CN106540872B - 一种线圈自激励电磁超声兰姆波换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁超声换能器设计，与传统换能器设计的最大区别在于无需磁铁提供静态磁场，通过大电流激励线性缠绕线圈产生强动态磁场，动态磁场与铁磁性板材通过电磁耦合实现超声兰姆波激励。传统换能器多通过静态磁场下的洛伦兹力或磁致伸缩力进行激励。本发明通过动态磁场下的洛伦兹力和磁致伸缩力实现超声波激励。所设计换能器可以在0mm至9mm提离距离范围内实现换能，提离性能指标优于传统电磁超声换能器。

Description

一种线圈自激励电磁超声兰姆波换能器
技术领域
本发明设计了一种电磁超声换能器，该换能器以铁磁性板材为检测对象。与传统的电磁超声换能器相比，最大特点在于无需磁铁提供静态磁场。所设计的换能器可以应用于缺陷检测、金属织构测量、板材测厚等领域。
背景技术
电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种非接触型超声波检测装置。该装置依靠电磁耦合方式直接在受检试件内部形成超声声源，因此电磁超声换能器可以在高温在线检测中得以应用。此外，电磁超声换能器还具有低成本、通过结构设计可以激励多种超声波类型等特点。电磁超声换能器的换能机制主要分为洛伦兹力，磁致伸缩力和磁化力。其中洛伦兹力存在于各种金属待测试件中，后两种只存在于铁磁性试件中，磁化力对声波产生影响较小。
洛伦兹力换能机理：通入高频交变电流的线圈靠近金属表面，就会在集肤深度内产生感应涡流。使用磁铁提供稳定静态磁场，感应涡流会在静态磁场作用下产生洛伦兹力，通过洛伦兹力引起质点高频振动形成超声波。
磁致伸缩力换能机理：在无外加磁场条件下，铁磁性材料中自旋磁矩能在一个个微小的区域内自发的排列形成磁化小区域，称为磁畴。通过动态交变磁场引起磁畴发生长度、体积或形状的变化，这种变化同样可以产生超声波。
超声兰姆波：
兰姆波是纵波和横波振动相互耦合形成的导波。主要分为对称模态Sn和反对称模态An，1mm钢板中兰姆波群速度频散曲线如图1所示。兰姆波存在多模态现象，随着频率增加，会激励更多模态兰姆波。同时，兰姆波是频散波，速度随着频率变化而改变。S0和A0在任何频率下都存在，其他兰姆波都存在截止频率，即在给定板厚时，某种兰姆波可以传播的最小频率。频厚积(超声波信号频率与待测试件板厚的乘积)小于1.5MHz·mm时，只激励S0和A0兰姆波。图2分别给出S0兰姆波和A0兰姆波质点振动示意图，S0兰姆波在板材厚度方向呈现对称分布，A0兰姆波在板材厚度方向呈反对称分布。由图1频散曲线可知，S0兰姆波在低频范围速度波动较小，与之相比，A0兰姆波有明显频散现象。对称模式S0主要是面内振动(平行于板材表面)引起，反对称模式A0主要是面外振动(垂直于板材表面)引起。
传统换能器的设计多采用强磁铁提供静态磁场以提高换能效率，这种设计思路会给铁磁性板材检测带来一个问题，即强磁铁对于铁磁性材料的吸附力。这种吸附力会极大地限制换能器与待测试件的相对移动，有时甚至产生强烈撞击，导致换能器和试件的破坏以及操作人员的意外受伤。此外，磁铁的存在大大增加了换能器的质量。
为避免磁铁给换能器设计带来的不利影响，本发明设计了一种线圈自激励电磁超声换能器，换能器的最大特点就是可以在无磁铁提供静态磁场的条件下实现超声兰姆波激励。
发明内容
为了克服传统电磁超声换能器需要强磁铁提供静态磁场的问题，本发明设计了一种线圈自激励换能器。换能器通过大电流激励线性线圈产生强动态磁场，依靠动态磁场与铁磁性试件间的电磁耦合在待测试件中实现超声兰姆波激励。
本发明的设计方案及数学模型如下：
一种电磁超声换能器，换能器通过铜漆包线在3D打印模型进行线性缠绕，检测对象是铁磁性板材，通过大电流激励线性线圈产生强动态磁场，通过动态磁场下的洛伦兹力激励A0兰姆波，通过动态磁场下的磁致伸缩力激励S0兰姆波。
本发明的另一个技术方案是：所用的铜漆包线直径范围0.03mm至2mm，用于线圈缠绕的3D打印圆柱塑料模型直径范围10mm至50mm，高度范围3mm至50mm，线圈缠绕匝数3到15圈。
附图说明
图1为兰姆波群速度频散曲线。
图2(a)，(b)分别为S0兰姆波和A0兰姆波质点振动示意图。
图3为线性线圈产生动态磁场示意图，其中：右上角小图为线圈缠绕方式，大图为换能器动态磁场与铁磁性板材耦合示意图。
图4为洛伦兹力激励模型。
图5为磁致伸缩力激励模型。
图6为实验原理图。
图7为超声兰姆波波形。
图8为兰姆波信号峰峰值随提离距离变化曲线。
具体实施方式
所述自激励换能器的设计如图3所示。图3中右上角小图为所述自激励换能器的线圈缠绕方式，选择直径为0.03mm至2mm的铜漆包线在圆柱形塑料3D打印塑料模型进行线性缠绕，3D打印模型的直径范围为10mm至50mm，高度范围为3mm至50mm，线圈缠绕匝数为3到15圈。激励脉冲电流频率与铁磁性板材厚度的乘积小于1.5MHz·mm，以保证只激励S0和A0兰姆波。换能过程在线圈和待测铁磁性板材之间进行，如图3所示。x轴表示铁磁性板材上表面，y轴正半轴表示空气域，y轴负半轴表示铁磁性板材内部。换能器与待测铁磁磁性板材通过电磁场进行耦合：线圈内通入高频大功率发射电流JC，在铁磁性板材中产生交变磁场Bd，并在待测试件集肤深度内产生感应涡流JE。换能过程主要基于两种换能机理：动态磁场下的洛伦兹力和磁致伸缩力。
洛伦兹力换能机制：
洛伦兹力激励原理如图4所示，涡流JE在动态磁场Bd作用下会引起质点的高频振动，从而形成超声波。铁磁性板材内部动态磁场Bd可分为水平分量Bdt和垂直分量Bdn。涡流与水平磁场作用Bdt产生较强的面外洛伦兹力Fdn，与垂直磁场Bdn作用产生相对较弱的面内洛伦兹力Fdt。较强的面外洛伦兹力Fdn可以激励A0兰姆波。
根据电磁学基本原理,上述过程可表示为：
Bd＝μmHd (2)
JE＝γEE (4)
Fd＝JE×Bd (5)
式中：
Hd为发射电流产生的磁场强度，JC为发射电流密度，Bd为发射电流在铁磁性板材内产生的磁感应强度，μm为铁磁性板材的相对磁导率，EE为涡流场的电场密度，γ为铁磁性板材的电导率。JE为涡流密度，Fd为EMAT产生的洛伦兹力。
磁致伸缩力换能机制：
图5给出动态磁场激励下磁致伸缩力示意图：动态磁场水平分量Bdt产生较大的面内磁致伸缩力FMagt。垂直分量Bdn产生面外力磁致伸缩力FMagn。面内磁致伸缩力FMagt可以激励较强S0兰姆波。
方案实施原理图如图6所示，选择直径0.68mm铜漆包线在直径35mm，高20mm的塑料模型线性缠绕10圈，得到所述自激励换能器。通过电路合成频率0到500kHz的脉冲电流，电流强度270A，该脉冲电流作为激励电流施加到所述自激励换能器。待测钢板厚度为1mm，所述自激励换能器通过动态磁场的洛伦兹力和磁致伸缩力机理进行超声波激励。钢板中的超声波经传播后被接收换能器接收，经滤波和50dB放大后，由示波器进行显示。接收换能器同样采取线性缠绕方式：选择直径为0.1mm的铜漆包线在圆柱形磁铁进行线性缠绕，圆柱形磁铁直径35mm，高度20mm，接收换能器选择铜漆包线直径0.1mm。
图7是示波器采集到的所述自激励换能器产生的超声兰姆波波形，所述自激励换能器可以在动态磁场作用下在钢板中激励较强的兰姆波。由于换能器无需磁铁提供静态磁场，结构简单，质量大大减轻。
所述自激励换能器特性测试：
电磁超声换能器作为一种非接触检测手段，提离距离特性(换能器与待测试件间距离)是其性能评价的一个重要重要指标。换能器的提离距离以1mm为步长，从0到9mm逐渐提高。S0和A0兰姆波信号峰峰值随着提离距离变化曲线如图8所示。传统电磁超声换能器提离距离一般小于3mm。从图中可以看出，新设计的线圈自激励换能器可以在0mm至9mm范围实现兰姆波激励。与传统换能器相比可以在更高提离距离下对待测试件进行检测。

Claims (2)

1.一种电磁超声换能器，其特征在于：换能器通过铜漆包线在3D打印模型进行线性缠绕，检测对象是铁磁性板材，通过大电流激励线性线圈产生强动态磁场，通过动态磁场下的洛伦兹力激励A0兰姆波，通过动态磁场下的磁致伸缩力激励S0兰姆波。
2.如权利要求1所述的一种电磁超声换能器，其特征在于：使用的铜漆包线直径范围0.03mm至2mm，用于线圈缠绕的3D打印圆柱塑料模型直径范围10mm至50mm，高度范围3mm至50mm，线圈缠绕匝数3到15圈。
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