可调节跑道型线圈电磁超声换能器设计.pdf

2023 年第 11 期28计算机应用信息技术与信息化可调节跑道型线圈电磁超声换能器设计彭文涛1 杨晓庆1PENG Wentao YANG Xiaoqing 摘要 电磁超声作为一种重要的非接触式检测技术，在工业上的应用越来越广泛。随着工业的不断发展，工业板材的应用也越来越广泛，在板材检测方面，电磁超声可以通过对表面缺陷的检测和分类，提高检测效率和准确性。但是，由于工业板材尺寸的多样性，换能器的调节和匹配以及如何保证电磁超声的检测精度是一个难题。因此，设计出了一种可调节的电磁超声换能器，使其能够适应不同尺寸的板材进行检测，同时，尝试使用跑道型线圈和周期性永磁体组合在非铁磁性材料（铝板）中激发 SH 导波，以提高换能效率和检测精度。多跑道型线圈的设计，使其可以适应不同尺寸的工业板材，并且可以在不同的频率段内实现信号的获取，从而提高检测精度。通过 Comsol Multiphysics 仿真软件对 EMAT 进行三维有限元仿真分析，以双跑道型线圈为例。结果表明，改进型双跑道型线圈电磁超声换能器的最大磁通密度模是改进前的 4.86 倍；改进型双跑道型电磁超声换能器激发的 SH 导波在所选取的质点处位移场 Y 分量和 Z分量分别是改进前的 14.2 倍、2.06 倍，有效改善了换能器的性能，提高了检测精度和效率。关键词 电磁超声换能器；双跑道型线圈；可调节；SH 导波；换能效率；磁通密度模；质点位移 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.11.0071.四川大学电子信息学院 四川成都 6100650 引言随着工业化程度的不断提高，各种工业材料的检测需求也越来越强烈。在现代化工业当中，铝合金是使用最为普遍的一类有色金属，航天航空制造业、船舶制造业、汽车制造业等行业都大量使用铝合金1-2。然而，在使用过程中铝板材往往会存在各种缺陷或损伤，如表面划痕、裂纹、气孔等。这些缺陷可能会对产品的性能和质量造成严重影响，因此需要进行及时的检测与修复。传统的板材检测方法比如涡流检测方法、X射线检测法、压电超声检测法等都存在一定的不足，涡流检测法中提离距离对其的检测精度有很大的影响，X 射线有一定的辐射，压电超声换能器则需要耦合剂且检测表面必须打磨光滑3。电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）是一种非接触式超声波发射接收装置，它利用电磁感应原理在材料表面产生涡流电场或高频磁场，从而检测出材料中存在的信息。相比于传统的压电超声换能器，电磁超声换能器（EMAT）在检测过程中无需耦合剂，且能够在极端恶劣环境下（高温、低温、高压）对金属进行检测，对环境没有污染，因此被广泛应用于大型构件的金属缺陷检测中4。永磁体和线圈是 EMAT 的主要组成部分，不同形状和结构的线圈、磁体与不同被测试样的组合可以激发不同的超声波，不同的超声波又有不同的功能，比如螺旋形线圈可以用在铁磁性试样中激发体波，用来测试待测物的厚度，回折型线圈和方形永磁体组合，可以在非铁磁性试样中激发 Lamb 波，来对试样表面的裂纹等缺陷来进行检测5。然而，在工业生产中，板材的尺寸和形状往往是多样化的，这就给电磁超声技术的应用带来了一定的困难。传统的换能器很难匹配不同尺寸和形状的板材，因此本文尝试设计出一种可调节的电磁超声换能器，以适应各种尺寸和形状的板材进行检测。同时，为了提高换能效率和检测精度，尝试使用跑道型线圈激发 SH 导波，并设计多跑道型线圈来实现信号的获取，从而提高检测效率6。本文采用跑道型线圈和周期性永磁体（PPM）组合，在铝板中激发出 SH0 导波7。SH0导波具有非频散特性，波在传播过程中，其波形不会发生太大变化，这就很有利于对接收信号的分析和后处理，且在对长距离板材的缺陷检测中具有很高的实用价值8-9。此外，工业上进行板材检测的环境大多为高温环境，如果等其冷却过后再进行检测，则会增加大量的时间成本。针对以上问题，通过加工制作耐高温的聚酰亚胺10PCB 板和贵金属线圈组以及耐高温的永磁铁组，设计出了一种可调节跑道型线圈换能器，可以根据所检测板材的大小，选取合适阵列单元数的EMAT 来进行检测。本文通过采用有限元仿真软件 Comsol Multiphysics 进行仿真模拟，得到了其声场的主要特征。结果表明随着阵列单元数的增加，换能器的换能效率也得到相应的提高。2023 年第 11 期29计算机应用信息技术与信息化1 基于跑道型线圈激发 SH0 导波原理电磁超声激发是依靠洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力机理实现的，对于铁磁性材料，主要基于磁致伸缩力和洛伦兹力机理，在非铁磁性材料（如铝制材料）中，主要基于洛伦兹力机理11-12。当线圈通入高频电流时，会在工件的趋肤层内产生感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下，就会受到对应机械力的作用而产生高频振动，从而形成超声波13。常规的跑道型线圈换能器如图 1(a)所示，传统的 EMAT 通过周期性永磁体（PPM）和跑道型线圈组成。EMAT 激发超声波的示意图如图 1（b）所示，周期性永磁体提供垂直铝块表面的静态偏置磁场，当跑道型线圈中通入高频激励电流时，就会在铝板表面的趋肤层内产生感应涡流，方向与线圈中电流的方向相反，随后，感应涡流在受到静态偏置磁场的作用下，铝板表面的质点会受到 Lorentz 力的牵引，使得铝板表面质点引发高频振动，从而产生了 SH0 导波。(a)跑道型线圈 EMAT 结构示意图(b)超声波产生机理图图 1 EMAT 结构及原理图根据法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦方程组，推算出EMAT 在铝板中激发电磁超声波的过程大致可以表示为：dsHJ=（1）ddBH=（2）00ddrBHMBB=+=+（3）21sAAJt=（4）eAJt=（5）tseJJJ=+（6）rerfJB=（7）dedfJB=（8）Lrdfff=+（9）LVLFf dV=（10）式中：Hd是动态磁场强度，为磁媒质的磁导率，0为真空磁导率，M0为剩余磁化强度，Br代表永磁体内剩余磁感应强度，代表材料的电导率，A 为矢位磁量，Js为源电流密度，Je为线圈以及被测试样内的涡流密度，Jt为总电流密度，fr和 fd分别是静态磁场和动态磁场引起的洛伦兹力密度，fL是质点所受到的总洛伦兹力密度，fL是在给定体积 V 上的总洛伦兹力。2 改进型跑道型线圈 EMAT 三维建模针对多尺寸板材检测的适用性问题和耐高温问题，本文提出了一种可耐高温可调节跑道型线圈 EMAT，可调节的电磁超声换能器在板材检测中具有以下优点。第一，适应性强。可调节的电磁超声换能器可以自由调整换能器阵列中的线圈个数和永磁体组数，以适应不同尺寸和形状的板材进行检测。第二，检测精度高。可调节的电磁超声换能器采用了多跑道型线圈，提高了铝板表面的涡流密度和磁感应强度，实现了对板材表面和内部缺陷信息的全面获取，这样可以有效地避免漏检和误判的情况。第三，效率高。由于可以针对不同尺寸的板材进行合理地选择合适的换能器，从而能够快速地完成对被检材料的检测，使得检测效率大大提高。多跑道型线圈中以双跑道型线圈为例，双跑道型线圈 EMAT 主要包括双跑道型线圈、钕铁硼永磁体、待测物铝块。仿真模型包括：矩形空气域、跑道型线圈、钕铁硼永磁体、待测物铝块。常规的跑道型线圈与 PPM 组成的 EMAT 如图 1（a）所示，该EMAT 采用两组周期排列的永磁体，每组包含 6 个，用来提供垂直于铝板表面的静态偏置磁场，其中相邻的两个磁铁磁极相反。改进型的双跑道型线圈与 PPM 组成的新型 EMAT如图 2 所示（隐藏了空气域），新型 EMAT 由双跑道型线圈以及三组周期排列的永磁铁组成，三组周期性排列永磁铁中，中间部分的永磁铁要比两边的永磁体要长一些，因为要覆盖的线圈面积更多。图 2 双跑道型线圈示意图2023 年第 11 期30计算机应用信息技术与信息化双跑道型线圈的形状如图 3 所示，在单跑道型线圈的最外层线圈出口处再连接一个单跑道型线圈，线圈电流方向如图 3 所示，实现了通过一处馈电来激励两个线圈的目标，多跑道型线圈则需要通过单跑道型线圈和双跑道型线圈相互组合来实现，这就需要印刷线圈的 PCB 板的边框距离最外层线圈的距离为线圈间距的二分之一。线圈的中心距离磁铁下表面和铝板上表面的距离均为 0.5 mm，在有限元仿真软件 Comsol 中，线圈类型为线性单元，匝数为 19 匝。最外层的单个永磁体的几何尺寸为宽度为 10 mm，深度为 26 mm，高度为 20 mm。中间部分的单个永磁体的几何尺寸为宽度为10 mm，深度为 42 mm，高度为 20 mm。其余相关参数如表 1所示。永磁体的深度要略大于所覆盖线圈的整体宽度，相邻磁铁磁极相反。图 3 双跑道型线圈及其电流方向示意图表 1 模型参数参数类型参数值铝板厚度/mm3铝板泊松比0.222铝板杨氏模量/GPa31011铝板密度3900磁铁磁导率/(106Sm-1)1磁铁电导率/(Sm-1)7.1105磁铁剩余磁通密度/T1.35线圈导线电导率/(Sm-1)6107要在铝板中感应出涡流，就要给线圈通入激励电流。本文使用的激励电流为采用汉宁窗调制的余弦信号，信号表示为：0 cos(2)1 cos(2)0660615()tAf tftTT tTI t =（11）式中：A0为信号峰值，f 为激励信号中心频率，T 为激励信号的周期，t 为时间，本文选择 A0为 50 A。跑道型线圈与周期性永磁体（PPM）组合成的电磁超声换能器（EMAT）所激励的导波是 SH 波。SH 波是一种有极性的横向波，采用 SH 波作为导波进行缺陷检测的电磁超声换能器，不仅能够检测板材表面缺陷，还能够检测板材内部缺陷，检测深度为一个波长到两个波长之间。SH 波在介质中进行传播时，波峰和波谷的速度不同，因此需要区分相速度和群速度，对于电磁超声 SH 导波在铝板中的传播，一般来说会使用相速度进行描述，与此不同的是，对于没有方向性的纵向波，因其相速度和群速度相等，因此这些波通常采用群速度来进行描述。SH 波在介质中传播具有频散现象，通过求解 SH 波的频散方程，可以得到 SH 波的频散曲线如图 4 所示。由图 4 可知，SH 波随着频率的改变，其群速度和相速度都呈不同程度的变化，其中，模态导波在 500 kHz 5 MHz 内的频散曲线相对较为平坦，且几乎是非频散的（群速度和相速度不随频率的变化而变化），在500 kHz 以下，所激励的导波模态比较单一，因此激励线圈的激励频率最好选在 500 kHz 以下，本文所制作的 EMAT 选择的激励频率为 310 kHz。图 4 SH 导波频散曲线3 常规型 EMAT 与改进型 EMAT 仿真分析为了比较本文所提出的多通道线圈 EMAT 和传统 EMAT在工作性能上的优劣，本研究采用了有限元仿真软件 Comsol Multiphysics 进行数值模拟，并对两种不同类型的 EMAT 中激发导波的过程进行了模拟和分析。通过这种方式，可以进一步探究多通道线圈 EMAT 在缺陷检测等领域的潜在应用，并为相关技术的进一步发展提供参考依据。图 5 分别显示了常规型跑道型线圈 EMAT 和改进型双跑道型线圈 EMAT 的磁通密度分布情况，由此可见对于最大磁通密度模改进型EMAT 为常规型 EMAT 的 4.86 倍。图 5 常规型和改进型 EMAT 磁通密度模 2023 年第 11 期31计算机应用信息技术与信息化铝板中质点受到洛伦兹力的位移情况能够很好地反映电磁超声换能器的换能效果。为了研究铝块表面质点的位移情况，选取一个三维截点进行研究计算，三维截点的坐标为(-50,0,2.99)，截点在铝块表面以下 0.01 mm 处，距离铝块表面中心为 50 mm，图 6 显示了常规型跑道型线圈 EMAT 和改进型跑道型线圈 EMAT 在该截点处的质点位移图。可以看到，常规性 EMAT 在该质点处的位移场 Z 分量的最大值为4.02 e-8 mm，改进型 EMAT 在该质点处的位移场 Z 分量的最大值为 8.3 e-8 mm，可见改进型是常规型的 2.06 倍。常规性EMAT 在该质点处的位移场 Y 分量最大值为 6.68 e-9 mm，改进型EMAT在该质点处的位移场Y分量最大值为9.49 e-8 mm，可见改进型是常规型的 14.2 倍。从有限元仿真分析软件Comsol Multiphysics 对有限元模型的仿真结果可知，双跑道型线圈与周期性永磁体（PPM）组合成的改进型 EMAT 能够激发的 SH 导波的幅值与单跑道型线圈和周期性永磁体（PPM）组合成的常规型 EMAT 相比有显著提高，这意味着该改进型 EMAT 在电磁超声检测方面具有更高的检测精度和灵敏度，有望应用于需要高精度检测的领域。时间/s时间/s图 6 常规型与改进型质点位移4 结论本文主要讨论了电磁超声在工业板材检测中的应用。在工业上，由于板材尺寸的多样性，传统的检测方法在精度上和效率上都有所不足，而电磁超声具有不接触、无损、高精度、适应极端环境的特点，逐渐成为工业上板材检测的重要手段。首先，本文探讨了可调节电磁超声换能器的原理和优势，传统的电磁超声换能器无法满足各种材料和板材的检测需求，而可调节的电磁超声换能器可以根据不同板材参数的大小进行调节，提高了检测的精度和效率。其次，本文介绍了跑道型线圈和周期性永磁体激发 SH 导波的原理和实现方法。传统的电磁超声检测技术中，换能效率低是一个常见且严重的问题，而采用跑道型线圈和周期性永磁体来设计换能器可以提高换能效率，并且能够更好地激发 SH 导波，从而实现更高精度的检测。最后，本文提出了多跑道型线圈的设计方案，并且通过 Comsol Multiphysics 有限元仿真软件对两者进行仿真分析，可以发现多跑道型线圈在换能效率上明显高于单跑道型线圈，进一步提高了电磁超声在工业板材检测中的应用价值。通过采用多跑道型线圈，可以实现对不同尺寸、不同形状的板材进行精确、高效的检测，为工业生产提供了可靠的质量保障手段。参考文献：1 康磊,李智超,张晓霞,等.电磁超声表面波换能器发射过程的精确建模与分析 J.无损检测,2012,34(5):7.2 张建合.高强铝合金材料的超声检测 J.无损检测,2001,23(11):4.3 刘素贞,张闯,金亮,等.电磁超声换能器的三维有限元分析 J.电工技术学报,2013,28(8):6.4 蔡壮,吴运新,龚海,等.改进型电磁超声表面波换能器J.传感器与微系统,2022,41(12):98-100.5 黄松岭,王坤,赵伟.电磁超声导波理论与应用 M.北京:清华大学出版社,2013.6 VASILE C F,THOMPSON R B.Excitation of horizontally polarized shear elastic waves by electromagnetic transducers with periodic permanent magnetsJ.Journal of applied phys-ics,1979,50(4):2583-2588.7 崔雅鑫,张应红,胡芷逸,等.基于 SH0 导波的电磁超声换能器设计与实验研究 J.压电与声光,2021,43(4):6.8 RIBICHINI R,CEGLA F,NAGY P B,et al.Study and com-parison of different EMAT configurations for SH wave in-spectionJ.IEEE transactions on ultrasonics ferroelectrics&frequency control,2011,58(12):2571.9 JINGPIN J,XI Z,CUNFU H,et al.Experiments on non-de-structive testing of grounding grids using SH0 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