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電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)

發(fā)布時(shí)間:2018-12-11 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電磁超聲檢測(cè)技術(shù)由于具有非接觸的優(yōu)點(diǎn),探頭不存在磨損,適合于高速、高溫等惡劣工況檢測(cè)。尤其是功率電子技術(shù)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(wèn)題,極大地促進(jìn)了EMAT技術(shù)的發(fā)展,特別是其易于激勵(lì)出SH波,具有壓電超聲傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
 
電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的核心,其物理基礎(chǔ)來(lái)自于20世紀(jì)60年代,在凝聚態(tài)物理研究螺旋波特性的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了電磁可轉(zhuǎn)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的,研究人員很快認(rèn)識(shí)到其在材料表征中的應(yīng)用,進(jìn)而被迅速應(yīng)用到無(wú)損檢測(cè)中,如鋼板檢測(cè)、油氣輸送管道裂紋及涂層脫落檢測(cè)、鋼管混凝土空洞檢測(cè),鐵軌及火車(chē)輪踏面檢測(cè)、焊縫檢測(cè)、厚度測(cè)量等。
 
為適應(yīng)上述無(wú)損檢測(cè)的不同目標(biāo),研究人員設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型的傳感器。在EMAT原理中,從時(shí)間域上看,動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和靜態(tài)偏置磁場(chǎng)共同作用使試件中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng);從空間域上看,靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的空間分布復(fù)雜多樣,從而使得研究人員在設(shè)計(jì)與選擇EMAT時(shí),面臨諸多困難。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院的研究者們從靜態(tài)偏置磁場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)及其與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用機(jī)理出發(fā),詳細(xì)分析了EMAT結(jié)構(gòu),為研究人員設(shè)計(jì)與選擇EMAT提供理論指導(dǎo)。
 
目前,已有的EMAT可以激勵(lì)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(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的力或位移方向與振動(dòng)傳播方向。洛倫茲力和磁滯伸縮應(yīng)變的方向與試件中偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的分布有關(guān)。動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)非常容易理解,線圈中電流發(fā)生變化,感應(yīng)出的渦流就會(huì)隨之變化。靜態(tài)偏置磁場(chǎng)雖然在時(shí)間上不發(fā)生變化,但空間上可以有多種分布,進(jìn)而與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)復(fù)合作用,產(chǎn)生不同方向的洛倫茲力或磁致伸縮應(yīng)變,從而激勵(lì)出不同類(lèi)型的超聲場(chǎng)。根據(jù)試件中靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)復(fù)合作用區(qū)域的靜態(tài)磁場(chǎng)分布特點(diǎn),下面從均勻靜態(tài)磁場(chǎng)、空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)及非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)角度分析不同類(lèi)型的EMAT結(jié)構(gòu)。
 
在分析之前,需強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):
 
(1) 這里所說(shuō)的均勻磁場(chǎng)是限定在一個(gè)局部小范圍內(nèi)的,一般特指交變線圈正下方的試件趨膚層。從嚴(yán)格意義上講,絕對(duì)均勻的磁場(chǎng)是不存在的。
 
(2) EMAT結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多,下面介紹每一類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí)是一個(gè)典型結(jié)構(gòu)為例,并不代表只有這一種。
 
(3) 對(duì)每一類(lèi)結(jié)構(gòu),分別分析了洛倫茲力機(jī)理和磁致伸縮機(jī)理。實(shí)際中,如果被測(cè)試件是非導(dǎo)磁材料,則只需參照洛倫茲力機(jī)理;如果是鐵磁材料,則這兩種機(jī)理同時(shí)存在。至于哪一個(gè)占主導(dǎo)作用,則要根據(jù)外加的磁場(chǎng)確定,本文暫不對(duì)此作分析。
 
1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)
 
均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示,銜鐵、永久磁鐵和被測(cè)試件組成的閉合磁回路,在線圈正下方的被測(cè)試件表面會(huì)產(chǎn)生均勻的水平靜態(tài)磁場(chǎng)。靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的復(fù)合作用主要表現(xiàn)為洛倫茲力或磁致伸縮應(yīng)變。在均勻水平靜態(tài)磁場(chǎng)的EMAT結(jié)構(gòu)中,質(zhì)點(diǎn)所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應(yīng)變的方向分別如圖1和圖2所示。圖1中,洛倫茲力使質(zhì)點(diǎn)垂直于試件表面振動(dòng)并在試件中傳播,產(chǎn)生橫波(剪切波)。圖2中,質(zhì)點(diǎn)的磁致伸縮應(yīng)變與試件表面平行,從而在試件激勵(lì)出水平剪切波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)中的洛倫茲力機(jī)理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖2 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)中的磁致伸縮機(jī)理
 
2 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)
 
空間周期靜態(tài)偏置磁場(chǎng)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(jié)構(gòu)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(chǎng)。對(duì)于洛倫茲力機(jī)理而言,如圖4所示,被測(cè)試件中感應(yīng)出的渦流與試件表面平行,因此質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于渦流方向且與試件表面平行,激勵(lì)出SH波;對(duì)于磁致伸縮機(jī)理而言則如圖5所示,線圈正下方試件表面的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向與偏置磁場(chǎng)垂直且平行于試件表面,也可激勵(lì)出SH波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖3 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)圖
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖4 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的洛倫茲力機(jī)理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖5 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的磁致伸縮機(jī)理
 
3 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)
 
磁力線始終是閉合的,這一特點(diǎn)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(chǎng)的空間分布往往是非均勻的??臻g中不同位置偏置磁場(chǎng)的方向不同,一般既有水平分量也有垂直分量(相對(duì)試件表面),而且在不同位置,水平分量和垂直分量的強(qiáng)度也是變化的。因此,非均勻偏置磁場(chǎng)中產(chǎn)生的超聲波波型成分比較復(fù)雜,以圖6所示的洛倫茲力機(jī)理為例,圓柱磁鐵在試件周?chē)a(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)是非均勻的。在磁鐵正下方試件趨膚層中,偏置磁場(chǎng)垂直分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)水平分量則大于垂直分量。被測(cè)試件中感應(yīng)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(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(lì)出橫波;而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(lì)出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當(dāng)?shù)膮^(qū)域,偏置磁場(chǎng)的水平分量會(huì)激出縱波,而垂直分量則會(huì)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(huì)激勵(lì)出表面波。
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖6 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的洛倫茲力機(jī)理
 
電磁超聲傳感器的三大典型結(jié)構(gòu)
圖7 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的磁致伸縮機(jī)理
 
如果試件為鐵磁性試件,需考慮磁致伸縮機(jī)理,如圖7所示。在磁鐵正下方試件趨膚層中,偏置磁場(chǎng)的垂直分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平分量,動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向平行于試件表面,并與偏置磁場(chǎng)方向垂直,與聲波傳播方向垂直,主要激勵(lì)出橫波;而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域,偏置磁場(chǎng)的水平分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直分量,動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向平行于試件表面,并與偏置磁場(chǎng)方向平行,與聲波傳播方向平行,主要激勵(lì)出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當(dāng)?shù)膮^(qū)域,偏置磁場(chǎng)的水平分量會(huì)激出縱波,而垂直分量則會(huì)產(chǎn)生橫波。
 
節(jié)選自《無(wú)損檢測(cè)》2015年第1期
 
本文作者:丁秀莉(1990—),女,華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)殡姶懦暉o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
      
武新軍(1971-),男,華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授,主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)新技術(shù)。
 
 
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