构件作为电磁超声测厚传感器的组成部分，其几何尺寸和材料特性会影响回波信号的特性，进而影响电磁超声测厚结果的稳定性和精度。目前，国内外研究的较多的是传感器结构对电磁超声回波特性的影响[3-4],对被检构件尺寸和材料特性对电磁超声回波信号的影响研究得较少，且主要集中于压电传感器激发纵波在不同被检构件上对回波特性的影响[5]。

文章首先采用圆形线圈传感器，对相同材料、不同板厚的试件进行测厚试验，对获得的时域信号进行回波峰值衰减速率分析和频谱分析，得到被检构件厚度对传感器回波信号特性的影响规律；然后采用矩形线圈传感器，在不同材料的试板上，从互相正交的方向进行测厚，对获得的时域信号进行回波峰值衰减速率分析和频谱分析，得到被检构件材料组织的方向性对回波信号特性的影响规律；最后采用圆形线圈传感器，对含不同尺寸腐蚀坑的试件进行测厚试验，并分析时域信号特性，得到被检构件腐蚀坑尺寸对传感器回波信号特性的影响规律。

1 试验原理介绍

电磁超声传感器(EMAT)由偏置永磁铁、激励线圈、接收线圈、屏蔽板和被检构件组成(见图1),其中，永磁铁提供静态偏置磁场，屏蔽板用于隔离磁铁中的噪声干扰。激励时线圈在被检构件表面激发的涡流与静磁场耦合产生超声波；接收时线圈通过磁耦合的方式接收超声回波产生的动态磁场。

图1 电磁超声传感器结构示意

通过改变激励、接收线圈的形状，可以实现不同偏振方向电磁超声横波的激励与接收。典型电磁超声横波探头线圈外观如图2所示。圆形线圈可以激励和接收全向、径向偏振的电磁超声横波；矩形线圈可以激励和接收沿矩形长度方向的单方向偏振电磁超声横波。

图2 典型电磁超声横波探头线圈外观

2 试验过程及结果分析

2.1 被检试件厚度对回波信号的影响

在保持电磁超声检测仪器参数不变的条件下，采用圆形线圈电磁超声测厚探头在不同厚度铝板上进行检测，得到图3所示的回波信号，提取回波峰值进行拟合，得到不同厚度铝板回波峰值的衰减拟合曲线(见图4)。对图3的信号进行离散傅里叶变换，得到图5所示的信号频谱(纵轴幅值无量纲)。

图3 不同厚度铝板的电磁超声回波信号

图4 不同厚度铝板的电磁超声回波信号峰值衰减拟合曲线

图5 不同厚度铝板的电磁超声回波信号频谱

由图3可知，电磁超声回波信号的波包间隔随着板厚增加而增大，板厚较小时，相邻波包出现叠加，造成回波间隔难以分辨。由图4可知，回波峰值在时域内呈指数衰减，随着板厚的增加，衰减速率加快，同时，由于单个波包在时域内占据着一定的宽度，所以基于回波声时间隔的电磁超声法所能测量的最小板厚取决于单个波包的衰减速率，加快单峰衰减速率能够有效提高电磁超声测厚的分辨率；电磁超声法所能测得的最大板厚取决于回波峰值的衰减速率，减小回波峰值的衰减速率能够有效提高电磁超声测厚的上限。由图5可知，测厚信号回波主频率在0.800 MHz附近，随着板厚的增加，在相同时间内，回波数量降低，相应主频率的幅值也降低。

2.2 被检构件材料方向性对回波信号的影响

在保持电磁超声检测仪器参数不变的条件下，利用电磁超声测厚探头(线圈为单方向偏振矩形线圈)分别在厚为9.3 mm的碳钢板和10 mm的16MnR热轧合金钢板(见图6)上，测量其0°方向(平行于钢板长边的方向)和90°方向(垂直于钢板长边的方向)的回波信号，对回波信号进行分析，可得到回波信号波形、频谱及其峰值衰减拟合曲线(见图7，8)。

图6 碳钢板和热轧合金板外观

图7 9.3 mm厚碳钢板的电磁超声回波信号及其分析结果

图8 10 mm厚16MnR热轧合金钢板的电磁超声回波信号及其分析结果

取碳钢板时域信号的前5个波峰计算平均声时，得到其0°方向的平均回波声时为5.816 μs，90°方向的平均回波声时为5.820 μs。对回波峰值进行拟合，得到其0°方向的波峰衰减拟合函数为y=0.317 1×e-0.246 5x，90°方向的波峰衰减拟合函数为y=0.323 3×e-0.202 4x。由频谱可知，碳钢板0°和90°方向的频谱成分相近。

取合金钢板的前5个波峰计算平均声时，得到其0°方向的平均回波声时为6.215 μs，90°方向的平均回波声时为6.695 μs。对其回波峰值进行拟合，得到0°方向的峰值衰减拟合函数为y=0.348 0×e-0.314 5x，90°方向的峰值衰减拟合函数为y=0.195 0×e-0.634 7x。由频谱可知，在0°方向上，合金钢板的频谱与碳钢板的相近；在90°方向上，合金钢板的频谱较分散。

结合金属材料学知识可知，碳钢板晶粒均匀，材料没有方向性，因此单偏振电磁超声探头在其0°方向和90°方向测得的声速和声波衰减系数相差不大；16MnR热轧合金钢板的晶粒沿着扎制方向拉长，因此声波在材料中传播时具有方向性，两个方向的声速相差230.7 m·s-1，同时两个方向的声波衰减系数也差异较大。

根据材料的方向特性对横波测厚信号的影响可知，圆形线圈全向偏振的特点会激励和接收全方向的电磁超声横波，同时，材料的方向性会导致回波信号包含两个不同速度回波的叠加，对声时信息提取造成干扰。由于单方向偏振矩形线圈仅激励和接收沿矩形长度方向的电磁超声横波，所以可以采用单方向偏振探头，选取合适的测量方向，同时引入声速标定过程，在这一过程中找到信号幅值最大的方向。实际检测时，只有当探头方向与标定方向保持一致，测得结果才是可靠的。

2.3 被检构件表面腐蚀情况对回波信号的影响

人工腐蚀缺陷钢板实物及腐蚀缺陷分布如图9所示，编号为1A，2A，3A，4A的4个半球形腐蚀缺陷的腐蚀深度分别为板厚的20%，40%，60%，80%；编号为1B，2B，3B，4B的4个阶梯形腐蚀缺陷的腐蚀深度分别为板厚的20%，40%，60%，80%；编号为1C，2C，3C，4C的缺陷为腐蚀通孔。当电磁超声探头(圆形线圈)位于腐蚀缺陷的正上方时，测得的电磁超声信号如图10所示。

图9 人工腐蚀缺陷钢板实物及腐蚀缺陷分布示意

图10 不同类型、尺寸腐蚀缺陷的回波信号

观察图10每组信号的规律，发现回波信号只包含原始板厚的回波信息，缺陷的厚度信息未被接收线圈接收；随着腐蚀深度的增大，回波信号幅值降低，由缺陷1A和4C的信号可判断回波信号受缺陷面积影响较大，与缺陷深度关系不大。

电磁超声探头扫查腐蚀缺陷示意如图11所示，扫查过程中腐蚀缺陷的回波信号如图12所示，可见，仅信号幅值发生变化，信号幅值先减小后增大。当探头位于腐蚀缺陷正上方时，信号幅值最小。

图11 电磁超声探头扫查腐蚀缺陷示意

图12 扫查过程中腐蚀缺陷的回波信号

由上述试验结果可知，电磁超声在对带有小型腐蚀缺陷的试件进行测厚时，仅回波幅值发生变化，对回波声时不敏感，需要进一步对比不同位置信号的幅值以实现缺陷的识别和量化。

3 结论

(1) 回波信号的单峰衰减速率限制了电磁超声测厚的分辨率，单峰衰减越快，电磁超声测厚分辨率越高；回波信号的波峰衰减速率限制了电磁超声所能检测的最大厚度，波峰衰减越慢，电磁超声测厚范围越大。

(2) 回波信号波峰呈指数衰减，衰减速率随板厚的增大而加快。

(3) 对具有方向性的材料进行测厚时，需要考虑在不同方向上，声波速度不同引入的误差。

(4) 探头扫查经过小型腐蚀缺陷时，回波信号只包含板厚信息，而不包含缺陷的厚度信息，回波信号幅值先减小后增大。当探头位于腐蚀缺陷正上方时，信号幅值最小；随着腐蚀深度的增大，回波信号幅值降低；回波信号受缺陷面积影响较大。