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電磁聲換能器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
換能器是將一種形式的能量與另一種形式的能量相互轉(zhuǎn)換的裝置。在常規(guī)超聲波檢測(cè)中所用的換能器是一種壓電材料做成的壓電晶體,它是將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置。然而,常規(guī)超聲波檢測(cè)在檢測(cè)中有諸多的局限性,如需要耦合介質(zhì)、接觸檢測(cè)等等。電磁聲換能器(Elector-magnetic AcousticTransducer-EMAT)是一種新型的超聲發(fā)射接收裝置。它具有非接觸檢測(cè)、不需要耦合介質(zhì)、可應(yīng)用于自動(dòng)、高速檢測(cè)、遠(yuǎn)距離危險(xiǎn)環(huán)境下的檢測(cè)、高溫狀態(tài)的檢測(cè)等特點(diǎn)。因此,研究電磁聲換能器對(duì)于實(shí)際檢測(cè)工作具有十分重大的意義。
1EMAT的基本原理
如圖1所示,洛侖茲力(Lorentz)式EMAT基本原理:通有高頻電流的線圈放置在金屬物體附近,金屬物體表層產(chǎn)生感生電流,若在同一時(shí)間施加一強(qiáng)磁場(chǎng),與渦流相互作用后產(chǎn)生交變洛侖茲力。金屬原子在交變洛侖茲力的作用下產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng),當(dāng)振動(dòng)以一定方式傳播出去就可以產(chǎn)生超聲波。該過(guò)程的逆效應(yīng)過(guò)程就是利用EMAT接收超聲的原理。通過(guò)改變外加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小和方向、高頻電流的大小和頻率、線圈的形狀和尺寸可以控制EMAT產(chǎn)生超聲的類型、強(qiáng)弱、頻率及傳播方向等參數(shù)。
2EMAT的設(shè)計(jì)
2.1EMAT線圈的設(shè)計(jì)
EMAT線圈設(shè)計(jì)的原則:首先,提高線圈的轉(zhuǎn)換效率;其次,產(chǎn)生在金屬導(dǎo)體中沿一定方向傳播的超聲波或沿金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ɑ虬宀āＲ虼?EMAT線圈的設(shè)計(jì)可采用直導(dǎo)線、折回線圈、螺旋狀線圈、“回”形線圈和“呂”形線圈等,具體采用什么形狀的線圈主要取決于需要產(chǎn)生什么形式的超聲波。
整體檢測(cè)就是應(yīng)用體波對(duì)試樣的整體進(jìn)行檢測(cè)。圖2所示是設(shè)計(jì)能產(chǎn)生體波的各種EMAT線圈/磁場(chǎng)的外形,工作方式同傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)一樣既可以是脈沖反射式也可以是一收一發(fā)式,由一個(gè)射頻(RF)脈沖來(lái)提供線圈激勵(lì),磁感應(yīng)或平行或垂直于被檢試樣表面,這主要由產(chǎn)生的波形來(lái)決定。
2.2EMAT磁鐵的設(shè)計(jì)
EMAT磁鐵設(shè)計(jì)的原則:首先,能產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場(chǎng);其次,使EMAT的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)變得緊湊。因此,EMAT磁鐵的設(shè)計(jì)為了在介質(zhì)表面和近表面形成強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng),需要采用高強(qiáng)磁鐵。既可采用永磁鐵又可采用電磁鐵。采用永磁鐵的優(yōu)點(diǎn)是磁鐵體積小,可使整個(gè)EMAT換能器的設(shè)計(jì)變得結(jié)構(gòu)緊湊。一般采用永磁鐵形式有柱狀、馬蹄形和磁鐵對(duì)等,也可采用永磁鐵組來(lái)提供偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。[2]
3EMAT線圈的激勵(lì)
需要一個(gè)大功率、特殊的射頻(RF)發(fā)生器來(lái)為線圈提供激勵(lì)。如果該特殊EMAT線圈是回折式的,射頻(RF)脈沖就激勵(lì)為若干周期的純正弦波脈沖。如果應(yīng)用螺旋形線圈,就要求大功率敲擊脈沖或短周期的純正弦波脈沖。
4EMAT檢測(cè)的應(yīng)用
由于EMAT線圈結(jié)構(gòu)的不同,激勵(lì)方式的不同,它可以用于不同的檢測(cè)方式。下面主要論述EMAT在整體檢測(cè)方面(目前已應(yīng)用于板材檢測(cè)和鋼管檢測(cè))的應(yīng)用。
4.1檢測(cè)儀器
EMAT檢測(cè)系統(tǒng)見圖3。包括超聲的發(fā)射、接受、匹配及最終顯示等。穩(wěn)定的等幅信號(hào)通過(guò)相干脈沖振蕩器構(gòu)成的門電路獲得射頻聲脈沖,并經(jīng)過(guò)寬脈沖能量放大而輸入到發(fā)射EMAT線圈,產(chǎn)生的超聲波通過(guò)檢測(cè)線圈接收并放大后在屏幕上顯示。
此種儀器采集檢測(cè)數(shù)據(jù)后,并能對(duì)EMAT的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集電路組成了接收單元,可對(duì)EMAT的信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)和濾波。傳統(tǒng)的超聲波儀器EMAT也有此功能。使用者可用多種方式對(duì)EMAT信號(hào)進(jìn)行采集和EMAT分析。個(gè)人電腦配上A/D轉(zhuǎn)化板及相關(guān)的超聲探傷軟件即可組成一種高效配置。然而,與傳統(tǒng)的超聲波裝置相比,該裝置與模擬輸出一樣簡(jiǎn)單,都能給示波器提供可以接受的結(jié)果。在以上兩種情況下,都要設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖發(fā)生器/接收器的同步電路來(lái)為信號(hào)采集提供適當(dāng)?shù)挠|發(fā)。
4.2人工參考試樣的制作
應(yīng)具有一定長(zhǎng)度的焊縫(用于鋼管如:焊縫檢測(cè))或一定長(zhǎng)度的鋼板(用于鋼板如:母材檢測(cè)),與被檢材料具有相同的材質(zhì)、厚度、表面精度及熱處理工藝;參考試樣不應(yīng)存在缺陷或其他異常狀態(tài);人工缺陷的尺寸、形狀(刻槽:U型或V型、平底孔或通孔)必須由使用方或雙方共同決定并應(yīng)該與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相一致。
5結(jié)論
●從產(chǎn)生的波型EMAT可設(shè)計(jì)成切變波和斜縱波
●從產(chǎn)生的切變波EMAT可設(shè)計(jì)成SV、SH、導(dǎo)向SH和反射狀偏陣型
●EMAT應(yīng)用于在線鋼板檢測(cè),檢測(cè)厚度18mm[1],檢測(cè)波形為藍(lán)母波(SV切變波或SH切變波)和在線無(wú)縫鋼管檢測(cè),檢測(cè)厚度7 mm[3],檢測(cè)波形為藍(lán)母波(SV切變波或SH切變波)。
●EMAT缺點(diǎn)是較低的能量轉(zhuǎn)換效率,這在檢測(cè)厚度上受到了局限,但我們應(yīng)設(shè)法加大發(fā)射功率,在保證非接觸的情況下,降低提離距離。
●EMAT進(jìn)行超聲波檢測(cè)具有非接觸、無(wú)耦合、重復(fù)性好、檢測(cè)速度高等優(yōu)點(diǎn),在自動(dòng)化檢測(cè)中具有廣闊的發(fā)展前景。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
