电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化*

江 念，王召巴，陈友兴，陈 玉

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化*

江 念，王召巴，陈友兴*，陈 玉

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

为提高电磁超声检测信号的信噪比，研究激励信号频率、脉宽及换能器提离距离对厚度测量结果的影响，搭建了电磁超声实验系统。该系统利用RITEC-SNAP 5000产生高能正弦波激励电磁超声换能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer），通过调节激励信号的频率、脉宽，改变提离距离来观测超声回波幅度的变化。实验结果表明：当激励频率和EMAT固有频率相同时其换能效率最高，采用6个周期的脉冲串时前后波包之间分界明显，为获得较大的回波幅度应尽可能减小提离距离。

电磁超声；无损检测；厚度测量；激励频率；提离距离

电磁超声换能器是一种非接触型超声波传感器。与传统压电超声换能器相比，EMAT不需要声耦合剂、也不需要对试件表面预处理，就能够方便地产生出多种类型超声波，可以成功地应用到高温、高速、在线等特殊的无损检测环境中［1］。目前，在欧美等国家电磁超声技术已被应用于在线测厚、炼钢及铁路轨道等无损检测领域，并逐渐成为国外较为主流的无损检测技术之一。

实际应用中，EMAT的能量转换效率低。若增大换能器激励源的功率，由此会产生强烈的电磁干扰，并使得线圈发热，导致接收信号信噪比低，限制了电磁超声的广泛应用。为了提高电磁超声接收信号的信噪比，提高检测信号的质量，国内外研究人员做了大量的试验工作。比如，文献［2］研制一种参数可调的新型脉冲激励电源，解决了EMAT能量转换效率低、缺陷检测灵敏度低等问题，并成功应用于钢板/钢管的电磁超声导波检测；文献［3］针对低噪声接收放大电路，设计了低噪声前置放大器，成功实现了电磁超声皮米级的位移检测；文献［4-5］优化了阻抗匹配电路，得到了较大激发功率；文献［6］利用线性调频脉冲激励换能器，把脉冲压缩处理技术应用到EMAT测厚和金属板成像中，增大了接收信号的信噪比。本文在横波测厚的实验前提下，研究了激励频率对EMAT换能效率的影响，分析了激励脉冲宽度及提离距离与回波幅度之间的关系，为电磁超声检测中的参数优化提供了实验依据。

1 EMAT换能机制

EMAT由线圈、磁铁和具有良导体性质的被测试件3部分组成，其中激励线圈和偏置磁铁是EMAT探头的重要组成部分。在实际应用中，为了能够有效激发能量集中的电磁超声波，常采用曲折线圈、螺旋线圈以及与其相互垂直或平行等形式的静磁场设计电磁超声探头，并适当调整、优化其参数结构。

EMAT在钢板中激发出电磁超声横波的换能机制如图1所示。线圈在上高频大功率电流的激励作用下使钢板中产生交变的电磁场，并在钢板表层的趋肤深度内感生出涡流；同时偏置静磁场（由永久性磁铁产生）作用于感生涡流，使得感生涡流场受到洛仑兹力的作用而引发钢板表面质点进行高频振动，从而激发出超声横波［7-9］。相应的，利用EMAT接收超声波是上述过程的逆效应过程。

图1 电磁超声换能器的换能机理

结合电磁超声激发原理及电磁学理论，EMAT产生洛伦兹力的过程可以被描述为：

以上各式中，Hd为激励电流所产生的磁场强度。μ为被测试件的相对磁导率，EE表示感生涡流场的电场强度，γ为被测试件的相对电导率，JE代表了感生涡流场的密度。式（1）、式（2）描述了通电高频线圈在其周边小范围内产生交变电磁场Bd的过程。式（3）、式（4）描述了在交变电磁场Bd作用下，试件集肤层产生涡流场JE的过程，式（5）描述了涡流JE在偏置磁场Bs和交变电磁场Bd作用下产生洛伦兹力fL的过程。

2 电磁超声实验系统

以Ritec公司生产的SNAP-5000为研究平台，本文搭建的电磁超声钢板厚度检测系统示意图如图2所示。激励部分和接收电路由SNAP-5000系统及其相关模块组成。SNAP-5000产生6个周期的高频大功率正弦波脉冲串，经过匹配阻抗、收发双工器模块后，激励自发自收的EMAT工作，在试件表层激发出超声波，用于检测试件。在钢板中传播并反射回到上表层的超声回波信号被EMAT接收，经过再双工器模块传输至SNAP-5000由示波器显示和采集。在整个电磁超声波的激发和接收过程中，钢板的上表层参与了换能过程。

图2 电磁超声检测系统示意图

在实验中，电磁超声换能器采用外圈发射、内圈接收的一体化结构，由相互垂直的条形永久性磁铁和“螺旋”线圈组成，EMAT实物图如图3所示。其中，永久磁铁选用钕铁硼，用于提供换能器工作所需的静态偏置磁场；线圈则由直径为0.2 mm的铜漆包以“螺旋形”绕12圈制成。检测试件为4.0 mm厚的45#钢板，检测信号由采样频率为100 MHz的示波器进行采集。

图3 实验所使用的EMAT实物图

3 影响检测信号的因素分析

3.1 频率改变对换能效率的影响

实际上，EMAT在检测过程中，可以通过式（6）改变线圈相邻导线间距L以及激励信号频率f，进而改变波在钢板内部的传播角度θ，就会产生不同模式的波。

式中：C是声波的速度。在本文中传播角度θ=90°，L=0.2 mm，那么要在实验中产生电磁超声横波，波速C=3 230 m/s，由式（6）可以计算得出高频线圈的激励频率f=8.07 MHz。

在实际实验中，激励信号频率的选取应综合考虑被测对象的物理性能、EMAT的工作环境、检测精度等条件。同时，材料物理特性的不同对激励频率也有一定的影响，当材料的晶粒较粗时，超声波在其中的衰减也比较大，且易产生反射波。

根据相关检测技术手册［7］，可知钢板的最佳激励频率参考范围是2 MHz～15 MHz。当采用较低频激励信号时，虽然在被测导体中声波衰减小、穿透能力强、传播距离长，但是信号幅值较小，超声回波信噪比低，不能有效利用。而采用高频激励信号时，产生的超声波波长短，能量集中，因此检测缺陷的精度高、分辨力好、定位准确。但高频超声波在被测导体中的衰减大、穿透能力差、传播距离短［9-10］。为研究回波幅值与检测频率的关系，找到EMAT的最佳激励频率，本文以4.0 mm厚的钢板为例，通过对比不同频率下的回波信号来分析激励信号频率对检测结果的影响。设定激励信号的频率范围为4 MHz～14 MHz，步进增量为0.1MHz，得到不同激励频率下的超声回波幅值如图4所示。

图4 回波信号的幅值-频率关系图

从图4可以看出，在频率7.99 MHz处，回波幅值最大。激励频率太小，不能完全激发试件内质点的振动，造成回波幅值微弱；激励频率太大，质点的振动在传播过程中又急剧衰减，反而无法提高回波幅值。当激励频率和EMAT的固有频率相同时，螺旋线圈的总体外特性就会呈纯阻性，换能效率最高，该实验结果与理论值相一致，证明了实验平台及自制EMAT的稳定性与准确性。此实验也说明，多螺旋线圈结构具有很好的选频特性，在设计频率之处，超声波具有最大的幅值。由以上分析可知，EMAT检测中应该选择合适的激励频率，过高和过低的频率都会影响检测结果。

3.2 激励信号的脉冲宽度对换能效率的影响

激励信号的脉冲宽度对系统的工作性能也有较大的影响，在频率和振幅一定的情况下，脉冲宽度越大，所包含的单脉冲个数就越多，携带的能量也就越大，产生的超声波传播得也越远，但同时分辨力会下降。若脉冲宽度太窄，因为脉冲宽度与信号所含有的频率分量成反比，信号所含频率分量就会增多，要求检测系统具有比较宽的通频带，否则会引起检测信号失真，但通频带的加宽同时会带来大量的噪声，影响接收信号的质量［11-12］。

图5所示为不同周期个数激励信号的回波幅值，激励信号周期增加时回波幅值相应增大，周期个数超过一定范围会造成一次回波信号畸变，影城测量结果。在本次试验中，当超声信号周期数为6时，发射脉冲串不会与回波发生叠加且波形较好，前后波包之间分界较为明显，所以实验取超声信号周期数为6。

3.3 提离距离改变对换能效率的影响

因为电磁超声在检测材料时是非接触的，所以线圈与被测试件的接近程度是影响信号强度的主要因素。信号强度随提离距离的变化函数如式（7）：

式中：S0为零间隙时的信号强度；为线圈距试件表面的距离（提离距离）；L为线圈导线的间距。

为证实这个理论，进行了以下不同提离距离的实验。通过在电磁超声换能器下方垫上不同张数的打印纸来改变它的提离距离，垫的纸不会干扰到高频线圈工作，由此来研究提离距离对接收信号的影响［14］。每张标准打印纸的厚度约为0.1 mm，从不垫纸到垫9张纸共做10组实验，不同提离距离下的回波信号如图6所示。

图5 不同脉宽激励信号下的回波信号

由图6可以看出，随着提离距离的增加，接收信号的幅值急剧下降。图7是二次回波信号幅值随提离距离增加时的变化趋势，可以看出：信号的幅值随提离距离的增大迅速衰减，形如式（7）的指数拟合曲线变化规律也与实测数据基本一致。因此在电磁超声检测过程中，为获得较强的回波信号需要缩小提离距离，同时确保检测过程中其值保持不变，避免因提离距离的波动造成回波幅值的剧烈波动，影响最终测量结果。

图6 不同提离距离下的回波信号

图7 回波幅值-提离距离的关系图

4 结论

本文在EMAT检测系统能够有效检出钢板厚度的基础上，分别对线圈激励频率、脉冲宽度和EMAT提离值3个与检测效果相关的量进行了实验研究，并对结果进行分析。

线圈的激励频率应该根据波速、线圈中相邻导线间距与激励频率的匹配公式进行计算，实验发现当激励频率和EMAT固有频率相同时其换能效率最高，能有效消除震荡回波对接收信号的干扰，提高信噪比。脉冲宽度也应根据检测对象的实际情况而定，一般情况下可选择单脉冲个数为4个～8个。EMAT检测过程中，提离距离对信号幅值的影响非常大，检测时应该保证提离距离尽可能小并具有较好的稳定性，这样接收信号不仅能量高，且信号质量很好，有利于后期的分析处理。

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江 念（1988-），男，博士生，主要从事磁通门传感器研发、电磁无损检测研究等。在《兵工学报》、《固体火箭技术》、《仪表技术与传感器》、《测试技术学报》等国内外学术期刊上发表多篇学术论文篇，其中被EI收录2篇，jiang_nian@yeah.net；

陈友兴（1978-），男，副教授、硕士生导师，主要从事超声检测机理、在线实时监测技术、阵列信号处理与重建，chenyouxing@nuc.edu.cn。

王召巴（1967-），男，教授，博士生导师，主要从事无损检测及自动化装置研究，信号信息处理与重建，wangzb@ nuc.edu.cn；

The Experiment Parameters of The Steel-sheet Thickness Measurement By Electromagnetic Ultrasonic*

JIANG Nian，WANG Zhaoba，CHEN Youxing*，CHEN Yu
（National Key Lab for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051）

In order to improve the SNR of the thickness measurement testing，study the effects caused by the excitation signal and transducer lift-off distance，setting the electromagnetic ultrasonic experiment system.Using the system RITEC-SNAP 5000 produced high-energy sine wave to excite the electromagnetic ultrasonic transducer （EMAT），by adjusting the frequency of the excitation signal，pulse width，change the lift-off distance to observe the change of the ultrasonic echo amplitude.The experiment results showed that，when the excitation frequency was equal to the inherent frequency of EMAT，the transducer high worked efficiency；using six cycles of pulse sequence，the wave boundary between before and after was apparent；in order to obtain larger echo amplitude，the lift-off distance should be minimized.

electromagnetic ultrasonic；nondestructive testing；thickness measurement；excited frequency；lift-off distance EEACC：7230

TB551；TH821；TP391

A

1004-1699（2015）04-0498-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.008

项目来源：国家自然科学基金项目（61201412）

2014-11-26 修改日期：2015-01-15