脈沖電磁式EMAT-渦流檢測(cè)復(fù)合系統(tǒng)的研究*

張金陽(yáng)，劉 倩，王 珅，劉云鵬，淡 勇，武 瑋

（1.西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069；2.中化化工科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100083）

0 引 言

金屬材料在長(zhǎng)期工業(yè)應(yīng)用中易出現(xiàn)裂縫、腐蝕、破損等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故，因此對(duì)其定期檢測(cè)與安全防護(hù)具有重要意義［1，2］。電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）檢測(cè)技術(shù)是基于電磁耦合原理的超聲波檢測(cè)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)磁體與線圈結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生不同類型的超聲波，在無(wú)需耦合介質(zhì)的條件下，能直接用于未進(jìn)行表面處理的結(jié)構(gòu)，也適用于高溫或快速運(yùn)動(dòng)等惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)［3～6］。其中超聲橫波檢測(cè)靈敏度較高，適用于缺陷檢測(cè)和厚度測(cè)量，但對(duì)試樣近表面存在盲區(qū)，無(wú)法全面反映試樣情況。渦流檢測(cè)（eddy current testing，ECT）通常采用線圈作為檢測(cè)傳感器，但由于存在趨膚效應(yīng)［7～9］，感應(yīng)渦流隨深度增加而快速衰減，所以渦流檢測(cè)適用于試樣表面或近表面，但對(duì)試樣深處的檢測(cè)靈敏度較低。

上述兩種檢測(cè)技術(shù)均存在各自的局限性，通過(guò)結(jié)合多種檢測(cè)方法，可以彌補(bǔ)單一檢測(cè)的缺點(diǎn)，從而提高檢測(cè)的全面性和可靠性。Edwards R等人［10］將EMAT的激勵(lì)和檢測(cè)部分固定在脈沖渦流探頭兩側(cè)，設(shè)計(jì)了一種組合檢測(cè)的雙探頭結(jié)構(gòu)，能有效評(píng)估表面和近表面缺陷。Uchimoto T 等人［11］研究了一種用于壁厚減薄的EMAT-EC 雙探頭，發(fā)現(xiàn)其在檢測(cè)管壁減薄方面具有互補(bǔ)作用。Xie S等人［12］開(kāi)發(fā)了EMAT-PECT混合無(wú)損檢測(cè)方法，提出了信號(hào)分離和提取方法。然而關(guān)于復(fù)合檢測(cè)的研究主要將兩種檢測(cè)系統(tǒng)組合為一體化裝置，其中使用同一傳感器的復(fù)合方法研究較少。此外EMAT的研究設(shè)計(jì)多采用永磁體建立偏置磁場(chǎng)，但是永磁體體積和質(zhì)量較大，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中存在的磁力作用，檢測(cè)探頭移動(dòng)困難，難以應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)環(huán)境。為了克服永磁體的限制，采用脈沖電磁鐵替換永磁體能有效提高檢測(cè)效率。Hernandez-Valle F等人［13］開(kāi)發(fā)了用于高溫檢測(cè)的脈沖電磁鐵結(jié)構(gòu)EMAT，顯著增強(qiáng)了超聲橫波的信號(hào)振幅。Pei C 等人［14］利用脈沖電流驅(qū)動(dòng)線圈代替永磁體，在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生了現(xiàn)有永磁體無(wú)法產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。因此，用脈沖電磁體代替永磁體具有顯著的實(shí)際意義。

本文設(shè)計(jì)了脈沖電磁式EMAT-ECT復(fù)合傳感器，采用具有可控性的脈沖電磁體提供背景磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的通斷和大小以控制磁場(chǎng)的有無(wú)和強(qiáng)弱，提供比永磁體更強(qiáng)的磁場(chǎng)，而且具有減輕傳感器重量，便于移動(dòng)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。首先，對(duì)渦流方法和電磁超聲方法的復(fù)合機(jī)理進(jìn)行理論分析，說(shuō)明復(fù)合檢測(cè)結(jié)構(gòu)的可行性；隨后，建立EMAT-渦流二維有限元模型，仿真分析了磁場(chǎng)與聲場(chǎng)分布特征，以及缺陷的不同參數(shù)對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響；最后，分析了傳感器檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)效率的影響因素，確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 EMAT-ECT理論模型

復(fù)合傳感器由鐵芯、勵(lì)磁線圈和渦流線圈組成，其基本結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理如圖1所示。勵(lì)磁線圈繞在鐵芯上構(gòu)成脈沖電磁體部分，以提供周期性的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)；渦流線圈放置在鐵芯正下方，為自發(fā)自收型的螺旋線圈，以產(chǎn)生渦流，并接收缺陷引起的變化信號(hào)。

圖1 復(fù)合檢測(cè)傳感器示意

當(dāng)勵(lì)磁線圈中加載持續(xù)數(shù)毫秒的矩形脈沖電流J1時(shí)，根據(jù)安培定理和法拉第定理，該電磁現(xiàn)象的場(chǎng)方程為［15］

式中μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率，A1為勵(lì)磁線圈的感應(yīng)磁矢勢(shì)。由于J1隨時(shí)間的變化量很小，故忽略該式中的第二項(xiàng)，勵(lì)磁線圈的主要作用是將線圈中的電流轉(zhuǎn)換為偏置磁場(chǎng)Bs

渦流線圈中加載交變電流J2后的場(chǎng)方程表示為

式中A2為渦流線圈的感應(yīng)磁矢勢(shì)，J2為微秒（μs）級(jí)的交變電流，因此該式中隨時(shí)間變化的第二項(xiàng)占主導(dǎo)，渦流線圈的作用是將線圈中的電流轉(zhuǎn)換為試樣中的感應(yīng)渦流，表示為

在試樣中，渦流密度由表面向內(nèi)部呈指數(shù)規(guī)律衰減。一方面，若試樣存在表面缺陷，則渦流分布受到擾動(dòng)，變化的渦流信號(hào)反映出缺陷情況；另一方面，感應(yīng)渦流在偏置磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生洛倫茲力fL

試樣中的質(zhì)點(diǎn)受該力的作用而振動(dòng)，以波的形式傳播，即洛倫茲力機(jī)理下超聲波的發(fā)射過(guò)程。隨后超聲波在缺陷處或試樣底部發(fā)生反射，回波信號(hào)傳播到線圈附近時(shí)，在偏置磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電流JL，表示為

式中v為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度。隨后動(dòng)態(tài)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被線圈接收，反映試樣的內(nèi)部情況，該過(guò)程即為一個(gè)檢測(cè)周期。

2 有限元建模

2.1 幾何模型

本文采用多物理場(chǎng)耦合有限元方法建模和仿真分析，并對(duì)復(fù)合傳感器的檢測(cè)能力進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證。該傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其磁場(chǎng)分布和聲場(chǎng)傳播具有對(duì)稱性和規(guī)律性，為降低計(jì)算量并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立如圖2（a）所示的二維有限元模型。

圖2 仿真模型示意

勵(lì)磁線圈的匝數(shù)為50匝，電流峰值為200 A，鐵芯選擇低損耗，高磁感的硅鋼材料，線圈材質(zhì)為銅，其物理參數(shù)如表1。渦流線圈的激勵(lì)電流頻率為2 MHz，橫波在鋁板中的傳播速度約為3 100 m／s，波長(zhǎng)約為1.55 mm，對(duì)線圈和鋁板部分做細(xì)化網(wǎng)格處理以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)置其網(wǎng)格大小為波長(zhǎng)的1／10，模型的網(wǎng)格劃分如圖2（b）。采用磁場(chǎng)模塊分析磁場(chǎng)分布和渦流過(guò)程，固體力學(xué)模塊模擬超聲波的產(chǎn)生與傳播過(guò)程。

表1 材料物理參數(shù)

2.2 磁場(chǎng)分布

脈沖電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布如圖3（a），試樣表面處的磁通密度分布如圖3（b），其中，Bx為水平磁通密度，By為垂直磁通密度。渦流線圈區(qū)域的水平磁通密度趨于0，主要為垂直方向的磁通密度，因此試樣內(nèi)產(chǎn)生了水平方向的洛倫茲力，從而激發(fā)了沿厚度方向傳播的超聲橫波。

圖3 脈沖磁場(chǎng)分布特征

2.3 聲場(chǎng)分布

聲場(chǎng)分布反映了鋁板中的渦流與超聲波分布情況，以及存在缺陷時(shí)的渦流與超聲波變化情況，如圖4 所示。當(dāng)試樣表面無(wú)缺陷時(shí)，感應(yīng)渦流均勻分布在線圈下方范圍（圖4（a）），受趨膚效應(yīng)的影響，感應(yīng)渦流主要集中在試樣的近表面區(qū)域。當(dāng)存在表面缺陷（矩形空氣腔）時(shí)，如圖4（b），由于鋁板阻抗小于空氣阻抗，電流受到的阻力改變，從而改變了感應(yīng)電流的路徑，渦流分布產(chǎn)生明顯擾動(dòng)，由此可以確定缺陷尺寸與位置。

圖4 感應(yīng)渦流分布和超聲波位移

圖4（c）為試樣內(nèi)的超聲波位移分布圖，在試樣內(nèi)產(chǎn)生了沿厚度方向傳播的橫波和小部分干擾縱波，其中橫波傳播速度遠(yuǎn)小于縱波，檢測(cè)靈敏度更高。圖4（d）為存在缺陷時(shí)的超聲波位移變化情況，超聲波在缺陷的上表面處反射，根據(jù)回波反映出內(nèi)部的缺陷情況，其余超聲波傳播至試樣底部后反射，由底部回波時(shí)間可以計(jì)算試樣厚度。

3 結(jié)果與討論

3.1 檢測(cè)信號(hào)的特征分析

3.1.1 渦流檢測(cè)結(jié)果

為研究不同位置、尺寸的缺陷對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，分別設(shè)置缺陷的不同參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，圖5 為表面缺陷深度和寬度變化時(shí)的渦流響應(yīng)結(jié)果，其中插圖為電壓峰值變化。圖5（a）的模擬表面缺陷參數(shù)如下：寬度為5 mm，高度為0.2 mm，深度D＝0.2／0.3／0.4／0.5 mm，結(jié)果表明：檢測(cè)電壓的峰值隨缺陷的深度增加而增大，但電壓峰值增加的幅度隨深度增加而降低，即深度增加到一定值后，檢測(cè)靈敏度下降，與趨膚效應(yīng)一致。圖5（b）為表面缺陷寬度變化的渦流響應(yīng)結(jié)果，模擬缺陷高度為0.2 mm，深度為0.2 mm，寬度W＝2／4／6／8 mm，結(jié)果表明：缺陷寬度增加，檢測(cè)電壓峰值隨之增大，但其峰值增幅遠(yuǎn)不及缺陷深度，由此可以對(duì)比缺陷尺寸。

3.1.2 EMAT檢測(cè)結(jié)果

圖6（a）為內(nèi)部缺陷深度變化時(shí)的超聲波響應(yīng)結(jié)果，設(shè)置缺陷寬度為5 mm，高度為0.4 mm，深度D＝5／10／15／20 mm，其中，S1～S4為不同深度缺陷的橫波回波信號(hào)，缺陷使接收電壓產(chǎn)生變化，并且根據(jù)回波的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算了缺陷位置，如表2所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際距離的誤差不超過(guò)5%，說(shuō)明該傳感器能準(zhǔn)確定位缺陷。圖6（b）為缺陷寬度變化時(shí)的響應(yīng)結(jié)果，設(shè)置缺陷高度為0. 4 mm，深度為15 mm，寬度W＝3／5／7／9 mm，S5為不同寬度缺陷的橫波回波信號(hào)，結(jié)果表明：檢測(cè)電壓峰值隨寬度增加而增大，底部回波的電壓峰值隨之減小，而缺陷寬度不變時(shí)，底部回波幅值不變，以此確定缺陷的尺寸，此外圖中L波為試樣底部的縱波回波，縱波比橫波快1倍，該結(jié)果符合聲波傳播理論。

表2 檢測(cè)結(jié)果靈敏度

3.2 傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 勵(lì)磁線圈

為了抑制縱波干擾，提高檢測(cè)精度，本文通過(guò)增加勵(lì)磁線圈內(nèi)徑改變?cè)嚇颖砻娲磐芏确植?，擴(kuò)大By的作用范圍，減小Bx在渦流線圈作用區(qū)域產(chǎn)生的影響。圖7（a）為試樣表面下方1 mm處的磁通密度分量隨線圈內(nèi)徑增加的變化情況，結(jié)果表明：中心軸x＝0 附近，Bx趨于0，該區(qū)域渦流線圈幾乎不受水平方向的磁場(chǎng)影響，而在其兩側(cè)位置，當(dāng)線圈內(nèi)徑為15mm 時(shí)，Bx／By＝0.66，隨著線圈內(nèi)徑增加到19 mm，Bx／By＝0.37，故能有效抑制縱波。勵(lì)磁線圈內(nèi)徑與試樣底部回波的橫縱波比的關(guān)系如圖7（b），隨著線圈內(nèi)徑的增加，縱波分量減少，故在保證磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，適當(dāng)增加線圈內(nèi)徑有利于提高檢測(cè)精度。

圖7 不同勵(lì)磁線圈內(nèi)徑的結(jié)果影響

3.2.2 提離距離

磁體和渦流線圈的提離距離也是影響檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因素。磁通密度分量隨磁體提離距離變化的關(guān)系如圖8（a），磁通密度隨提離距離的增大而減小，當(dāng)提離距離較小時(shí)，By在兩側(cè)有明顯的局部峰值，中心軸處的By值較小，隨著提離距離的增加，By的局部峰值快速減小，分布趨于均勻，因此適當(dāng)增加磁體的提離距離有利于鐵芯下方的垂直磁通密度均勻分布。

圖8 不同提離距離的結(jié)果影響

通常在參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，定義檢測(cè)靈敏度為

式中Vdefect為有缺陷時(shí)的渦流響應(yīng)信號(hào)，Vnodefect為無(wú)缺陷時(shí)的渦流響應(yīng)信號(hào)，ΔV為響應(yīng)差分信號(hào)的最大值，該值用來(lái)衡量檢測(cè)靈敏度。圖8（b）為渦流線圈提離距離改變后的檢測(cè)靈敏度變化，當(dāng)提離距離小于0.8 mm時(shí)，檢測(cè)靈敏度變化不明顯；當(dāng)提離距離大于0.8 mm時(shí)，檢測(cè)靈敏度顯著減小。因此，將提離距離調(diào)整至0.4 mm左右時(shí)，不僅可以滿足非接觸的檢測(cè)需求，也保證了檢測(cè)靈敏度。

4 結(jié) 論

本文將基于電磁感應(yīng)原理的EMAT和渦流檢測(cè)方法相結(jié)合，并提出脈沖電磁體替換傳統(tǒng)永磁體的改進(jìn)設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

1）該復(fù)合傳感器能夠激發(fā)用于檢測(cè)表面缺陷的渦流信號(hào)和檢測(cè)深層缺陷的超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)范圍的互補(bǔ)；缺陷檢測(cè)結(jié)果表明該傳感器具有良好的檢測(cè)靈敏度，能準(zhǔn)確反映缺陷的尺寸和位置，并且對(duì)比響應(yīng)時(shí)間和幅值可以區(qū)分兩種接收信號(hào)。

2）增加勵(lì)磁線圈內(nèi)徑能擴(kuò)大垂直磁通密度的作用范圍，抑制干擾縱波，提高檢測(cè)精度；磁體提離距離為2 mm左右，渦流線圈提離距離為0.4 mm左右，有利于保證檢測(cè)靈敏度。