電磁超聲換能器設(shè)計(jì)與優(yōu)化改1

1、電磁超聲換能器設(shè)計(jì)與優(yōu)化申建中張仲寧張淑儀(近代聲學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京大學(xué)聲學(xué)研究所,南京210093【摘要】簡(jiǎn)要介紹了產(chǎn)生表面波的電磁聲換能器(EMAT的工作原理,設(shè)計(jì)、制作了收發(fā)分開的兩種EMAT,并建立了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)量了信號(hào)和提離距離的關(guān)系曲線,研究了激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)、接收線圈的匝數(shù)對(duì)換能器信號(hào)的影響等等,提出了優(yōu)化措施?！娟P(guān)鍵詞】電磁聲換能器 EMAT 回折線圈【Abstract】The working principle of electromagnetic acoustic transducers (EMATs is introduced briefly. Two excitin

2、g and receiving EMATs have been designed and fabricated, and an experimental system has been established. The received signal-distance relationship and the influence of the emitted pulse numbers and the circles of the receive coil on the signals of the transducers are also given in this paper.【Key w

3、ords】Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT, meandered line coil1 引言超聲波探傷是工業(yè)領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)方法之一。常規(guī)的超聲波壓電換能器往往需要耦合劑實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件之間的良好耦合,且對(duì)被測(cè)件的表面質(zhì)量要求較高,難以適用于高溫、運(yùn)動(dòng)和粗糙表面的檢測(cè)。60年代末發(fā)現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來的電磁耦合產(chǎn)生超聲波的方法,是一種非接觸式的超聲波探傷方法。電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer或 EMAT,是電磁超聲檢測(cè)的核心裝置。EMAT具有換能器與媒質(zhì)表面非接觸、無需加入聲耦合劑,可免除

4、對(duì)工件表面去油漆等工序,重復(fù)性好、檢測(cè)速度高,適合動(dòng)態(tài),高溫檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),因而日益受到聲學(xué)和無損檢測(cè)各方面人員的關(guān)注,在火車車輪踏面和鋼管等無損檢測(cè)領(lǐng)域開展了大量研究和應(yīng)用。EMAT在具備上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也存在明顯的不足,那就是效率比較低1,2,因此從原理入手,研究如何改善其效率,對(duì)于提高信號(hào)質(zhì)量和更好的應(yīng)用具有重要的意義。2 EMAT的組成與工作原理EMAT一般可分為洛侖茲力式和磁致伸縮式兩種。我們對(duì)洛侖茲力式的EMAT進(jìn)行了研究。如圖1所示,洛侖茲力式EMAT由靜態(tài)磁場(chǎng),通有高頻大電流的線圈和具有良導(dǎo)體性質(zhì)的被測(cè)材料組成。 圖1 EMAT 結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)通有高頻大電流的線圈放置在金屬物體附近時(shí)

5、,金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于靜態(tài)磁場(chǎng)的存在,與渦流相互作用后產(chǎn)生交變洛侖茲力,作用于金屬導(dǎo)體內(nèi)部的帶電粒子上。由于原子核的質(zhì)量比電子大的多,其位子不容易改變,這樣原子核在交變洛侖茲力的作用下產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)以一定方式傳播出去就可產(chǎn)生超聲波。相應(yīng)的,利用該過程的逆效應(yīng)過程,可以利用EMAT 接收超聲波。假設(shè)發(fā)射EMAT 的線圈中通有電流I ,幅度為I ,頻率為;線圈下方金屬材料表面處磁場(chǎng)為B 0T ,方向?yàn)榕c水平面成角;線圈匝數(shù)為N T ;線圈與金屬材料表面的距離為G (一般稱為提離距離;線圈間距為D ;接收線圈下方金屬材料表面處磁場(chǎng)為B 0R ;線圈寬度為W ;線圈匝數(shù)為N R ;Y

6、M 為波模導(dǎo)納;U M 為x 方向和z 方向的位移;為U M3/U M1的相位角,3:2121210313113cos sin M j M M Y e Y Y NC IB U -= (1 這時(shí),接收線圈中的電壓與發(fā)射線圈中的電流有以下關(guān)系:TM j M R M j M T R T R T oR T R Y e Y Y e Y W C C N N B B I V 2/12/12/12/1023131cos sin cos sin 2-= (2 其中,C 和G 滿足關(guān)系: D G e C /-= (3從公式(1可以看出,當(dāng)=90o時(shí),最有利于產(chǎn)生x 方向的振動(dòng),由于振動(dòng)在金屬的表面,形成表面波。從

7、公式(2可以看出,接收EMAT 的信號(hào)和發(fā)射端EMAT 的電流、磁場(chǎng)、匝數(shù)成線性關(guān)系;與頻率成平方關(guān)系;與接收端的磁場(chǎng)、匝數(shù)、線圈寬度呈線性關(guān)系;與提離距離成指數(shù)關(guān)系。3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)、制作了收發(fā)分開的兩種EMAT ,組成如圖2的測(cè)試環(huán)境。圖23.1 發(fā)射EMAT3.1.1 發(fā)射EMAT 線圈設(shè)計(jì)我們用PROTEL 軟件繪制出周期性的回折線圈(meandered line coil,加工成PCB 板,其形狀如圖3所示,這樣得到的線圈的間距均勻,頻率高。 圖3 發(fā)射線圈3.1.2 線圈間距線圈間距D 、超聲波頻率、超聲波速度和超聲波傳播方向存在以下關(guān)系:sin 2sin 2f V D Df

8、V = (4 其中D 線圈的間距;f 超聲波頻率;V 超聲波速度;超聲波聲束傳播角度(當(dāng)垂直于材料表面?zhèn)鞑r(shí)為0,平行于材料表面?zhèn)鞑r(shí)為904,5。取f 為 500KHz ,查表知鐵的切變波速度為3240m/s ,取等于90o ,算得間距D 為0.7mm 。 3.1.3 磁場(chǎng)靜態(tài)磁場(chǎng)由長(zhǎng)方形的釹鐵硼磁鐵產(chǎn)生。磁鐵長(zhǎng)、寬、高為30×15×10mm 3,N 、S 極處磁場(chǎng)為490mT 。3.2 接收EMAT由于接收EMAT 線圈中的電流很小,我們采用細(xì)的漆包線(直徑為0.07mm 繞制。間距同發(fā)射線圈。磁場(chǎng)同發(fā)射EMAT 。發(fā)射接收放大電路被試材料 控制電路 放大 電路 示波器

9、3.3 電路設(shè)計(jì)EMAT 的電路系統(tǒng)包括發(fā)射EMAT 的驅(qū)動(dòng)電路和接收EMAT 的信號(hào)放大、處理電路,同時(shí)還包括阻抗匹配裝置。3.3.1 發(fā)射EMAT 的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖,在線圈中形成周期性的大電流,本實(shí)驗(yàn)中峰值電流的幅度超過100A 。電路框圖為圖4 發(fā)射EMAT 框圖我們通過單片機(jī)控制發(fā)射脈沖的產(chǎn)生,改變脈沖個(gè)數(shù),觀察對(duì)接收信號(hào)的影響。3.3.2 接收EMAT 信號(hào)的放大電路采用差分輸入,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的1000倍放大。 圖5 接收信號(hào)放大器原理圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們?cè)谝欢伍L(zhǎng)為15cm 的鐵軌上放置發(fā)射EMAT 和接收EMAT 。激勵(lì)脈沖的個(gè)數(shù)為5個(gè),頻率為500KHz ,得到如圖

10、6所示的信號(hào),左邊為直接到達(dá)的表面波信號(hào),中間的為靠近發(fā)射的端面發(fā)射的信號(hào),右邊的為接收端反射的信號(hào)。單片機(jī) 電流放大 電源大電容發(fā)射EMAT 圖6 接收信號(hào)圖4.1 提離距離對(duì)信號(hào)的影響 圖7 信號(hào)和提離距離的關(guān)系橫軸表示發(fā)射EMAT和金屬表面的距離,縱軸表示接收到信號(hào)的幅度(以對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示。黑色塊表示測(cè)量的數(shù)據(jù),直線為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到的曲線。從圖中可知信號(hào)幅度隨距離成指數(shù)減小。4.2 激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)對(duì)信號(hào)的影響 a 一個(gè)脈沖 e 五個(gè)脈沖 b 兩個(gè)脈沖 c 三個(gè)脈沖 f 六個(gè)脈沖 d 四個(gè)脈沖 圖 8 信號(hào)和激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系 從圖 8 可知，脈沖個(gè)數(shù)對(duì)信號(hào)有兩個(gè)方面的影響： 4.2

11、.1 信號(hào)幅度 從 a）e）隨著激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)的增加，信號(hào)幅度也增加，并且接收信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)也增加，最 大峰峰值脈沖出現(xiàn)的位置右移，說明接收信號(hào)是多個(gè)脈沖信號(hào)激勵(lì)響應(yīng)的疊加。ef接收信號(hào)的 峰峰值幅度基本相同，說明雖然脈沖個(gè)數(shù)繼續(xù)增加，但是重疊的部分不再增加時(shí)，接收信號(hào)的峰值 不變。 4.2.2 產(chǎn)生混疊 隨著脈沖的增加，清晰的三個(gè)波包出現(xiàn)混疊。說明脈沖個(gè)數(shù)增加帶來副作用，信號(hào)混疊，不利 于傷痕的判別。 4.3 接收線圈匝數(shù)的影響 圖 9 信號(hào)和接收線圈匝數(shù)的關(guān)系 橫軸表示接收線圈的匝數(shù)，縱軸表示接收信號(hào)的峰峰值。 從圖中可以看出信號(hào)峰峰值隨匝數(shù)成線性增加。 5 結(jié)論 接收線圈接收信號(hào)的大小與提

12、離距離近似成指數(shù)規(guī)律衰減，這和理論一致。 通過增加發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)，由于波形的疊加效果，可以使信號(hào)得到一定程度的增強(qiáng)，同時(shí)信號(hào) 峰的個(gè)數(shù)會(huì)隨之改變。因此，可以適當(dāng)選取脈沖個(gè)數(shù)，獲得比較大的信號(hào)幅度，避免重疊。 通過增加線圈的匝數(shù)，可以使信號(hào)成線性的增加，和理論一致。而且不影響信號(hào)峰的個(gè)數(shù)，用 于探傷，可以得到較高的分辨率。但是匝數(shù)的增加會(huì)受到制作工藝的限制。 綜上所述，選擇適當(dāng)?shù)拿}沖個(gè)數(shù)，盡可能的增加接收線圈的匝數(shù)，是比較可行的換能器優(yōu)化途 徑。 6 參考文獻(xiàn) 1 草節(jié) 張孝仁, 電磁超聲波探傷裝置在鐵路部門的應(yīng)用， 國(guó)外機(jī)車車輛工藝，1997 年 6 期， 42. 2 張健衛(wèi), 電磁超聲換能器（EMAT）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則, 無損探傷，2003 年 1 期，19. 3 Thompson, R. B., A Model for the Electromagnetic Generation and Detection of Rayleigh and Lamb Waves, IEEE transactions on Sonics and Ultrasonics,Vol.SU-20,NO.4,Octorber 1973,341. 4 Alers, G. A.，Burns, L. R., EMAT Design for special application