一种磁场优化结构电磁超声传感器设计.pdf

第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 一种磁场优化结构电磁超声传感器设计苟浩瑞杜昱錡王思宇钟 涛甘芳吉(四川大学机械工程学院成都610000)摘要：为了进一步增强电磁超声检测技术在管道厚度测量领域的检测能力，该文对电磁超声传感器(EMAT)的结构进行了优化。提出了多磁铁对称分布型EMAT，能实现更小的磁铁体积，产生更强的表面剩磁强度。采用在硅钢表面开槽的方式限制涡流形成的区域，解决了涡流对测量的影响。建立厚度测量实验系统，对比出单磁铁型与多磁铁对称分布型EMAT在不同提离距离上检测信号的变化规律。结果表明，多磁铁对称分布型结构可通过增强EMAT的偏置磁场达到信噪比更优的效果。采用耐高温探头外壳和钐钴磁铁，提高了EMAT探头在高温环境下的检测性能。关键词：电磁超声换能器；厚度测量；高温中图法分类号:TB552文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0427-09DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.022A magnetic field optimized structure electromagnetic acoustictransducer designGOU HaoruiDU YuqiWANG SiyuZHONG TaoGAN Fangji(School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610000,China)Abstract:In order to further enhance the detection capability of electromagnetic ultrasonic testing technologyin the field of pipe thickness measurement,the structure of electromagnetic ultrasonic transducer(EMAT)isoptimized in this paper.A multi-magnet symmetric distribution type EMAT is proposed,which can realizea smaller magnet volume to produce a stronger surface remanent magnetic strength.The influence of eddycurrents on the measurement is solved by using slots on the surface of silicon steel to limit the area of eddycurrent formation.Establishment of thickness measurement experimental system,compared with a singlemagnet type and multi-magnet symmetric distribution type EMAT in different lifting distance on the changerule of the detection signal.The results show that multi-magnet symmetric distribution type structure canbe enhanced through the EMAT bias field to achieve a better signal-to-noise ratio effect.The use of high-temperature resistant probe shell and samarium cobalt magnets improves the detection performance of EMATprobe in high temperature environment.Keywords:Electromagnetic ultrasonic transducer;Thickness measurement;High temperature2023-09-11收稿;2023-12-18定稿四川省应用基础研究基金项目(2021JDRC0090),四川大学研究生培养教育创新改革项目(GSALK20210170)作者简介:苟浩瑞(1997),男,四川雅安人,硕士研究生,研究方向:电磁超声无损检测。通信作者 E-mail:4282024 年 3 月0 引言电磁超声检测是一种非接触式测量管道缺陷与厚度的方法，因为不需要与被测件直接接触而应用领域广于压电超声检测。电磁超声传感器(Elec-tromagnetic acoustic transducer,EMAT)在极端工况条件下的非接触式测量领域具有巨大的应用前景和需求1。目前市面上的EMAT主要是由一个偏置磁场产生源和一个可通过交流电的环形线圈组成，不同结构的EMAT会产生不同波形，包括横向、纵向和剪切导波。然而，EMAT的转换效率太低，导致测量所得信号的信号幅值和信噪比也很低。如何增强EMAT的转换效率一直是国内外学者研究的方向，主要包括增强偏置磁场强度以及优化线圈形状两部分。电磁超声在不同材料被测件中的传导机制有所不同，在非铁磁性材料中洛伦兹力机制占据主导地位。孙斐然等2通过建模换能器结构，分析出了偏置磁场、激励线圈和提离距离等参数对换能效率的影响。在洛伦兹力机制下偏置磁场的大小将直接影响测量过程中接收到的信号幅值大小，且在一定范围内呈现正比例关系。偏置磁场的产生源主要有电磁铁和永磁铁两种。其中电磁铁式存在体积过大、能量消耗多、长时间通电后线圈发烫严重等问题，这些问题限制了其在极端环境下的应用3。永磁铁式通常结构简单、生产成本较低、磁场稳定，此外该磁铁的大小和磁极的方向通常是人为可控的，即EMAT的形状和尺寸可根据实际需求进行改动。现有的EMAT 永磁铁形状有圆柱体形、U形和长方体形等，可适用于不同类型的线圈，因此永磁铁式在实践中获得了较为广泛的应用。目前众多研究表明可以通过增加聚磁的物体以及优化永磁铁的结构来实现增强偏置磁场的强度的目的。在聚磁研究的方向上，Dhayalan等4在永磁铁与线圈之间放置一个软磁带来充当集中偏置磁场的物体。Jian等5提出了在永磁铁与激励线圈中间使用铁氧体的背板来聚集磁通从而使得换能效率提升，且取得了不错的效果，但不明确背板具体的参数。任威平6在针对提高钢板换能效率的研究中指出了层叠硅钢片作为背板的效果要明显优于铁氧体，并验证了硅钢作为导磁材料的有效性，该种层叠硅钢片结构由于需要几十片硅钢片紧密叠加，制作较为困难。在磁铁结构的布置上，Dutton等7设计了两个磁铁相互排斥的结构，在两块磁铁之间的较小区域磁通密度几乎增加了2倍，但超出区域外效果不够理想，应用范围有限。Isla等8设计使用铁氧体作为排斥结构的导磁材料，但在测量过程中存在产生干扰涡流的问题，且铁氧体导磁效果不够好。Jia等9采用一个双螺旋状线圈和内外嵌套的两个永磁铁作为EMAT优化的结构，仿真与实验结果都显示这种结构的EMAT 的信噪比几乎是传统结构的2倍。兰菊等10基于Halbach阵列原理提出了单向表面波电磁超声换能器结构，能够将优化后的磁通密度提升至优化前的1.55倍。唐东林等11也基于Halbach原理提出了永磁体优化结构，使得信号的信噪比为传统结构的1.9倍，但上面三者都具有永磁体结构复杂、在组装上具有一定难度的缺点。在应用领域方面，Urayama等12设计的EMAT探头能够实现在300C高温下的测量，但需要衬底材料隔绝接触。而葛宇航13使用一个励磁线圈激励产生的磁场作为另一个涡流线圈所需要的偏置磁场，实现了300C高温下的测量，该励磁线圈产生的磁场大小与大功率激励电流大小有关。本文提出了一种EMAT优化结构，通过对称分布磁铁使得非所需表面剩磁强度互相抵消，再利用硅钢作为导磁体使该结构只保留所需要的垂直偏置磁场。对称分布结构能让4个具有较弱表面剩磁强度的磁铁产生强表面剩磁强度，从而达到表面剩磁强度增强效果。目前通常选用磁性较强的钕铁硼作为永磁铁材料，但由于其在高温条件下会产生退磁现象，因此在本实验低温部分选用钕铁硼材料，高温部分选用钐钴材料。硅钢具有导磁率高、磁滞损失和涡流损失小等优点而被用作背板材料，再采用在硅钢表面开槽的结构限制涡流的产生区域。通过多物理场仿真软件对涡流形成的区域和EMAT表面剩磁强度进行了仿真。组建了基于此EMAT的整套实验系统，通过对比实验测试该传感器的实用性，同时还与传统单磁铁型EMAT对比了在不同材料上得到的检测信号的优劣。本文可以为未来EMAT的应用提供一定参考。1对称结构EMAT理论背景及仿真分析1.1理论背景由电磁超声产生的原理可知，根据被测件的材料可以将影响机理分为磁致伸缩机理以及洛伦兹第43卷 第2期苟浩瑞等：一种磁场优化结构电磁超声传感器设计429力机理，本文根据被测材料主要讨论影响占比最大的洛伦兹力机理。图1为EMAT关于洛伦兹力机理的示意图。当线圈中导通电流时，线圈周围产生的动态磁场会使得被测件表面感应出方向相反的涡流，带电质子在静态磁感应强度和动态磁感应强度的作用下产生静态和动态的洛伦兹力，从而使得带电质子振动产生超声波，该波在被测件内部进行传播。?EMAT?图1EMAT的洛伦兹力机理的示意图Fig.1Schematic diagram of the Lorentz forcemechanism of EMAT1.2EMAT的结构组成传统的EMAT结构由一个环形线圈与一个磁极方向垂直于线圈的永磁体组成，图2为常见的EMAT结构示意图。这种线圈与偏置磁场相互垂直的EMAT结构，通入激励电流后会产生横波。?SN图2传统EMAT的结构示意图Fig.2Schematic structure of a conventionalEMAT多磁铁对称分布型EMAT示意图如图3所示，主要结构为四个相同的永磁铁，磁极方向为短轴方向，均指向硅钢。硅钢是一种磁导率高的主要成分为铁和硅的合金材料，能够使磁场沿着硅钢体传导，从而减少磁通损失。将永磁铁放置在长条硅钢的四个方向，每一块磁铁都受到另外三块磁铁的排斥合力，磁极方向均指向硅钢，其中硅钢具有汇聚四周磁场沿硅钢传导的作用。磁场沿着硅钢向两头传导，由此获得大部分的偏置磁场以及少部分发散的小角度磁场，此磁场即为此EMAT的偏置磁场，也与线圈相互垂直。?SN?SN(a)?(b)?图3多磁铁对称分布型EMAT示意图Fig.3 Schematic diagram of a symmetrically dis-tributed EMAT with multiple magnets实验中所采用的硅钢为长方体，长宽均为10 mm，高为21 mm，底部开有许多间隔为1 mm、深度为1 mm的长方体凹槽。永磁铁采用钕铁硼材料，长宽均为10 mm，高为20 mm。线圈具有多种形状，例如跑道形、螺旋形、饼形等。本次实验使用柔性电路板(Flexible printed circuit,FPC)加工制成的跑道形线圈，如图4所示。线圈材料选用铜，实际制作的线圈使用绕制工艺，直径为0.26 mm(10.236 mil)，有效作用区域相邻线圈间距为0.52 mm(20.472 mil)，左右两边线圈的中心间距为11.56 mm(455 mil)，线圈匝数为左右各8匝，中心区域整体宽度为7.8 mm(307.08 mil)。线圈采用双层结构，上下层的间距为0.2 mm(7.874 mil)，该结构可以起到增强信号幅值的作用，从而更有利于信号的采集。在组装EMAT探头时，线圈紧贴探头底部，其中间有效作用部分与硅钢开槽处垂直摆放。4302024 年 3 月?SCU图4线圈实物图Fig.4 Coil physical picture1.3多磁铁对称分布型EMAT结构仿真分析在多物理场仿真软件中建立三维静磁场仿真模型，设置材料属性分别如下：永磁铁材料为钕铁硼，硅钢材质为GO3408，被测试块为碳钢和铝。整个仿真模型的尺寸和材料均与实物一致，因此具有实际参考价值。仿真部分主要涉及静磁场学，设置永磁铁为偏置磁场的来源，空气域为模拟的现实环境，计算出永磁铁在空间中的磁场分布。仿真计算磁感应强度大小的模型如图5(a)所示。仿真结果显示探头的磁感应强度分布呈中心向四周递减，在硅钢中心位置磁感应强度最强，强度约为7300 Gs，由红色区域可以看出，在远离硅钢中心方向磁感应强度迅速减小。图5(b)为图5(a)虚线上磁感应强度分布曲线，表明多磁铁对称分布型EMAT在硅钢区域内和区域外的磁感应强度呈较大差异。线圈中心部分的磁感应强度大小决定了线圈激发的洛伦兹力大小，也是最终波形信号的幅值大小。相较于层叠硅钢片传导磁场的方式，使用整块硅钢具有易于加工和组装的优点。但是整块硅钢在测量过程中会在自身表面产生涡流并在内部产生波传播，不仅会影响线圈表面的磁感应强度，还会使仪器接收到错误的干扰回波信号，且当硅钢的长度与被测件厚度相差不大时，将会无法分辨出正确的被测信号，导致测量出错误的结果。如图6所示，本文使用的表面开槽结构硅钢在测量时所产生的涡流形成于槽体突出部分的两侧，不会在硅钢中形成波传播，而未开槽的硅钢底部产生了会影响回波测量的涡流。在制作更方便的基础上不仅实现了导磁的目的，还避免了干扰涡流的产生。22.5 mm52.5 mm7384.26 Gs15202530354045505560010002000300040005000600070008000?/Gs?x?/mmT10387654321?:?(Gs)(a)?(b)?x?BZ?图5探头表面仿真磁感应强度结果Fig.5 Probe surface simulation magnetic induction strength results?(a)?(b)?图6线圈激励产生涡流仿真示意图Fig.6 Schematic simulation of eddy current generation by coil excitation第43卷 第2期苟浩瑞等：一种磁场优化结构电磁超声传感器设计4312 多磁铁对称分布型EMAT实验系统2.1多磁铁对称分布型EMAT实验系统原理框图多磁铁对称分布型EMAT实验系统原理框图如图7所示。实验系统主要由两部分构成，一部分为EMAT，另一部分为自己设计组装的便携式测量仪器，其中仪器由PCB电路板、可触控显示屏幕以及仪器箱构成。EMAT?图7EMAT实验系统原理框图Fig.7 Block diagram of EMAT experiment system针对电磁超声测量所设计的PCB电路板包括激励模块、信号预处理模块、信号转换模块、通信模块和温度传感器模块等，该电路板利用横波测厚原理实现被测件厚度的计算，测得的数据利用串口输出到上位机，经检测具有实验可行性。可通过屏幕控制测量过程中的参数，包括信号增益、材料声速等。2.2多磁铁对称分布型EMAT实验系统图8为EMAT实验系统。测量工作进行时，激励模块激发出高压信号，仪器控制高压信号瞬间导通和关断来实现脉冲激励。电磁超声波在被测件表面由于涡流的产生而被激发，在被测件中传播并反射，多次反射回波产生的感应电流，在信号预处理模块转换为电压信号，经过后续的放大、增益和滤波后，通过模数转换存储到单片机中，再经过串口发送至屏幕显示出最终的波形。实验选用阶梯状的厚度为14.10 mm的铁磁性材料碳钢以及8.14 mm的非铁磁性材料铝，分析对比多磁铁对称分布型EMAT在这两类材料上进行脉冲回波检测时得到的信号幅值和信噪比等参数，再通过对比研究另一种单磁铁型EMAT，从而测试多磁铁对称分布型EMAT的应用效果。单磁铁型EMAT使用相同的钕铁硼磁铁材料，永磁铁长宽均为25 mm，高为37 mm，磁极方向为长轴。相同的磁极材料在磁极方向上同等的距离具有相同的磁感应强度，实际测得两种永磁铁的表面磁感应强度大小相同，都为4500 Gs左右。多磁铁对称分布型EMAT的磁铁的总体积为4 10 mm 10 mm 20 mm=8000 mm3，而单磁铁型EMAT的永磁铁的总体积为25 mm 25 mm 37 mm=23125 mm3，即多磁铁对称分布型EMAT的磁铁体积大约只有单磁铁型EMAT磁铁体积的1/3，其在探头体积和耗材使用上都具有很大的优势。?EMAT?图8EMAT实验系统图Fig.8 EMAT experimental system diagram3结果与讨论3.1检测信号和探头之间的对比关系本文所使用的仪器，采样频率为100 MHz，而激励频率为3 MHz，能够得到每个周期30个点以上且足够清晰的离散波形。高压激励模块产生的高压脉冲幅值为300 V，由12 V电源逐步充电升压产生。在本实验中，由于激励电压幅值相同，在磁感应强度不变的情况下，每次测量出的波形幅值也相同，实验设置相同的信号幅值增益和同种被测件设置相同声速大小来进行两种EMAT优劣的对比分析，使用图8所示的实验测量系统，分别在碳钢和铝试块上进行脉冲回波测厚实验，仅改变被测材料种类，得到的典型检测信号如图9所示。为了对两种EMAT在两种不同材料上所产生的幅值大小和信噪比进行分析，将每次测量的波形数据通过串口发送到上位机电脑进行数据处理。由于被测件厚度相同，波形的两个相邻波峰之间4322024 年 3 月的距离一致，与探头的种类无关，因此相位也是一致的。脉冲回波测厚实验得到的结果显示，多磁铁对称分布型EMAT在碳钢和铝板上的信噪比良好，能够清晰分辨出两个回波的峰值，且多磁铁对称分布型EMAT在这两种材料上得到的波包幅值水平更高、干扰波的幅值更低，信噪比更优。即可得出多磁铁对称分布型EMAT优于单磁铁型EMAT的结论。?/mV?/mV?/mV?/mV(a)?(b)?08316624901000200030004000083166249?/?/?08316624901000200030004000083166249?EMAT?EMAT?EMAT?EMAT图9两种EMAT的信号测量结果Fig.9 Signal measurements for both EMATs由洛伦兹力机制可知，幅值和信噪比产生差异的原因，主要是两种探头在线圈产生感生涡流的有效作用区域内的偏置磁场强度不同，信号幅值大小与偏置磁场强度呈正相关，多磁铁对称分布型EMAT将四个磁铁的磁极方向由水平转为竖直，增大了垂直线圈方向上的磁感应强度，从而增强了信号幅值。而由于噪声主要来源于硬件设备，值相对固定，经过相同增益放大后，信号幅值越大则信噪比越高。3.2检测信号与提离距离之间的对比关系不同的提离距离会使得有效作用区域内的磁感应强度变化，造成波的强度也随之变化。提离距离越大，有效作用区域内的磁感应强度逐渐衰减，因此信号幅值也越小，相对应的信噪比也会随之降低，这是提离距离造成检测信号质量减弱的主要原因。在碳钢及铝板上研究提离距离对于两种探头产生的信号幅值大小的规律，选用提离值分别为0 mm、0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm作为参考距离，同样设置相同的信号幅值增益和同种被测件设置相同声速大小，图10为测量所得回波信号数据。为了定量对比，以实际信号幅值为零时作为基准，将一次回波的幅值信号作为参考，两种EMAT在相同实验条件下所得到的信号幅值与提离距离的关系图如图11所示。两种EMAT的检测信号幅值都呈现出提离距离越大，检测信号幅值越小的反函数关系，两者变化的规律基本一致。两者的信号幅值为多磁铁对称分布型EMAT高于单磁铁型EMAT，且图10中可明显看出前者的信噪比优于后者。即可以得出多磁铁对称分布型EMAT的提离效果优于单磁铁型EMAT的结论。多磁铁对称分布型EMAT在碳钢材料上提离0.6 mm时幅值下降至80%，而在铝材料上则下降至64%。3.3检测信号与高温的关系为了探究多磁铁对称分布型EMAT在高温条件下的工作情况，本文模拟高温现场的实验环境，搭建了如图12所示的高温测量系统，该系统由高温加热炉、测量仪器、多磁铁对称分布型EMAT、温度显示器和被测件构成。第43卷 第2期苟浩瑞等：一种磁场优化结构电磁超声传感器设计4330831662490831662490831662490100020003000400008316624908316624908316624908316624901000200030004000083166249083166249083166249083166249010002000300040000831662490 mm?/?/?/?/?/mV?/mV?/mV?/mV0.2 mm0.4 mm0.6 mm08316624908316624908316624901000200030004000083166249(a)?EMAT?(c)?EMAT?(b)?EMAT?(d)?EMAT?0 mm0.2 mm0.4 mm0.6 mm0 mm0.2 mm0.4 mm0.6 mm0 mm0.2 mm0.4 mm0.6 mm图10两种EMAT在不同提离距离的测量结果Fig.10 Measurements of two EMATs at different lift-offdistances00.20.40.60102030405060708090100110120?/mm?/mm?/mV00.20.40.60102030405060708090100110120?/mV(a)?(b)?图11两种EMAT信号幅值与提离距离的关系Fig.11 Relationship between the amplitude of the two EMAT signals and the lift-offdistance4342024 年 3 月将多磁铁对称分布型EMAT中的磁铁改为钐钴磁铁，因为钕铁硼永磁铁在高温环境下受永磁铁居里点的影响会产生退磁的现象，常规的高温EMAT选用耐高温但是表面剩磁强度弱于钕铁硼的钐钴磁铁，但其在高温条件下的实际测量效果较差。将线圈材料改为耐高温的PCB基材，整个探头可承受的温度达350C以上。被测材料同样为碳钢和铝，分别将这两种材料进行加热，将温度显示器的铂电阻探头紧贴待测台阶，被测件选用12.05 mm的铁磁性材料碳钢以及8.14 mm的非铁磁性材料铝。测量时EMAT和温度探头保持较近距离，以保证此时探头测量温度的准确性，两者之间相差的温度对最后的测量影响不大，实际测量处温度稍高于温度计显示温度，但可忽略不计。?图12高温实验系统图Fig.12 High temperature experiment system diagram实验系统在300C高温下测得的碳钢厚度为12.765 mm，相比常温下测得的结果增加了约0.72 mm，这主要是因为被测件的声速由常温下的3242 m/s变为了高温下的3087 m/s，而计算时使用的声速为常温下的值，可通过校正计算得到正确的厚度值。表1为部分声速数据，其来源于美国Innerspec公司生产的高精度电磁超声检测仪，且数据经过公司长期检验证明了可靠性。图13为多磁铁对称分布型EMAT在300C温度下在碳钢和铝板上的波形测量结果。高温下测得的波形数据与常温下测试得到的结果相比，前者的信噪比低于后者，噪声波形相对较明显。主要原因是高温条件下，永磁铁产生的磁场受到高温的影响较大，磁感应强度大幅减弱，从而使得接收到的回波信号幅值也减弱。该多磁铁对称分布型EMAT的设计结构使得磁感应强度得到提升，即使受到较大噪声的影响也能测得实际的管道厚度，从而满足高温条件下的工作要求，后续设计可通过更换更强的磁铁材料以及增大激励电压来得到更优的信号。表1不同温度下碳钢和铝的部分声速Table 1 Velocity of sound at different tem-peratures for carbon steel and aluminum碳钢横波(TM-MC-SH-1-50mm)铝横波(TM-HC-SH-1-50MM)温度/C声速/(mms1)温度/C声速/(mms1)203.242203.1561003.1971003.111.2003.1412003.0573003.0873003.00401000200030004000050100150200250?/mV?/?(a)?(b)?/?0 mm0 mm01000200030004000050100150200250?/mV图13300C时多磁铁对称分布型EMAT的信号测量图Fig.13Signal measurement plot of a multi-magnetsymmetrically distributed EMAT at 300C4结论本文研究了一种多磁铁对称分布型EMAT，该探头由跑道形结构收发一体化线圈、硅钢和四个永磁铁构成，与自主设计的仪器、电脑上位机和被测第43卷 第2期苟浩瑞等：一种磁场优化结构电磁超声传感器设计435件一起组建了完整的检测实验系统，测试验证了该探头的实用性。在碳钢和铝材料上使用多磁铁对称分布型EMAT和单磁铁型EMAT进行测试，提取出信号特征，通过对比信号幅值的大小以及提离后的信噪比来判断两种探头的优劣性。主要得出以下结论：(1)本文所研究的多磁铁对称分布型EMAT在实际测量中，能够在碳钢和铝材料上都取得良好的可分辨信号波形以及较高的信噪比，验证了该种传感器在实际应用中的可行性。且多磁铁对称分布型EMAT的信号质量要优于单磁铁型EMAT，信噪比也要优于后者，波形直观上也更具有对比性。提离距离对信号幅值有较大的影响，EMAT提离0.6 mm时碳钢材料上的信号幅值会下降至80%，而在铝材料上会下降至64%。(2)该探头中的硅钢使用表面开槽结构解决了干扰涡流对测量的影响，既实现了导磁的目的，又避免接收到错误的信号，且在结构具有组装上更简单的优点。(3)本文中的多磁铁对称分布型EMAT能够实现在300C高温下的测量，验证了多磁铁对称分布型结构提升磁感应强度的有效性，为未来高温探头的进一步研究提供了参考性。参考文献1 张勇,陈强,孙振国,等.用于无损检测的电磁超声换能器研究进展J.无损检测,2004(6):275279.Zhang Yong,Chen Qiang,Sun Zhenguo,et al.Devel-opment of research on electromagnetic acoustic trans-ducer for nondestructive testingJ.Nondestructive Test-ing,2004(6):275279.2 孙斐然,孙振国,张文增,等.基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化 J.机械工程学报,2016,52(6):1221.Zhang Feiran,Sun Zhenguo,Zhang Wenzeng,et al.Re-view of modeling method and optimum design of emattransmitters based on lorentz principleJ.Journal of Me-chanical Engineering,2016,52(6):1221.3 郑阳,李智航,张宗健,等.基于吸盘式脉冲电磁铁的 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