陈一博，杨理践，高松巍，邢燕好，张 佳，耿 浩

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870)

随着现代工业技术的快速发展,金属材料广泛应用于各个领域之中，其长时间处于工作状态，极易发生损坏，影响设备使用、造成经济损失，因此定期进行在线无损检测对金属材料器件的安全运行具有重要意义。目前常用的无损检测技术主要有漏磁检测技术、涡流检测技术、射线检测技术、磁粉检测技术、超声检测技术等[1]。电磁超声检测作为一种常用的检测及监测技术，可以通过激发体波进行腐蚀检测或者激发导波进行裂纹检测。超声测厚技术可利用声波信号幅值及相位的变化对缺陷尺寸、位置及物理属性进行评估，具有方向性好、穿透能力强、准确度高等优点；超声导波技术可通过单点激励，实现全截面、长距离、大范围的检测及监测[2]。

电磁超声检测技术作为超声检测技术的一种，其换能器结构优化的研究已经进行多年。翟国富等[3]提出了一种双线圈叠加使用的电磁超声换能器结构，可以在450 ℃下工作。ISLA等[4]设计了一种新型EMAT(电磁超声换能器)磁铁排列方式，将多个磁铁排列在铁磁芯周围，使产生的信号幅值提高了20 dB。康磊等[5]分别优化了EMAT的磁铁尺寸和线圈中导线的分布方式，在一发一收的工作模式下，换能器接收信号幅度提高了39%。郝宽胜等[6]分别对基于洛伦兹机理和磁致伸缩机理的EMAT完整换能过程进行有限元分析和解析，并通过试验分析了线圈提离、线圈间距及回折数、线圈导线宽度等可能影响EMAT特性的因素，提出了回折线圈的优化设计方案。也有学者通过采用新型线圈抑制电磁冲击盲区[7]、改变激励脉冲频率和提离距离[8]等方式进行结构优化。

为了解决电磁超声检测效率低的问题，文章在EMAT换能机理分析基础上，提出体导一体多通道EMAT结构，采用COMSOL软件对EMAT探头磁铁结构进行仿真建模，探究EMAT探头永磁体高度、永磁铁间距和磁铁提离值的影响规律，得出了曲折线圈EMAT最佳参数组合，最后通过试验对仿真结果进行验证。研究结果改进了EMAT换能器结构，使其可以同时进行导波和测厚检测，从而提升了电磁超声检测的效率。

1 电磁超声换能器原理

电磁超声换能器一般由永磁体、线圈和被测工件组成。铁磁性材料中，EMAT的换能机理包括3种：洛伦兹力机理、磁致伸缩力机理、磁化力机理[9]。非铁磁性材料中，只存在洛伦兹力机理，铁磁性材料中超声波由洛伦兹力和磁致伸缩力共同作用产生，其中磁化力作用过小可忽略不计。

1.1 磁致伸缩导波EMAT换能器的基本原理

磁致伸缩是指当磁体磁化时，伴有的晶格自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短。当磁体发生磁致伸缩，而未达到饱和磁化状态时，主要是磁体的长度产生变化。由于磁致伸缩效应的存在，当铁磁材料被外界磁场磁化时会产生一定大小的应变[10]。如果将铁磁性金属板材置于交流变化的外磁场中，那么板材内的质点将产生与交变磁场同频率的磁致伸缩，这种伸缩振动以波的形式在试件中传输时，形成了超声波(见图1)。

图1 磁致伸缩激发原理

1.2 横波测厚EMAT换能器原理

横波测厚换能器激发原理如图2所示。在激励线圈中通入高频脉冲电流，因电磁感应原理，金属试件中产生涡流，涡流在永磁体的偏置磁场作用下产生洛伦兹力，当工件受到洛伦兹力的作用时，会产生横向振动，波向垂直振动方向传播，由此产生横波进而在试件中传播。电磁超声波接收过程是发射过程的逆过程。通过回波信号得到工件中超声波的往返时间，据此可计算出工件的厚度。

图2 横波测厚换能器激发原理

2 换能器优化设计

2.1 体导一体电磁超声换能器设计

文章设计的体导一体电磁超声换能器的组合型磁铁由4个单极型磁铁和1个轭铁组成。磁铁分为2个N极单极型磁铁和2个S极单极型磁铁，且相邻磁性为异名磁极[(见图3(a)],形成了1#、3#、7#、9#4个单极型磁场区域和2#、4#、6#、8#4 个U型磁场区域。单极型永磁铁下放置用于腐蚀缺陷检测及定位的螺旋线圈；4个U型磁场区域放置用于周向缺陷、轴向缺陷检测及定位的回折线圈[见图3(b)]。

图3 组合型磁铁结构示意

2.2 磁场仿真分析

磁铁结构是电磁超声换能器的重要组成部分，磁铁产生的磁场强度大小直接影响整个换能器检测信号的强度。文章设计的体导一体式电磁超声换能器使用组合型磁铁，可以同时完成导波检测和测厚的功能。利用COMSOL软件对组合型磁铁、常规测厚使用的单极型磁铁和导波使用的U型磁铁进行有限元三维建模，分析并对比被测件近表面磁场强度的大小及分布情况。磁铁的有限元仿真模型如图4所示，工件尺寸为250 mm×250 mm×10 mm(长×宽×高)，磁铁尺寸为50 mm×50 mm×30 mm，其剩磁强度为1.2 T，泊松比为0.3，杨氏模量为206 GPa，电导率为1 MS/m。

图4 磁铁的有限元仿真模型

图4(a)，(b)，(c)分别为单极型永磁铁、U型永磁铁、组合式EMAT永磁铁在工件中产生的磁感应强度云图。选取单极型永磁铁、U型永磁铁、组合式EMAT永磁铁正下方工件中集肤深度1 mm处作为参考位置，对比3种类型磁铁在两磁极中心延长线方向上x、y、z轴磁场强度的变化，结果如图5所示。

图5 3种类型磁铁磁场强度的对比

由图5可知，组合型磁铁的磁场强度普遍优于传统磁铁的，并在y轴方向上有显著提升。单极型磁铁磁场强度在50 mm处取得最大值，U型磁铁和组合型磁铁在50 mm和100 mm处分别取得最大值和反向最大值。选择磁铁正下方磁场强度进行对比，工件中磁铁中心处的磁感应强度对比如表1所示。

表1 工件中磁铁中心处的磁感应强度对比

由表1可知，组合型磁铁相较于单极型磁铁在工件近表面磁场强度z轴分量提升41.57%。组合型磁铁相较于U型磁铁在工件近表面磁场强度z轴分量提升14.52%，y轴分量从接近0提升至常规水平，说明组合型磁铁结构在减少磁铁数量的情况下提高了检测通道数量，可以在周向和轴向方向上产生偏置磁场并产生超声波信号。

2.3 换能器参数优化分析

在建立磁铁结构有限元模型的基础上，为研究磁铁厚度、轭铁厚度、磁铁提离值和磁铁间距变化对工件表面磁通密度分布的影响规律，对这些参数进行了仿真分析。对以上4个影响因素各自选取4组参数进行分析，具体参数选取结果如表2所示。

表2 具体参数选取结果 mm

依据表2中的参数进行仿真分析，选取钢板近表面磁场强度最大值作为分析指标，结果如图6所示。

图6 EMAT参数对磁场强度的影响

由图6可知，随着磁铁厚度、轭铁厚度和磁铁间距的增加，组合型磁铁的磁场强度都有先增大后减小的趋势。磁铁厚度在30 mm时磁场强度达到最大值，轭铁厚度在25 mm时磁场强度达到最大值，磁铁间距在50 mm时磁场强度达到最大值。而随着磁铁提离值增加，磁场强度整体呈下降趋势，考虑到实际应用的限制，最终选择磁铁厚度为30 mm、轭铁厚度为25 mm、提离值为5 mm、永磁铁间距为50 mm进行试验验证。

3 试验研究与分析

为了验证仿真模型分析的正确性，搭建了超声信号检测平台，设计了基于不同磁铁结构的换能器测厚和导波接收信号对比试验。试验系统如图7所示，包括RPR-4000-SNAP型超声检测器、示波器、体导一体EMAT换能器和尺寸为450 mm×450 mm×9 mm(长×宽×厚)的钢板。信号发生器输出信号为toneburst脉冲信号。

图7 超声检测试验系统

3.1 测厚试验分析

测厚试验中，线圈激励脉冲周期为1、频率为1.4 MHz、激励电压为350 V，信号处理部分高通滤波为1.6 MHz、低通滤波为800 kHz，使用充磁相同的磁铁块。单极型磁铁和组合型磁铁的接收信号波形如图8所示。

图8 单极型磁铁和组合型磁铁的接收信号波形

提取图8中回波信号的幅值与噪声幅值最大值来比较局部信噪比，图8(a)波形的局部信噪比为9.9 dB，图8(b)波形的局部信噪比为11.9 dB，组合型磁铁结构换能器局部信噪比提升了20%。由此可知，组合型磁铁在测厚EMAT换能器中的效果要优于传统的单极型磁铁。

3.2 导波试验分析

导波试验中，导波线圈激励脉冲周期为9、频率为0.5 MHz、激励电压为350 V，信号处理部分高通滤波为200 kHz、低通滤波为800 kHz，使用充磁相同的磁铁块。U型磁铁和组合型磁铁的接收信号波形如图9所示。

图9 U型磁铁和组合型磁铁的接收信号波形

由图9可知，组合型磁铁EMAT换能器前3个回波信号幅值相较于U型磁铁EMAT换能器的幅值分别提升了83%、56%和19.5%。综上所述，组合型磁铁的EMAT换能器可以同时激发测厚信号和导波信号；在相同条件下，其测厚和导波的接收信号优于传统磁铁结构接收到的信号，可提升EMAT换能器检测的效率和准确性。

4 结语

设计了一种集电磁超声导波与测厚于一体的电磁超声换能器，设计了全新的磁铁结构，可以同时进行周向、轴向导波检测和测厚，降低了所需磁铁数量。基于有限元仿真对换能器磁铁结构进行了优化设计，改进了磁铁结构。研究结果表明：组合型磁铁在工件近表面激发的磁场强度大于传统磁铁结构在工件近表面激发的磁场强度；新型磁铁结构z轴方向磁场强度提升了14.52%；相较于传统U型磁铁导波信号换能器的幅值，组合型磁铁的信号幅值提升了19.5%；相较于传统单极型磁铁测厚换能器的信噪比，组合型磁铁的信噪比提升了2 dB。