曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计

康 磊，金 昱，潘 峰，苏日亮

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

电磁超声无损检测技术在铝合金板材检测中的应用日益广泛［1－2］。在以往研究过程中，针对电磁超声表面波换能器的优化问题，已有的结论包括:发射电流增大，激发的表面波振幅也随之增大;提离距离减小，激发的表面波振幅也随之增大［3－5］。然而根据目前的研究结果，传统的电磁超声表面波换能器采用导线均匀分布的线圈以及宽度大于或等于线圈宽度的磁铁［6－8］，换能效率较低。而在电磁超声无损检测技术中，换能器的换能效率尤为重要。为了解决电磁超声表面波换能器效率较低的问题，本文围绕换能器的磁铁和线圈这两个因素进行了研究。

1 电磁超声表面波换能器工作机理

电磁超声表面波换能器的工作机理分为2种:铁磁材料中表面波的激发过程是洛伦兹力、磁化效应和磁致伸缩共同作用的结果［9］，而非铁磁材料中表面波的激发过程只受洛伦兹力的影响。本文只对非铁磁材料进行研究，其工作机理如图1所示。将铝板上方的发射线圈通入高频交变电流，根据电磁感应定律，在铝板表面会感生出与线圈电流方向相反、频率相同的涡流;若在空间施加一个竖直方向的静磁场，涡流区域中的微粒则相应受到洛伦兹力的作用，产生周期性的振动。当这种振动以波的形式在试件表面传输时，就形成了超声表面波。其中，线圈相邻两匝导线的中心距离L应按照表面波波长λ的1/2制作，以使线圈各匝导线所激发的表面波发生相长干涉，从而产生幅值较大、指向性较强的电磁超声表面波［10］。

图1 电磁超声表面波换能器工作机理示意图

接收过程中，超声表面波在铝板表面传播时伴随着铝板微粒的振动，根据电磁感应定律，微粒的振动切割静磁场会形成涡流，涡流所产生的交变磁场就会在接收线圈中感生出电压。通过检测和分析该电压，就可以获得试件中的缺陷信息。

2 EMAT设计

EMAT的设计包括EMAT磁铁设计和EMAT线圈设计两部分，本文首先进行EMAT磁铁的设计。

2.1 EMAT 磁铁设计

本文利用COMSOL有限元分析软件进行仿真分析，通篇采用的仿真参数为:线圈匝数为N=6，工作频率为500 kHz，发射周波数为6个，线圈提离距离为d=0.1 mm，磁铁提离距离为0.6 mm，除特殊说明外均以距线圈中心150 mm处的点为研究对象。磁铁的长度对换能器的效率影响较小［11］，因此本文只针对磁铁的宽度和厚度进行研究。

针对磁铁宽度对换能器效率的影响，进行了如下仿真分析。仿真参数为:导线宽度w=0.5 mm，导线厚度 tc=0.035 mm，磁铁长度tl=40 mm，磁铁厚度tm=20 mm。仅改变磁铁宽度与线圈宽度的比例，探究激发的表面波振幅的变化。通过仿真得出不同的磁铁与线圈宽度比时表面波振幅的归一化曲线如图2所示。由图2可以发现:磁铁宽度略小于线圈宽度(磁铁宽度wm/线圈宽度wc=0.83)时，换能器激发表面波的振幅最大，与文献［11］中所采用的40 mm宽的磁铁相比，相同条件下激发的表面波振幅约为其1.14倍。

图2 表面波振幅归一化曲线

在上述仿真结果的基础上，本文又针对磁铁厚度对换能器效率的影响进行了仿真分析。以λ为基本单位(λ在500 kHz的条件下为5.86 mm)，在磁铁厚度 tm分别选取 2λ、3λ、4λ 和5λ的条件下，对采用不同宽度磁铁的换能器进行仿真分析。将每种厚度下、不同宽度磁铁激发的表面波振幅归一化得到的点连接，并用三阶多项式拟合，得到图3。

由图3可以发现，在本文研究的参数范围内(h=2～5)，相同条件下，磁铁的厚度越厚，换能器激发表面波的效率越高，但随着磁铁厚度的增加，其对换能器效率的影响越来越小。此外，随着磁铁厚度的增加，磁铁与线圈宽度的最佳比例也在增大。因此，本文在图3的基础上对其他不同磁铁厚度下的情况进行了仿真分析，并绘制出了磁铁与线圈宽度的最佳比例(wm/wc)和磁铁厚度与波长的比例(h)之间关系的经验曲线，如图4所示。仿真结果表明:在频率区间400 kHz～1 MHz内，各频率下相应的曲线与图4对应点的误差不超过2.25%。由此将最佳比例经验曲线推广到400 kHz～1 MHz的频率下。

在得出最佳比例经验曲线后，即可对EMAT磁铁进行设计。在本文研究的参数范围内(h=2～5)，选取最大磁铁的厚度tm(29.3 mm);根据h=tm/λ计算出相应的h，然后根据图4获得磁铁与线圈宽度的最佳比例wm/wc，再根据已知的wc=5.5λ，计算出磁铁的宽度wm(26.75 mm);磁铁的长度选择与线圈长度相等即可［11］(40 mm)。

图3 表面波振幅拟合曲线

图4 最佳比例经验曲线

2.2 EMAT 线圈设计

为了进一步提高采用上述改进EMAT磁铁的换能器的换能效率，本文进一步对EMAT线圈进行了改进设计。首先对线圈每匝含有单根导线时的激发效率进行了仿真分析。

模型中采用长度为40 mm、宽度为26.75 mm、厚度为20 mm的磁铁，将12根导线从右到左依次命名为导线1～导线12，如图5所示。依次仅在一根导线上施加激励电流，仿真共计12次。在t=25T0时刻12根导线分别激励所产生的表面波信号如图6所示。

图5 换能器线圈中导线编号

图6 12根导线单独激发产生的表面波信号

根据图6可以发现:电磁超声表面波换能器所采用线圈的导线中，导线2和导线11激发表面波的效率最高，其次为导线1和导线12，其余导线的激发效率随其与换能器中心距离的减小而减小。

传统电磁超声表面波换能器采用的线圈每匝导线分布的数量是一致的，而根据上述仿真结果可知线圈中不同位置的导线激发效率不同。由此本文针对导线匝数为6的线圈提出一种新的导线不均匀分布的结构:在保证导线总数不变的前提下，将线圈激发效率较低位置的导线数量减少，并在激发效率较高的位置添加相应数量的导线。这种方式可保证在线圈总阻抗基本不变的前提下，提高表面波的激发效率。新旧两种线圈导线的分布方式如图7所示。

图7 新旧线圈结构示意图

为了进一步验证新线圈结构的有效性，对采用新旧两种线圈结构的换能器进行了仿真分析。提取距换能器中心150 mm处表面波面外幅度v:导线均匀分布线圈v=10.26×10－6mm;导线不均匀分布线圈v=11.035×10－6mm。对比其表面波幅度可以发现，采用新线圈结构的换能器激发的表面波幅度可提高7.5%左右。

2.3 优化后换能器仿真分析

在上述仿真分析的基础上，本文对优化前后的EMAT进行了仿真分析。

传统的曲折线圈型电磁超声表面波换能器采用尺寸为40 mm×40 mm×20 mm的磁铁和导线均匀分布的线圈;进行优化后的换能器采用宽度小于线圈宽度、尺寸为40 mm×26.75 mm×20 mm的磁铁和导线不均匀分布的线圈(如图7(b));优化后等体积磁铁换能器采用尺寸为40 mm×26.75 mm×29.3 mm的磁铁和导线不均匀分布的线圈。本文对以上3种换能器的效率进行了仿真分析，提取距换能器中心150 mm处表面波面外振幅v:传统换能器v=8.13×10－6mm;优化后换能器v=11.035×10－6mm;优化后等体积磁铁换能器v=12.15×10－6mm。相对于传统换能器，优化后的换能器激发的表面波幅度可以提高35.7%，优化后等体积磁铁换能器激发的表面波幅度可以提高49%。

仿真结果表明:优化后的换能器能有效地提高换能器的换能效率。在此基础上，本文通过仿真分析发现:对于采用导线匝数为4～7的线圈的换能器，上述设计方法同样能够有效地提高其换能效率。

3 试验验证

为了研究本文所提出的优化后的换能器能否与仿真结果较好地吻合，并有效地提高换能器的换能效率，本文在仿真分析的基础上进行了试验验证。

3.1 一发一收模式下试验验证

电磁超声表面波换能器可以工作在2种模式下，分别为一发一收的工作模式和收发一体的工作模式。本文首先对一发一收的工作模式进行试验。

本文采用RITEC RAM－5000 SNAP超声实验平台进行测试，利用Pinducer(针形压电换能器，型号为VP－1063)进行接收。试验过程中将Pinducer放置在距离线圈中心水平150 mm处进行接收。试验装置示意图如图8所示。

图8 实验装置示意图

试验测得传统换能器激发的表面波幅值为100.07 mV，优化后的换能器激发的表面波幅值为129 mV，如图9所示。两者的比值为1.29，仿真所得两者的比值为1.36。试验与仿真结果之间误差为5.2%，二者基本吻合。

图9 新旧换能器激发的表面波信号

优化后的换能器采用的磁铁体积比传统的换能器采用的磁铁体积小，因此本文进一步探究了采用与传统换能器磁铁等体积的磁铁、根据上述原则进行优化后换能器的换能效率。试验测得采用等体积磁铁优化后的换能器激发的表面波幅值为139.26 mV，如图10所示。与图9(a)相比，接收的信号幅度与其比值为1.39;通过仿真所得两者的比值为1.49，试验与仿真结果之间误差为6.7%，二者基本吻合。

图10 优化后等体积磁铁换能器激发的表面波信号

试验表明:相比于传统的曲折线圈型电磁超声表面波换能器，优化后的换能器激发的表面波幅度可以提高29%，优化后等体积磁铁换能器激发的表面波幅度可以提高39%，从而证明了在一发一收的工作模式下，优化后的换能器可以有效地提高其表面波的激发效率。

3.2 收发一体工作模式下试验验证

由于检测环境和工程条件的限制，电磁超声表面波换能器也常工作在收发一体模式下。因此本文对优化后、在收发一体工作模式下换能器的效率进行了研究。

本文采用RITEC RAM－5000 SNAP超声试验平台进行测试。将发射线圈放置在靠近铝板一侧边缘处，利用双工器可直接测出换能器所接收的表面波幅值。

试验测得3种换能器接收的表面波幅值分别为74.97 mV、109.74 mV和139.56 mV，如图11所示。由图11可以得出结论:在收发一体的工作模式下，优化后换能器接收的信号幅度可以提高46.4%，而采用等体积磁铁优化后的换能器接收的信号幅度可以提高86.2%，从而证明在收发一体的工作模式下，优化后的换能器能够有效地提高换能效率。

4 结论

为了提高电磁超声表面波换能器的效率，本文从EMAT磁铁尺寸和线圈中导线的分布方式两方面入手，对电磁超声表面波换能器的设计进行了优化。实验表明:当采用与传统换能器等体积的磁铁时，在一收一发的工作模式下，优化后换能器接收的表面波信号幅度可提高39%;在收发一体的工作模式下，优化后换能器接收的信号幅度可提高86.2%，有效地改善了换能器的性能。本文得出结论如下:

(1)对于电磁超声表面波换能器，在本文研究的参数范围内(h=2～5)，线圈结构及其提离距离和磁铁提离距离一定时，EMAT磁铁的厚度越大，表面波的激发效率越高，但随着磁铁厚度的增加，其对换能器效率的影响越来越小。

(2)对于曲折线圈型电磁超声表面波换能器，在本文研究的参数范围内(h=2～5、工作频率为400 kHz～1 MHz)，线圈结构及其提离距离和磁铁提离距离一定时，磁铁与线圈宽度的最佳比例(wm/wc)随着磁铁厚度与波长比例h的增加而增加，且二者基本成线性关系。

图11 收发一体模式下各换能器激发的表面波信号

(3)对于采用宽度小于线圈宽度的磁铁的曲折线圈型电磁超声表面波换能器，线圈中处于不同位置的导线激发效率不同，相比于靠近线圈中心处的导线，靠近线圈边缘处导线的激发效率明显高于前者;在此前提下，采用导线不均匀分布线圈结构的电磁超声表面波换能器与传统的、采用导线均匀分布线圈结构的换能器相比，具有更高的换能效率。

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