一种简便的电磁超声测厚实现方法探究

康宜华 涂 君 杨 芸 刘姚瑶

(华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引言

电磁超声技术是无损检测领域出现的一项新技术，国际上从20世纪60年代末便已开始进行这方面的研究。我国对于电磁超声技术的研究始于20世纪70年代，主要以北京冶金钢铁研究总院张广纯为代表[1－4]。

电磁超声探头是通过电磁耦合方法产生和接收超声波，与常规压电超声探头相比，它具有精度高、非接触性、无需耦合剂等优点，从而在工业自动化壁厚连续测量中具有明显的优势[5－7]。然而，电磁超声探头的换能效率较低，需要设计大功率脉冲电源[8－10]，同时，还必须设计高灵敏度滤波放大电路[1，11－12]，确保回波信号具有较高的信噪比。这样大大增加了技术难度和开发成本，难以在现场工业生产中得到普及。

为此，本文提出一种新的方法，采用常规压电超声仪，配置合适的电路转换模块，对自制电磁超声探头进行激励和接收超声波，从而较好地解决了以上两方面的难点，简易方便地实现了电磁超声测厚功能。

1 电磁超声探头优化设计

1.1 电磁超声测厚基本原理

电磁超声测量原理如图1所示。

图1 电磁超声测厚原理图Fig.1 Principle of electromagnetic ultrasonic thickness measurement

对置于被测金属工件表面的线圈通以交变电流I，产生交变磁场，同时在工件趋肤层感应出涡流。若在线圈上再增加一个垂直于工件表面的磁场B，将会在工件内产生洛伦兹力FL，使其内部自由电子高速运动，并与晶格离子发生碰撞，引起质点振动，产生超声波。

另外，交变磁场和外加磁场共同作用还会产生磁致伸缩力FM，也能产生超声波。声波向下传播遇到工件底面后被反射回来，回波在磁场中产生涡流并被线圈接收。接收到的微弱信号经由前置放大器放大后，可以用示波器进行观察。通过计算超声波在工件上下表面间传播的时间，即可换算得到工件的厚度。

1.2 增强型电磁超声探头设计

根据电磁超声测厚原理，获得较强回波信号有三条途径：①增大直流磁场的强度，主要是永久磁铁的强度;②提高检测线圈的匝数;③提高前置放大器的增益[13]。

一般地，电磁超声的换能效率比压电超声低40 dB左右，其回波信号会比较弱[14]，因此第三条途径很难奏效。这是因为在提高放大倍数的同时，噪声信号也会随之增大，信噪比差。因此，有必要采用常规压电超声仪，通过对电磁超声探头的优化设计，最大限度地增强回波信号，从而实现电磁超声测厚的工程应用。

1.2.1 检测线圈参数特征

检测线圈采用漆包线手工绕制而成，线圈参数直接影响到信号强度。在电磁超声测厚方法的实施中，增加检测涡形线圈的匝数有利于提高回波检测信号的感应电压。但在有限的空间范围内，匝数的增加是有限的，且此时的线圈还是一个功率部件，承担着激励出强涡流的功能，因而减小线径、增加匝数与提高激励电流、增强驱动功率之间存在着矛盾。为了得到最佳的线圈参数，开展了以下试验研究。

①线圈形状对检测信号的影响

采用Φ0.2 mm线径的漆包线，绕制不同形状的平面线圈，有圆盘型、椭圆型、矩形、跑道型。线圈成品采用3M双面胶粘接在厚度为0.3 mm的两层高耐磨性POM(聚甲醛)片之间，用于检测壁厚为12.5 mm的钢板。采用横波激励方式，选用永磁铁提供偏置磁场，磁化方向垂直于钢板表面(后述的试验均采用该方式)。

试验结果表明，矩形和跑道型线圈没有激励出超声波，而圆盘型和椭圆型线圈均可以得到测厚回波信号。由于绕制椭圆型线圈重复性较差，而且圆盘型线圈得到的回波信号明显优于椭圆型线圈，故本文采用圆盘型线圈进行后续对比试验。

②线圈匝数对检测信号的影响

试验分别在 Ф180 mm钢管、Ф220 mm钢管和Ф256 mm钢管上进行，检测线圈外径分别为：Ф10 mm、Ф13 mm、Ф16 mm、Ф18 mm、Ф25 mm、Ф30 mm，将第二次反射回波的信噪比进行对比，得到试验结果如表1所示。

试验表明，随着线圈外径的增加，回波信号愈加明显。然而，外径过大也会因涡流分散而引起信噪比大幅衰减，这与前面的判断是一致的。另外，采用同一种线圈时，钢管外径越大，测厚效果愈佳。由于线圈与钢管表面不能完全贴合，两侧存在间隙，并且随着曲率的增大，其间隙也会不断变大，从而造成钢管表面涡电流减弱。同时，该区域内磁力线密度也随之减小。

表1 不同线圈匝数下的信噪比对比结果Tab.1 Comparison of the S-N ratios under different numbers of coil turns

③提离高度对检测信号的影响

在自动化测量以及高温测量中，为避免探头磨损和发热，电磁超声探头与检测材料必须是非接触的。然而，检测线圈与工件间的间隙过大，会导致信号幅值大幅度衰减。

通过试验测试，当提离高度在0.3～0.6 mm之间变化时，测厚回波信噪比从18 dB迅速衰减到9.5 dB;当提离间隙继续增加时，几乎难以观察到回波。因此，在检测过程中应尽量减少间隙值。本文在设计探头时，采用0.3 mm厚的POM片作为耐磨层，可以较好地解决耐磨和减小间隙的问题。

为确保探头产生的超声波只沿工件方向传播，即消除探头在永磁铁内产生的超声波，必须采用屏蔽层。由分析可知，提高线圈与磁铁间隙即可。另外，选择一种逆磁材料也可以达到同样的目的。经试验发现，选用铜片可以起到这种作用，该探头最终采用0.2 mm薄铜片作为屏蔽层。

1.2.2 增强直流磁场的优化设计

在电磁超声测厚技术中，外加稳恒磁场可以由永磁铁、电磁铁或脉冲磁铁产生。由单一的永磁铁提供的磁场强度很难达到很大，因此，采用增强直流磁场的方式是提高回波信号幅度最直接的方法。

①单一永磁磁化的对比试验

为了消除永磁铁内产生的超声波，磁铁与线圈之间存在一定间隙，因而开放的永磁磁路有效强度是有限的。试验研究了三种永磁磁化方式对测厚回波信号的增强作用，对比试验结果如图2所示。其中，图2(a)为在三种不同牌号的磁铁下进行试验得到的曲线;图2(b)为采用周向聚磁方式，通过增大磁铁的截面积得到的曲线;图2(c)为采用单方向聚磁方式，通过增加磁铁个数达到提高线圈内磁场强度的目的，从而得到的一组信噪比随磁铁个数变化的曲线。

图2 永磁磁化方式的对比试验结果Fig.2 Comparison of experimental results for three magnetized modes and permanent magnet(PM)

试验结果表明，提高永久磁钢的磁能积，或增大磁铁的截面积和厚度，对于增强测厚效果的贡献均有限。

②聚磁磁化的对比试验

为加深磁化穿透深度，采用如下两种方式进行试验：上下穿透法和回磁通法，如图3所示。其中m和n分别代表磁铁的个数。

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

试验结果如图4所示，其中序号为2的结果是采用回磁通法检测得到，其余3个结果则是采用上下穿透法检测得到。由图4可以看出，采用这两种磁化方式效果仍然有限。

图4 永磁聚磁磁化方法试验结果Fig.4 Experimental result of accumulating magnetic methods

③永磁加直流磁化方式

采用两种磁化方式进行叠加相当于并行强化磁场。在永磁铁下方增加一套通以直流电的励磁机构，从而进一步加强钢管表面的磁化强度。励磁机构采用生铁做铁芯，在其上用线径为1.5 mm的漆包线进行绕制作为励磁线圈，匝数为1 000，给励磁线圈通以最高30 V的直流电。当铁芯与永磁铁间间隙为20 mm时，信噪比最高可以达到19 dB。另外，在增加直流磁化时，将铁芯加工成锥形的聚磁结构，对于辅助磁化的效果更为明显。

通过以上试验可以看出，这几种方法均通过提高磁场强度以及优化磁化方式来加强测厚回波信号幅度。其中，方法①是采用单方向聚磁或者周向聚磁的方式加强表面磁化强度，方法②是用永磁铁实现单方向并行磁化，通过改变聚磁磁路的方式来提升有效磁场强度。这两种方法对于强化测厚效果是有限的。而方法③是利用永磁加直流磁化实现并行磁化，相比较前两种方法，方法③能够较大程度地提高电磁超声测厚效果。

2 转换器设计

系统采用常规探伤仪作为电磁超声探头的激励与接收部分。考虑到压电式超声探头为容性负载，常规探伤仪为其提供大电压，而电磁超声探头属于感性负载，需要大电流大功率，故需要一个转换电路实现从大电压到大电流的转化，同时实现阻抗匹配。设计的转换器电路如图5所示。

图5 转换器电路Fig.5 Converter circuit

其中，高压脉冲输出的信号取自友联PXUT-27(350C)发射端口，脉冲峰值为400～800 V，脉宽为100 ns，脉冲频率为20 MHz，重复频率为100 Hz。电磁超声线圈为自制圆盘型线圈，电感值为14.45 μH。

设计转换器电路时，利用R、L、C元件，尽量做到电阻部分负载和前级相等，电抗部分感性和容性抵消，实现与超声仪本身输出的匹配以及与后级电磁超声探头的匹配，使得探头上获得最大功率。

3 结束语

本文采用常规压电超声测厚仪代替传统的电磁超声测厚系统，避免了设计大功率脉冲电源和高灵敏度放大器，从体积和质量上进行了缩减;并成功研制了用于连接常规探伤仪和电磁超声测厚探头的转换器，在此基础上设计了增强型电磁超声测厚探头。便携式电磁超声测厚装置的成功研制具有较为广阔的应用前景，可以更好地实现工业测厚的需求。

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