康宜華 涂 君 楊 蕓 劉姚瑤

(華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引言

電磁超聲技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域出現(xiàn)的一項新技術(shù)，國際上從20世紀(jì)60年代末便已開始進(jìn)行這方面的研究。我國對于電磁超聲技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，主要以北京冶金鋼鐵研究總院張廣純?yōu)榇韀1－4]。

電磁超聲探頭是通過電磁耦合方法產(chǎn)生和接收超聲波，與常規(guī)壓電超聲探頭相比，它具有精度高、非接觸性、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，從而在工業(yè)自動化壁厚連續(xù)測量中具有明顯的優(yōu)勢[5－7]。然而，電磁超聲探頭的換能效率較低，需要設(shè)計大功率脈沖電源[8－10]，同時，還必須設(shè)計高靈敏度濾波放大電路[1，11－12]，確保回波信號具有較高的信噪比。這樣大大增加了技術(shù)難度和開發(fā)成本，難以在現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)中得到普及。

為此，本文提出一種新的方法，采用常規(guī)壓電超聲儀，配置合適的電路轉(zhuǎn)換模塊，對自制電磁超聲探頭進(jìn)行激勵和接收超聲波，從而較好地解決了以上兩方面的難點(diǎn)，簡易方便地實現(xiàn)了電磁超聲測厚功能。

1 電磁超聲探頭優(yōu)化設(shè)計

1.1 電磁超聲測厚基本原理

電磁超聲測量原理如圖1所示。

圖1 電磁超聲測厚原理圖Fig.1 Principle of electromagnetic ultrasonic thickness measurement

對置于被測金屬工件表面的線圈通以交變電流I，產(chǎn)生交變磁場，同時在工件趨膚層感應(yīng)出渦流。若在線圈上再增加一個垂直于工件表面的磁場B，將會在工件內(nèi)產(chǎn)生洛倫茲力FL，使其內(nèi)部自由電子高速運(yùn)動，并與晶格離子發(fā)生碰撞，引起質(zhì)點(diǎn)振動，產(chǎn)生超聲波。

另外，交變磁場和外加磁場共同作用還會產(chǎn)生磁致伸縮力FM，也能產(chǎn)生超聲波。聲波向下傳播遇到工件底面后被反射回來，回波在磁場中產(chǎn)生渦流并被線圈接收。接收到的微弱信號經(jīng)由前置放大器放大后，可以用示波器進(jìn)行觀察。通過計算超聲波在工件上下表面間傳播的時間，即可換算得到工件的厚度。

1.2 增強(qiáng)型電磁超聲探頭設(shè)計

根據(jù)電磁超聲測厚原理，獲得較強(qiáng)回波信號有三條途徑：①增大直流磁場的強(qiáng)度，主要是永久磁鐵的強(qiáng)度;②提高檢測線圈的匝數(shù);③提高前置放大器的增益[13]。

一般地，電磁超聲的換能效率比壓電超聲低40 dB左右，其回波信號會比較弱[14]，因此第三條途徑很難奏效。這是因為在提高放大倍數(shù)的同時，噪聲信號也會隨之增大，信噪比差。因此，有必要采用常規(guī)壓電超聲儀，通過對電磁超聲探頭的優(yōu)化設(shè)計，最大限度地增強(qiáng)回波信號，從而實現(xiàn)電磁超聲測厚的工程應(yīng)用。

1.2.1 檢測線圈參數(shù)特征

檢測線圈采用漆包線手工繞制而成，線圈參數(shù)直接影響到信號強(qiáng)度。在電磁超聲測厚方法的實施中，增加檢測渦形線圈的匝數(shù)有利于提高回波檢測信號的感應(yīng)電壓。但在有限的空間范圍內(nèi)，匝數(shù)的增加是有限的，且此時的線圈還是一個功率部件，承擔(dān)著激勵出強(qiáng)渦流的功能，因而減小線徑、增加匝數(shù)與提高激勵電流、增強(qiáng)驅(qū)動功率之間存在著矛盾。為了得到最佳的線圈參數(shù)，開展了以下試驗研究。

①線圈形狀對檢測信號的影響

采用Φ0.2 mm線徑的漆包線，繞制不同形狀的平面線圈，有圓盤型、橢圓型、矩形、跑道型。線圈成品采用3M雙面膠粘接在厚度為0.3 mm的兩層高耐磨性POM(聚甲醛)片之間，用于檢測壁厚為12.5 mm的鋼板。采用橫波激勵方式，選用永磁鐵提供偏置磁場，磁化方向垂直于鋼板表面(后述的試驗均采用該方式)。

試驗結(jié)果表明，矩形和跑道型線圈沒有激勵出超聲波，而圓盤型和橢圓型線圈均可以得到測厚回波信號。由于繞制橢圓型線圈重復(fù)性較差，而且圓盤型線圈得到的回波信號明顯優(yōu)于橢圓型線圈，故本文采用圓盤型線圈進(jìn)行后續(xù)對比試驗。

②線圈匝數(shù)對檢測信號的影響

試驗分別在 Ф180 mm鋼管、Ф220 mm鋼管和Ф256 mm鋼管上進(jìn)行，檢測線圈外徑分別為：Ф10 mm、Ф13 mm、Ф16 mm、Ф18 mm、Ф25 mm、Ф30 mm，將第二次反射回波的信噪比進(jìn)行對比，得到試驗結(jié)果如表1所示。

試驗表明，隨著線圈外徑的增加，回波信號愈加明顯。然而，外徑過大也會因渦流分散而引起信噪比大幅衰減，這與前面的判斷是一致的。另外，采用同一種線圈時，鋼管外徑越大，測厚效果愈佳。由于線圈與鋼管表面不能完全貼合，兩側(cè)存在間隙，并且隨著曲率的增大，其間隙也會不斷變大，從而造成鋼管表面渦電流減弱。同時，該區(qū)域內(nèi)磁力線密度也隨之減小。

表1 不同線圈匝數(shù)下的信噪比對比結(jié)果Tab.1 Comparison of the S-N ratios under different numbers of coil turns

③提離高度對檢測信號的影響

在自動化測量以及高溫測量中，為避免探頭磨損和發(fā)熱，電磁超聲探頭與檢測材料必須是非接觸的。然而，檢測線圈與工件間的間隙過大，會導(dǎo)致信號幅值大幅度衰減。

通過試驗測試，當(dāng)提離高度在0.3～0.6 mm之間變化時，測厚回波信噪比從18 dB迅速衰減到9.5 dB;當(dāng)提離間隙繼續(xù)增加時，幾乎難以觀察到回波。因此，在檢測過程中應(yīng)盡量減少間隙值。本文在設(shè)計探頭時，采用0.3 mm厚的POM片作為耐磨層，可以較好地解決耐磨和減小間隙的問題。

為確保探頭產(chǎn)生的超聲波只沿工件方向傳播，即消除探頭在永磁鐵內(nèi)產(chǎn)生的超聲波，必須采用屏蔽層。由分析可知，提高線圈與磁鐵間隙即可。另外，選擇一種逆磁材料也可以達(dá)到同樣的目的。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，選用銅片可以起到這種作用，該探頭最終采用0.2 mm薄銅片作為屏蔽層。

1.2.2 增強(qiáng)直流磁場的優(yōu)化設(shè)計

在電磁超聲測厚技術(shù)中，外加穩(wěn)恒磁場可以由永磁鐵、電磁鐵或脈沖磁鐵產(chǎn)生。由單一的永磁鐵提供的磁場強(qiáng)度很難達(dá)到很大，因此，采用增強(qiáng)直流磁場的方式是提高回波信號幅度最直接的方法。

①單一永磁磁化的對比試驗

為了消除永磁鐵內(nèi)產(chǎn)生的超聲波，磁鐵與線圈之間存在一定間隙，因而開放的永磁磁路有效強(qiáng)度是有限的。試驗研究了三種永磁磁化方式對測厚回波信號的增強(qiáng)作用，對比試驗結(jié)果如圖2所示。其中，圖2(a)為在三種不同牌號的磁鐵下進(jìn)行試驗得到的曲線;圖2(b)為采用周向聚磁方式，通過增大磁鐵的截面積得到的曲線;圖2(c)為采用單方向聚磁方式，通過增加磁鐵個數(shù)達(dá)到提高線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度的目的，從而得到的一組信噪比隨磁鐵個數(shù)變化的曲線。

圖2 永磁磁化方式的對比試驗結(jié)果Fig.2 Comparison of experimental results for three magnetized modes and permanent magnet(PM)

試驗結(jié)果表明，提高永久磁鋼的磁能積，或增大磁鐵的截面積和厚度，對于增強(qiáng)測厚效果的貢獻(xiàn)均有限。

②聚磁磁化的對比試驗

為加深磁化穿透深度，采用如下兩種方式進(jìn)行試驗：上下穿透法和回磁通法，如圖3所示。其中m和n分別代表磁鐵的個數(shù)。

圖3 永磁聚磁磁化方法示意圖Fig.3 Schematic of two accumulating magnetic methods

試驗結(jié)果如圖4所示，其中序號為2的結(jié)果是采用回磁通法檢測得到，其余3個結(jié)果則是采用上下穿透法檢測得到。由圖4可以看出，采用這兩種磁化方式效果仍然有限。

圖4 永磁聚磁磁化方法試驗結(jié)果Fig.4 Experimental result of accumulating magnetic methods

③永磁加直流磁化方式

采用兩種磁化方式進(jìn)行疊加相當(dāng)于并行強(qiáng)化磁場。在永磁鐵下方增加一套通以直流電的勵磁機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)鋼管表面的磁化強(qiáng)度。勵磁機(jī)構(gòu)采用生鐵做鐵芯，在其上用線徑為1.5 mm的漆包線進(jìn)行繞制作為勵磁線圈，匝數(shù)為1 000，給勵磁線圈通以最高30 V的直流電。當(dāng)鐵芯與永磁鐵間間隙為20 mm時，信噪比最高可以達(dá)到19 dB。另外，在增加直流磁化時，將鐵芯加工成錐形的聚磁結(jié)構(gòu)，對于輔助磁化的效果更為明顯。

通過以上試驗可以看出，這幾種方法均通過提高磁場強(qiáng)度以及優(yōu)化磁化方式來加強(qiáng)測厚回波信號幅度。其中，方法①是采用單方向聚磁或者周向聚磁的方式加強(qiáng)表面磁化強(qiáng)度，方法②是用永磁鐵實現(xiàn)單方向并行磁化，通過改變聚磁磁路的方式來提升有效磁場強(qiáng)度。這兩種方法對于強(qiáng)化測厚效果是有限的。而方法③是利用永磁加直流磁化實現(xiàn)并行磁化，相比較前兩種方法，方法③能夠較大程度地提高電磁超聲測厚效果。

2 轉(zhuǎn)換器設(shè)計

系統(tǒng)采用常規(guī)探傷儀作為電磁超聲探頭的激勵與接收部分?？紤]到壓電式超聲探頭為容性負(fù)載，常規(guī)探傷儀為其提供大電壓，而電磁超聲探頭屬于感性負(fù)載，需要大電流大功率，故需要一個轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)從大電壓到大電流的轉(zhuǎn)化，同時實現(xiàn)阻抗匹配。設(shè)計的轉(zhuǎn)換器電路如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換器電路Fig.5 Converter circuit

其中，高壓脈沖輸出的信號取自友聯(lián)PXUT-27(350C)發(fā)射端口，脈沖峰值為400～800 V，脈寬為100 ns，脈沖頻率為20 MHz，重復(fù)頻率為100 Hz。電磁超聲線圈為自制圓盤型線圈，電感值為14.45 μH。

設(shè)計轉(zhuǎn)換器電路時，利用R、L、C元件，盡量做到電阻部分負(fù)載和前級相等，電抗部分感性和容性抵消，實現(xiàn)與超聲儀本身輸出的匹配以及與后級電磁超聲探頭的匹配，使得探頭上獲得最大功率。

3 結(jié)束語

本文采用常規(guī)壓電超聲測厚儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁超聲測厚系統(tǒng)，避免了設(shè)計大功率脈沖電源和高靈敏度放大器，從體積和質(zhì)量上進(jìn)行了縮減;并成功研制了用于連接常規(guī)探傷儀和電磁超聲測厚探頭的轉(zhuǎn)換器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了增強(qiáng)型電磁超聲測厚探頭。便攜式電磁超聲測厚裝置的成功研制具有較為廣闊的應(yīng)用前景，可以更好地實現(xiàn)工業(yè)測厚的需求。

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