电磁声换能器的设计与应用
发布时间：2017-09-01
换能器是将一种形式的能量与另一种形式的能量相互转换的装置。在常规超声波检测中所用的换能器是一种压电材料做成的压电晶体,它是将机械能与电能相互转换的装置。然而,常规超声波检测在检测中有诸多的局限性,如需要耦合介质、接触检测等等。电磁声换能器(Elector-magnetic AcousticTransducer-EMAT)是一种新型的超声发射接收装置。它具有非接触检测、不需要耦合介质、可应用于自动、高速检测、远距离危险环境下的检测、高温状态的检测等特点。因此,研究电磁声换能器对于实际检测工作具有十分重大的意义。
1EMAT的基本原理
如图1所示,洛仑兹力(Lorentz)式EMAT基本原理:通有高频电流的线圈放置在金属物体附近,金属物体表层产生感生电流,若在同一时间施加一强磁场,与涡流相互作用后产生交变洛仑兹力。金属原子在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动,当振动以一定方式传播出去就可以产生超声波。该过程的逆效应过程就是利用EMAT接收超声的原理。通过改变外加偏转磁场的大小和方向、高频电流的大小和频率、线圈的形状和尺寸可以控制EMAT产生超声的类型、强弱、频率及传播方向等参数。
2EMAT的设计
2.1EMAT线圈的设计
EMAT线圈设计的原则:首先,提高线圈的转换效率;其次,产生在金属导体中沿一定方向传播的超声波或沿金属表面传播的表面波或板波。因此,EMAT线圈的设计可采用直导线、折回线圈、螺旋状线圈、“回”形线圈和“吕”形线圈等,具体采用什么形状的线圈主要取决于需要产生什么形式的超声波。
整体检测就是应用体波对试样的整体进行检测。图2所示是设计能产生体波的各种EMAT线圈/磁场的外形,工作方式同传统的超声波检测一样既可以是脉冲反射式也可以是一收一发式,由一个射频(RF)脉冲来提供线圈激励,磁感应或平行或垂直于被检试样表面,这主要由产生的波形来决定。
2.2EMAT磁铁的设计
EMAT磁铁设计的原则:首先,能产生高强度磁场;其次,使EMAT的设计结构变得紧凑。因此,EMAT磁铁的设计为了在介质表面和近表面形成强偏转磁场,需要采用高强磁铁。既可采用永磁铁又可采用电磁铁。采用永磁铁的优点是磁铁体积小,可使整个EMAT换能器的设计变得结构紧凑。一般采用永磁铁形式有柱状、马蹄形和磁铁对等,也可采用永磁铁组来提供偏转磁场。[2]
3EMAT线圈的激励
需要一个大功率、特殊的射频(RF)发生器来为线圈提供激励。如果该特殊EMAT线圈是回折式的,射频(RF)脉冲就激励为若干周期的纯正弦波脉冲。如果应用螺旋形线圈,就要求大功率敲击脉冲或短周期的纯正弦波脉冲。
4EMAT检测的应用
由于EMAT线圈结构的不同,激励方式的不同,它可以用于不同的检测方式。下面主要论述EMAT在整体检测方面(目前已应用于板材检测和钢管检测)的应用。
4.1检测仪器
EMAT检测系统见图3。包括超声的发射、接受、匹配及最终显示等。稳定的等幅信号通过相干脉冲振荡器构成的门电路获得射频声脉冲,并经过宽脉冲能量放大而输入到发射EMAT线圈,产生的超声波通过检测线圈接收并放大后在屏幕上显示。
此种仪器采集检测数据后,并能对EMAT的检测信号进行分析。信号处理和数据采集电路组成了接收单元,可对EMAT的信号进行增益调节和滤波。传统的超声波仪器EMAT也有此功能。使用者可用多种方式对EMAT信号进行采集和EMAT分析。个人电脑配上A/D转化板及相关的超声探伤软件即可组成一种高效配置。然而,与传统的超声波装置相比,该装置与模拟输出一样简单,都能给示波器提供可以接受的结果。在以上两种情况下,都要设计一个脉冲发生器/接收器的同步电路来为信号采集提供适当的触发。
4.2人工参考试样的制作
应具有一定长度的焊缝(用于钢管如:焊缝检测)或一定长度的钢板(用于钢板如:母材检测),与被检材料具有相同的材质、厚度、表面精度及热处理工艺;参考试样不应存在缺陷或其他异常状态;人工缺陷的尺寸、形状(刻槽:U型或V型、平底孔或通孔)必须由使用方或双方共同决定并应该与验收标准相一致。
5结论
●从产生的波型EMAT可设计成切变波和斜纵波
●从产生的切变波EMAT可设计成SV、SH、导向SH和反射状偏阵型
●EMAT应用于在线钢板检测,检测厚度18mm[1],检测波形为蓝母波(SV切变波或SH切变波)和在线无缝钢管检测,检测厚度7 mm[3],检测波形为蓝母波(SV切变波或SH切变波)。
●EMAT缺点是较低的能量转换效率,这在检测厚度上受到了局限,但我们应设法加大发射功率,在保证非接触的情况下,降低提离距离。
●EMAT进行超声波检测具有非接触、无耦合、重复性好、检测速度高等优点,在自动化检测中具有广阔的发展前景。
摘自：中国计量测控网
