基于电磁超声表面波干涉增强的钢板表面检测

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（华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074）

近年来，电磁超声检测技术因具有非接触性、不需要耦合剂等优点受到广泛研究，其在高温、高速、在线无损检测领域中具有广阔应用前景［1－2]。当电磁超声传感器（EMAT）用于钢板表面探伤时，一般采用一发一收的传感器模式，声波通过一个传感器激励得到并沿钢板表面传播一定距离后被另一个传感器接收。常用脉冲回波反射法进行缺陷检测信号的分析，理论上当钢板表面存在缺陷时，接收到的检测信号含有通过信号波包与缺陷反射信号波包，通过分析反射波的时间、幅值等信息判断缺陷的位置和大小。

国外学者利用激光超声方法，研究发现在接收传感器距离缺陷很近时，通过信号会有明显增强的现象［3－5]。对此 Edwards等人采用 EMAT－EMAT检测模式进行了进一步的研究［6]，通过分析声波的面内振动，证明该现象是由于检测距离很近时缺陷反射信号与通过信号在时域上进行波形叠加，从而造成通过信号出现简单的干涉增强。同时，Edwards提出这种现象可以应用于金属板表面裂纹类缺陷的检测中，尤其是深度远小于表面波波长的缺陷，而利用脉冲回波法检测往往由于缺陷反射信号幅值过小易被噪声淹没给检测带来困难。

然而上述研究工作均针对非铁磁性的铝件。相对于铝板，钢板上电磁超声传感器的换能机理复杂，不仅有洛伦兹力的作用，还有非线性的磁性力和磁致伸缩力的综合作用［7]，声波成分复杂，检测信号往往难以解释。基于上述现象，利用表面波传播速度一定、无频散，利于检测信号分析且表面波适合检测被测件表面和近表面缺陷的特点，设计了可用于任意方向扫查检测的电磁超声表面波传感器，在铁磁性钢板上进行表面刻槽缺陷线扫查检测试验。相对于压电超声，使用EMAT进行检测不受耦合剂对声波传播造成的影响；而相对于激光超声，电磁超声的实现经济简单，更适合应用于工业现场。

1 电磁超声表面波传感器

电磁超声表面波检测原理如图1所示。永磁铁、回折线圈和试件本身共同组成了传感器，其中永磁铁提供垂直磁场。当回折线圈通有大功率高频交变电流时，会在被测件表面感生出涡流，涡流在永磁铁提供的垂直静磁场作用下产生交变的洛伦兹力，被测件表面的质点在洛伦兹力的作用下会产生有规律的高频振动，这种高频振动在宏观上表现为以超声波的形式沿被测件传播。一般认为当被测件厚度大于声波波长的4倍时，在被测件表面传播的超声波即为表面波。当线圈回折间距为超声波波长的二分之一时，满足相长干涉条件，表面波的激励效率最高。电磁超声表面波的接收过程则通常被认为是激励的逆过程［7]。

图1 电磁超声表面波洛伦兹力激励原理

图2 表面波传感器三维结构图

依据上述原理设计的电磁超声表面波传感器结构，如图2所示。包括激励与接收两个单元，两单元的中心相距80 mm。该距离可避免激励端磁铁与接收端磁铁间相互影响，同时保证接收信号中电磁脉冲干扰与通过信号之间时域上无重叠。为克服传感器安装时内部磁铁与钢板间的吸力，适当增大了传感器高度。在传感器的底部，设计安装了6个微型万向球用于传感器在钢板上沿任意方向运动，方便用于扫查检测。综合考虑传感器的换能效率以及传感器在钢板上的运动可靠性，传感器线圈距钢板表面的提离约为1.5 mm。

传感器的设计主要针对厚度大于8 mm的钢板表面缺陷检测，根据表面波的激励原理，波长的设计不应超过2 mm，由此设计的回折线圈间距约为1 mm。根据已知的钢板表面波传播速度2 960 m/s［8]，由频率波速波长关系计算出理论上激励表面波的频率为1.48 MHz。

2 刻槽检测试验及结果分析

2.1 检测平台与试验

试验采用如图3所示的检测平台，主要有信号发生器、功率放大装置、电磁超声表面波传感器、信号放大滤波装置以及示波器。对信号的后期处理分析则由外置存储器将示波器中的数据转入PC机中进行。对钢板表面刻槽进行扫查检测时，为了精确控制传感器的位置，利用三坐标工作台实现传感器的运动。试验时由电机通过丝杠带动工作台的运动部位，从而推动传感器以需要的步距在钢板上作直线移动。其运动步长精度可达0.005 mm，具有点动和连动两种运动方式。

试验所用试样为8 mm厚钢板，其长宽为1 210 mm×510 mm。在钢板的四个不同位置分别加工有深度为板厚10%，20%，30%和40%的4个长125 mm宽1.5 mm的刻槽。

试验采用1.5 MHz的激励频率。传感器按声波传播方向垂直于刻槽的方位摆放，从接收单元中心距离缺陷中心即检测距离100 mm开始，沿接近刻槽的方向逐步移动传感器，如图3中箭头方向所示。定义传感器的激励单元中心与接收单元中心处在刻槽的同一侧时检测距离为正，分别位于刻槽两侧时的检测距离为负。移动传感器时，注意观察通过信号的幅值变化确定移动步距，使用的最大步距为5 mm，最小为0.5 mm。每移动一个点，记录下该检测点512次平均后的接收信号，直至检测距离为－40 mm。为避免电机开停造成实际移动距离与所设定的步距存在误差，该工作台安装有光栅尺位置测量装置以反馈运动部位的实际移动量，最终显示的读数为精确的光栅监控数据。

图3 钢板表面刻槽检测试验装置图

2.2 试验结果分析

检测距离分别为100 mm和35 mm时深为板厚40%的刻槽缺陷检测信号如图4所示。可以看出电磁脉冲干扰与通过信号无时域叠加现象，通过信号清晰可辨，确保信号处理时对其幅值进行提取。检测距离100 mm时在约95μs处可见明显的缺陷反射回波。随着缺陷检测距离的减小，缺陷回波在时域上逐渐向通过信号靠近，当检测距离为35 mm时，缺陷反射信号对应的时间约为50μs。而通过信号由于激励单元与接收单元之间的距离一定，出现的时间始终保持不变。此外，检测距离35 mm时通过信号的幅值也有所增大。

图4 检测距离为100 mm和35 mm时深40%刻槽检测信号

提取整个线扫查检测中每个检测点接收的通过信号峰峰值，得到峰峰值与检测距离对应的关系如图5所示。为了消除系统不同时间检测时重新开机导致通过信号幅值不稳定的影响，对通过信号作了归一化处理。可以看到，四个深度的刻槽检测结果有着相同的信号特征，在传感器距缺陷较远的位置处信号大小保持在一个较稳定的值上。随着检测距离的减小，四个刻槽的扫查检测信号均出现了两处明显的信号增强现象。两个信号加强处最大值对应的检测距离已在图中给出。随后信号逐渐下降直至接收单元中心穿过缺陷后信号又趋于平稳。

图5 不同深度刻槽检测通过信号幅值与检测距离对应关系

进一步分析得到，在平均距离约16.5 mm处信号有10%～20%的增强，这是由于线圈在扫查方向上的宽度为31.5 mm，刻槽的宽度为1.5 mm，当接收单元中心与缺陷中心距离16.5 mm时，回折线圈边缘恰好与刻槽近边缘处重合，线圈接收来自激励单元的通过信号的同时，也接收来自刻槽的缺陷回波，两者的叠加造成声波振动幅值干涉增强。统计四个刻槽的缺陷反射信号占通过信号的百分比为1 0%～25%，这与干涉增强的幅度基本相吻合。另外，在此检测距离约两倍处，信号同样出现了7.5%～15%的增强。

3 结语

基于电磁超声检测原理，研究了一种不同于常规使用的脉冲回波反射法的缺陷评判方法。通过自研制的电磁超声表面波传感器，在铁磁性的板材上对板材表面缺陷进行了线扫查检测试验。检测结果表明，四个不同深度的刻槽缺陷扫查检测信号特征一致，当接收单元的位置相对刻槽满足一定条件时，会使通过信号得到10%～20%的干涉增强。此现象可用于激励效率低、信噪比小的情况下对小深度裂纹类缺陷的检测。这种利用通过信号增强现象而不是分析缺陷回波进行缺陷评判的方式，对于拓展超声检测缺陷评判方法具有重要意义。后续的工作可通过建立相应的物理模型，对信号增强的具体位置以及增强幅度与缺陷深度等的关系作更细致的研究。

［1]张勇，陈强，孙振国，等.用于无损检测的电磁超声换能器研究进展［J].无损检测，2004，26（6）：275－279.

［2]王淑娟，康磊，赵再新，等.电磁超声换能器的研究进展综述［J].仪表技术与传感器，2006，（5）：47－50.

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［8]巴洪.钢板电磁超声检测方法的实验研究［D].武汉：华中科技大学，2013.