电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究*

范吉志，吴运新*，石文泽，龚　海，谭良辰（1.中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083；2.中南大学机电工程学院，长沙410083）



电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究*

范吉志1，2，吴运新1，2*，石文泽1，2，龚海1，2，谭良辰1，2
（1.中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083；2.中南大学机电工程学院，长沙410083）

摘要：提出了一种提高电磁超声换能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）换能效率的方法，首先在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型，然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响。结果表明：减小基板厚度以及提离距离，增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率。最后通过实验进行验证，仿真结果与实验基本一致。关键词：电磁超声换能器；有限元；螺旋线圈；换能效率

电磁超声无损检测技术由于具有不需要耦合介质，检测温度最高可达1 000℃，对一般的被探工件表面不需经过特殊清理，可直接进行无损探伤等优点，已经成为国际上快速发展的一项新的检测手段，是无损检测领域发展较快且较前沿的技术［1-2］。近年来，国内外学者主要的研究方向已经集中在将电磁超声技术推向工业应用阶段。JafariShapoorabadi采用考虑到EMAT线圈之间的集肤效应和邻近效应源电流密度的完整方程，并利用有限元方法分析了EMAT换能过程中的电流和洛伦兹力特性，改进之后的方法具有更好的稳定性和收敛性［3-4］。英国华威大学Steve Dixon团队对高温电磁超声无损检测技术进行了大量的研究，利用电磁铁及陶瓷封装间距线圈实现高温环境下的应用［5-8］。张广纯教授在国内最早对EMAT的应用技术进行了研究，可以实现对500℃以下的钢板进行在线的缺陷检测，并设计了大功率脉冲功率放大器来驱动激发线圈，以便可以得到更高的激发能量。哈尔滨工业大学王淑娟教授科研团队设计了对列车轮对踏面的探伤装置［9］以及利用Lamb波对铝合金板材进行无损检测的装置［10］。

电磁超声无损检测探头是一种新型UT发射和接收的直接装置，一般称之为换能器，是电磁超声探伤系统中的核心部件［11］。EMAT的局限性在于换能效率相比其它超声激发形式低很多，并且换能机理较复杂，通过对EMAT的结构参数以及尺寸参数进行合理优化设计，提高其换能效率［12］。上述研究已经成为提升EMAT无损检测能力中重要的手段［13］。EMAT的换能效率跟线圈的形状密切相关［14-15］，为此，利用COMSOL Multiphysics软件研究了改变双层叠加线圈结构尺寸对EMAT换能效率的影响，并与实验结果进行比较。

1　电磁超声原理

电磁超声的换能机理包括洛伦兹力机理、磁致伸缩机理和磁化力机理。目前的研究表明在非铁磁性材料中主要是洛伦兹力机理的存在，而在铁磁性材料中不仅包含洛伦兹力机理还包含了洛伦兹力机理，而且还包括了磁致伸缩机理和磁化力机理，但是一般情况下磁化力都比较小，在研究过程中可以忽略。

在非铁磁性材料中仅有洛伦兹力来激发超声波，其激发过程为：EMAT线圈中通过高频、大功率的电流，其在被测试样内部产生与之流向相反的感生涡流，此时被测试样的集肤层内相当于有电流流过，根据安培定律可知，永磁铁的静态磁场与感生涡流相互作用产生洛伦兹力，由于感生涡流为高频变化的，为此产生的洛伦兹力在试样的表面产生，并向内部传播。洛伦兹力机理的接收过程与发射过程互为逆过程。换能过程可表述如下：

式中：H为磁场强度；JC为激发电流密度；B为磁通密度；EE为交变磁场产生的交变电场强度；JE为交变电流密度；μr为导体相对磁导率；fL为洛伦兹力密度；σ为导体电导率。

2　EMAT探头的建模

本文主要研究基于洛伦兹力机理的EMAT所激发的超声横波信号，其探头主要是由提供偏置磁场的圆柱形磁体、线圈以及非铁磁性材料的被测试样组成的。根据计算建立如图1所示的EMAT发射探头的二维轴对称模型，图中显示的是隐藏了空气域之后的EMAT有限元模型剩余部分。为了能够使线圈的尺寸更加精确，更容易控制其结构参数，本文采用印刷电路板PCB（Printed Circuit Board）作为EMAT的螺旋线圈，为了增加信号的强度，本文采用双层PCB电路板的结构作为研究对象。EMAT结构参数如下：EMAT线圈的半径（外径）r21，EMAT线圈的内圈半径r11，EMAT线圈中铜箔的厚度h1，PCB电路板基板厚度D1，EMAT的提离距离l1以及永磁体与线圈的距离l2。

图1　电磁超声探头结构参数示意图

EMAT中探头的双层螺旋线圈和被测铝板试样的尺寸参数等如表1所示。

表1　双层螺旋线圈有限元模型的结构参数

在EMAT二维轴对称有限元计算过程中设定的螺旋线圈和被测铝板试样的材料参数如下：铜箔磁导率4π×10-7H/m，铜箔电导率2.667×10-7S/m，铝板磁导率4π×10-7H/m，铝板电导率2.667×10-7S/m，试样弹性模量71 GPa，试样泊松比0.33，剩磁密度1.21 T，磁铁相对磁导率5.31，试样相对磁导率1，空气相对磁导率1。

电磁超声无损检测有限元仿真模拟中，网格大小以及计算时间步长的选择，对仿真结果有很大的影响。经过计算发现当试样内部的网格大小为超声波波长的1/20时，超声波在试样内部的传播有限元计算结果已经完全收敛。为了计算的准确性，被测试样内部的集肤深度内应至少有6个~7个网格，为此要对集肤层内的网格进行细化，图2为对二维轴对称模型以及线圈和集肤层进行网格划分后的图示。

图2　网格划分后的有限元模型

对于上述多物理场有限元模型的求解，永磁体的静态偏置磁场为稳定求解，螺旋线圈的动态磁场以及机械力场均为瞬态求解。瞬态求解过程中需要对于求解时间步长以及其相对误差、绝对误差进行设定。本文选用信号的频率为1 MHz，根据对有限元结果的分析，可知当设定的最大时间步长为1/1 000f时有限元仿真结果的收敛性较好，当设定的绝对误差为0.01时有限元模型才能顺利的完成计算。

一般的EMAT的激励信号为窄带或调制tone burst信号，该信号由信号发生器产生并经脉冲功率放大器放大之后得到。调制的tone burst信号利用下式进行表征：

电流激励信号的波形如图3所示。

图3　螺旋线圈所施加的tone burst电流信号的波形

由于电磁超声激发过程的有限元模型中涉及到静态磁场、螺旋线圈的脉冲感生涡流场以及机械力场，多场之间需要设置耦合变量。将静态偏置磁场中求解所得到的静态磁感应强度和脉冲涡流场所得到的涡流密度的乘积，设置为机械力场中被测试样的集肤层内所受到的体力。

3　激发探头结构尺寸参数对换能效率影响的仿真分析

3.1基板厚度对换能效率的影响

选取PCB的基板厚度D1为0.3 mm至2 mm之间的7组数据，为了消除由于基板厚度的变化导致永磁体与被测试样距离的增加，设定永磁体与被测试样之间的距离即基板厚度D1与磁铁线圈距离l2之和保持3 mm不变，磁铁、空气域的尺寸参数以及线圈的内外径具体参照表1。通过有限元模型得到EMAT的等效阻抗，计算在不同的PCB厚度的参数影响下，通过螺旋线圈中的激励的强度。

经过有限元模型的计算，通过提取被测试样的集肤层距离被测试样表面0.01 mm处与线圈平行的直线上的涡流密度，求取在每个时刻上的平均值，作为EMAT线圈在此刻所产生的感生涡流密度。同样的方法得到r轴与z轴方向振动幅值的平均值，作为此刻所激发的超声波信号强度，并提取不同PCB基板厚度下所激发超声波的峰值，以此来评判电磁超声激发探头的换能效率。如图4所示为不同PCB基板厚度的EMAT所产生的感生涡流密度与横纵波峰值。

图4　不同PCB基板厚度感生涡流与超声波幅值

由上可知当PCB板厚由0.5 mm增加至1.5 mm的过程中，螺旋线圈在被测试样内部产生的感生涡流密度不断减小，超声横波与纵波的峰值分别下降了约23%和20%。

3.2铜箔厚度对换能效率的影响

选取铜箔厚度h1为0.035 mm、0.05 mm、0.07 mm和0.105 mm 4组数据，磁铁、空气域的尺寸参数以及线圈的内外径参照表1。通过有限元模型计算EMAT的等效阻抗，计算得到在不同铜箔厚度的影响下，螺旋线圈中激励电流的强度。图5所示为不同铜箔厚度的EMAT所产生的感生涡流密度与横纵波峰值。

图5　不同铜箔厚度下激发的超声波信号

由上可知，当铜箔厚度由0.035 mm增加至0.07 mm的过程中，感生涡流密度不断的增加。超声横波与纵波的峰值均增加了17%。

3.3提离距离对换能效率的影响

提离距离由0.5 mm增加至2 mm的过程中，感生涡流密度急剧减小。超声横波与纵波的峰值均下降了约73%。

选取提离距离l1为0.5 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm 4组数据，磁铁、空气域的尺寸参数以及线圈的内外径具体参照表1。通过有限元模型计算EMAT的等效阻抗，计算得到不同提离距离的EMAT，螺旋线圈中激励电流的强度。图6所示为不同提离距离的EMAT所产生的感生涡流密度与横纵波峰值。

图6　不同提离距离下激发的超声波信号

4　实验验证

为了验证电磁超声激发探头模型和仿真结果的正确性，将以实验的方法对螺旋线圈电磁超声探头所激发的横波进行检测。通过对采集信号的处理来衡量超声波激发信号的幅值，用来验证有限元模型中螺旋线圈的参数对激发信号的影响规律。

4.1实验方案

利用同一个电磁超声接收探头来接收不同螺旋线圈所激发的超声波信号，通过对接收探头所接收的超声信号的幅值进行对比，实现不同探头的结构参数对电磁超声激发探头所激发的超声波的信号的影响规律的研究和对有限元模型正确性的验证。

4.2实验结果与分析

按照实验方案，分别对利用不同的线圈激发超声波，利用同一线圈接收，确保单一变量，图7为实验测试现场的图片以及各组别线圈的实物图。

图8为在其它参数不变时，PCB板的厚度由0.5 mm增加至1.5 mm，接收到的超声波的横波幅值由145.35 mV减小至103.75 mV，减小了约26%，纵波幅值由43.15 mV减小至32.75 mV，减小了约24%，而在相同情况下有限元计算的结果分别为23%和20%，实验与仿真的结果有很好的吻合度。

图9为铜箔的厚度分别为0.035 mm和0.07 mm，提离距离为0.5 mm的螺旋线圈组成的EMAT所激发的超声波的对比，由图可知随着激发线圈铜箔厚度由0.035 mm增加至0.07 mm的过程中，所激发的超声波的横波幅值由101.45 mV增加至114.36 mV，增加了约13%，纵波幅值由29.25 mV增加至32.35 mV，增加了约11%，而有限元仿真的结果均增加了17%，说明了仿真结果的正确性。

图10为提离距离由0.5 mm增加至2 mm的EMAT所激发的超声波信号，对比分析可知，随着提离距离的不断增加，EMAT所激励的超声波信号的幅值逐渐减小，当提离距离由0.5 mm增加至2 mm时，超声信号的横波幅值由160.04 mV下降至32.21 mV，下降的比例达到了80%，纵波幅值由49.55 mV下降至10.65 mV，下降的比例达到了79%，这与之前的仿真结果73%比较吻合。

图7　实验测试系统及所用线圈

图8　相同线圈在不同基板厚度所激发的超声波

图9　不同铜箔厚度的螺旋线圈所激发的超声波

图10　相同线圈在不同提离距离所激发的超声波

5　结束语

在建立的电磁超声有限元模型的基础上，通过仿真以及实验研究了EMAT双层螺旋线圈基板的厚度、铜箔的厚度以及提离距离对激发的超声横波和纵波信号的影响规律。分析结果表明：①双层螺旋线圈探头的设计中应该尽量的减小基板的厚度，以提升EMAT的激发效率，确保激发超声横波信号的强度。②螺旋线圈的设计中应该适量的增加线圈中铜箔的厚度，以提升EMAT的激发效率。③尽量减小提离距离，严格控制提离距离的大小，避免因为提离距离的变化导致超声回波信号幅值的下降，从而引起对缺陷定量估计的误差。

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范吉志（1989-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事电磁超声无损检测技术的研究，fjzcsu@163.com；

吴运新（1963-），男，博士，博士生导师、教授，主要从事机械结构动力学、无损检测、冶金机械研究，wuyunxin@csu. edu.cn。

DSP Implementation of Relative Position and Attitude Calculation*

FENG Yu，WANG Xiangjun*，CHEN Wenliang
（MOEMS Education Ministry Key Lab，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：To improve the speed and reduce the volume in position and attitude measurement，a real-time image ac⁃quisition and processing system based on TMS320DM6437 digital signal processor was designed.The Video Process SubSystem of TMS320DM6437 and ping-pong operation are used in processing the raw data acquired by CMOS im⁃age sensor to reduce the volume of system and improve the frame rate.The software and hardware of the system were debugged and the experiments of position and attitude measurement were carried out.When the frame rate of camera is 40fps，system can complete the real-time solution.Experiment results show that the designed system is reasonable and feasible in applications.

Key words：pose estimation；DSP；CMOS；ping-pong operation；image processing

doi：EEACC：6140C10.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.007

收稿日期：2015-08-13修改日期：2015-09-24，

中图分类号：TB552

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）01-0029-06

项目来源：国家科技支撑计划项目（2014BAF12B01）；高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题项目（zzyjkt2013-06B）