电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究*

郭 鹏,徐 鸿,田振华,邓 博,蓝 翔,陈显会

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京 102206)

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究*

郭 鹏,徐 鸿*,田振华,邓 博,蓝 翔,陈显会

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京 102206)

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列。由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一S0模态兰姆波。实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响。另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响。结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好。

电磁超声换能器;洛伦磁力;优化设计;S0模态;损伤检测;阵列成像

电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)是通过洛伦兹力原理或磁致伸缩效应在导电或磁性材料中产生兰姆波[1]。因为EMAT依赖于电磁耦合而不是机械耦合,所以EMAT无需在传感器和测试板之间产生物理接触,EMAT也不需要通过任何超声波耦合剂或粘合剂将传感器与待测结构表面接触,可以通过将EMAT移动到用于激发和接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列。EMAT的另一个优点是可以通过优化传感器的设计来激发所需模态的导波[1-6]。近年来,通过EMAT激发和接收兰姆波用于板状结构的损伤检测已经成为一种主流的无损检测技术之一。

为了提高EMAT接收信号的强度和信噪比,大量学者的研究工作为EMAT激发和接收超声导波奠定了理论基础,并提出了数值模型。然而,相关实验研究仍然缺乏。杨理践[7,8]通过仿真计算研究了金属板检测中的电磁超声兰姆波换能器的换能机理,得出了低频率范围内A0、S0模态兰姆波具有远传特性;焦敬品[9]研制了一种周向一致兰姆波电磁超声换能器,有效地激励单一模态的S0兰姆波,满足板状结构大范围无损检测;Huang S[10]提出了一种由回折线圈构成的全周向电磁超声换能器,该换能器可以激发高信噪比的单一A0模态兰姆波,并利用有限元模拟了在不同提离距离下交变磁场的分布和磁场强度;范吉志[11]借助于COMSOL Multiphysics软件研究了基板厚度、铜箔厚度和提离距离对电磁超声换能器性能的影响;江念[12]研究了激励信号频率、脉宽及换能器提离距离对厚度测量结果的影响;Kang L[13]建立了基于洛伦磁力的电磁超声换能器的三维模型,研究了各种EMAT参数(线圈长度、线圈宽度、提离距离,磁体尺寸和电流)对信号幅度的影响。为了在实际应用中更好地选择EMAT的最佳结构配置,本文对EMAT结构配置参数的优化设计进行了大量实验研究。

本文提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟EMAT阵列,虚拟阵列是通过将EMAT移动到多个预定义位置来构建EMAT阵列。在本文中第一小节介绍了兰姆波的基本原理,并解释了EMAT如何通过洛伦兹力激发和接收兰姆波的原理;第二小节探讨了用于产生S0模态兰姆波的EMAT的优化设计,并研究了EMAT配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径,螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响,从而可以在铝板中激发低频散和高振幅的S0模式;在第三小节中,利用虚拟EMAT阵列,通过相控虚拟聚焦成像算法,对带有通孔的铝板进行损伤成像。

1 EMAT激发和接受兰姆波的基本原理

1.1 铝板中兰姆波传播特性

兰姆波是在板状结构中传播的超声导波,根据质点振动方向的不同,可分为对称模态(S)和反对称模态(A)。对于各向同性均匀介质,由对称和反对称模态的频散方程可以得到平板中兰姆波的频散曲线,如图 1所示[2]。对于厚度一定的铝板,在低频域,反对称模态A0的速度随频率变化剧烈,而对称模态S0的速度近似保持稳定;在高频域,高阶模态(A1,S1,S2和A2)随着频率的增加逐渐出现。兰姆波的多模态和频散特性会对损伤检测和损伤成像造成干扰。因此,在许多基于兰姆波的损伤成像方法中,需要低频散的单一模态。在本文中,我们采用的是S0模态,相对于A0模态,S0模态在低频域具有低频散特性,且具有较高的传播速度。

剪切模量μ=70 GPa,密度ρ=2 700 kg/m3,泊松比ν=0.33图1 铝板中兰姆波的频散曲线

图2 基于洛伦磁力的EMAT设计

1.2 基于洛伦兹力的EMAT

图 2为基于洛伦兹力的EMAT的三维示意图和实物照片。基于洛伦兹力的EMAT由圆柱形永磁体和平面螺旋线圈组成,圆柱形永磁体提供垂直静磁场,平面螺旋线圈提供交变磁场,螺旋线圈在垂直静磁场作用下可以对待测平板进行全周向的损伤检测。如图2(a)和(b)所示,圆柱形永磁铁主要成分是Nd2Fe14B,由于永磁铁具有高灵敏度,且不产生电磁噪声和机械振动,所以能够实现高转换效率。在图2(b)中,传感器外壳由亚克力板制成,外径为22 mm,壁厚为2 mm,高度为30 mm。圆柱形永磁体的外径为15 mm,高度为20 mm。螺旋线圈由布置在印刷电路板正反两面的螺旋铜线绕制而成,铜线的直径0.25 mm,相邻铜线线圈间距为0.25 mm,印刷电路板基板的厚度0.8 mm。

在图 2(c)中,当螺旋线圈通入交变电流时,螺旋线圈周围会形成一个交变磁场。然后,在这个交变磁场的作用下,待测平板中产生感应涡流,其方向与螺旋线圈中电流的方向相反。平板中的感应涡流和永磁铁提供的垂直静磁场相互作用下会在平板中形成洛伦磁力,在该洛伦磁力影响下,平板中质点会产生周期性振动,并以波形的形式沿着平板传播,完成EMAT在平板中激发兰姆波的过程。EMAT对兰姆波的接收过程与激发过程相反,当兰姆波沿平板传播到EMAT底部时,由于平板中质点振动切割静磁场,平板中就会产生感应电动势和感应涡流,导致EMAT周围的磁场发生变化,螺旋线圈中随之发生变化。最后,通过电压信号获得兰姆波。

2 EMAT优化设计

在EMAT的优化实验中,EMAT配置参数对传感器性能有不同的影响。主要性能指标包括兰姆波信号幅值和信噪比。信噪比被定义为S0模态的幅值与最大噪声的比值。当损伤检测进行时,接收信号具有特定的噪声,其强度太高则不能形成具有一定幅值的波包,将会干扰我们对有缺陷的波包的判断,使得缺陷不能被清楚地识别。在本小节中,描述了EMAT的配置参数对其性能的影响,影响传感器性能的EMAT配置参数为激发频率、螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离。

2.1 激发频率优化

本小节通过建立了一套实验检测系统来实现兰姆波的激发和接收。该实验检测系统工作流程如图3所示,主要包括计算机、信号发生器、电磁超声换能器、信号放大器和数据采集卡。信号发生器可以激发稳定的脉冲信号,其峰-峰值为10 V,最大激发频率为5 MHz。数据采集卡使用NI USB-5133,它能提供两个同时采样的通道,分辨率为8位,带宽为50 MHz,最大采样速率高达100 Msample/s。

图4 采用EMAT激发和接收兰姆波和激发频率优化实验

图3 实验检测系统流程图

由LabVIEW软件编程的控制程序发出一个激励信号命令,随后信号发生器向功率放大器输入周期性的脉冲信号,同时输出一个同步信号给数据采集卡。然后经过阻抗匹配后的信号输入到激发EMAT,阻抗匹配的目的是使螺旋线圈中的电流最大化,然后在铝板中形成强烈的涡流,如图4(a)所示。根据洛伦兹力的EMAT工作原理,兰姆波沿着铝板传播,被另一个EMAT接收。接收到的信号属于弱信号,在接收到的信号可被数据采集卡识别之前,需要由前置放大器进行放大,如图4(b)所示。当信号发生器的同步信号被接收到时,数据采集卡开始信号采集,然后将其传送到计算机进行存储。

如图1所示,EMAT可以在低频域同时激发具有不同传播速度的A0和S0模态兰姆波。随着激发频率的变化,S0和A0模态兰姆波的振幅将会相应变化。因此,实验研究了激发频率和兰姆波振幅之间的关系,以确定EMAT的最佳激发频率。最佳激励频率可以最大化地抑制A0模态兰姆波激发,能够在铝板中获得单一的S0模态兰姆波。在最佳激发频率优化实验中,螺旋线圈的外径和内径分别为28 mm和0 mm。圆柱形永磁体的磁场强度为0.3 T。铝板的长度1 m,宽度1 m,厚度2 mm。两个EMAT传感器之间的距离为1 000 mm。其中一个换能器用作激励换能器,其激发汉宁窗调制的5周期正弦波作为激发信号,另一个换能器用作接收换能器,如图4(a)和(b)所示。

图5 螺旋线圈外径实验

在实验中,激发频率范围为100 kHz～400 kHz,实验结果如图4(c)所示。随着激励频率的增加,A0模态和S0模态振幅初始增加后降低。S0和A0模态的幅值比最初随着频率的增加而增加,在225 kHz的频率下达到最大值,然后随着频率的进一步增加而降低。因此,激发频率对EMAT模态选择有较大的影响。我们可以通过优化激发频率来增强S0模态兰姆波并抑制A0模态兰姆波,在最佳激发频率下可以得到所需模态的兰姆波。

2.2 螺旋线圈外径优化

本小节为了优化螺旋线圈外径,设计了不同螺旋线圈外径的EMAT,如表1和图5(a)所示。除螺旋线圈外径外的EMAT所有参数均相同。由图5(b)可以看出具有不同螺旋线圈外径的EMAT在不同激发频率下S0模态兰姆波幅值变化情况。不同螺旋线圈外径的EMAT具有不同的最佳激发频率,且该最佳激发频率会随着螺旋线圈外径的增加而减小。将不同螺旋线圈外径的EMAT在各自最佳激发频率时的S0模态信号幅值和信噪比数据提取并绘制曲线,如图5(c)所示,S0模态信号幅值随着螺旋线圈外径增加而增加。而S0模态信号信噪比呈现出不规侧的变化规律,在螺旋线圈外径为16 mm时,其信号信噪比最高。因此,改变螺旋线圈外径大小将直接影响信号强度。在相同条件下,当螺旋线圈外径增大时,铝板中的涡流面积增加,从而产生较大的洛伦兹力,从而使兰姆波强度增加。由于螺旋线圈外径的变化,信噪比没有呈现规律性地增加,这表明通过改变螺旋线圈外径来改善信号强度,但并不一定能获得良好的信号纯度。当选择最合适的螺旋线圈外径以进行损伤检测时,必须考虑诸如信号强度、信号纯度和传感器大小等方面的因素。

表1 不同的螺旋线圈外径

另外,波长和螺旋线圈外径之间存在关系,如图5(d)所示。利用频散曲线计算得到各个EMAT在最佳激发频率下的波长,随着螺旋线圈外径的增加,波长呈现线性增加的趋势,并且螺旋线圈的外径与波长的比值约为1.2,该比值为确定EMAT最佳激发频率和螺旋线圈外径提供便利。

2.3 螺旋线圈内径优化

本小节设计了5种具有不同螺旋线圈内径的EMAT,如表2和图5(a)所示,研究了螺旋线圈内径对EMAT的影响。在实验中,除了螺旋线圈的内径以外的所有参数是一致的。

表2 不同的螺旋线圈内径

图6(a)显示了不同频率下S0模态兰姆波幅值随频率变化情况。具有不同螺旋线圈内径的EMAT的最佳激发频率没有显着变化,主要集中在225 kHz～250 kHz范围内。螺旋线圈内径越大,导致S0模态兰姆波幅值越小。螺旋线圈内径增加,使得螺旋线圈的有效面积和铝板中产生的涡流面积都减小。因此,S0模态兰姆波幅值降低。如图6(b)所示,具有不同螺旋线圈内径的EMAT在最佳激发频率下的S0模态幅值随着内径增加而逐渐减小,当螺旋线圈的内径为0 mm时,信噪比最高。当内径为14 mm、10 mm和6 mm时,信噪比仅略微变化。然而,当内径大于外径的一半时,信噪比会急剧下降。

图6 螺旋线圈内径实验

上述实验结果表明,当螺旋线圈内径为0 mm时,S0模态兰姆波在信号强度和信号纯度方面都具有最佳性能。因此,在后续实验中使用螺旋线圈内径为0 mm的EMAT进行更准确的损伤检测。

2.4 EMAT提离距离优化

非接触是电磁超声换能器最大的优点[1-6]。电磁超声换能器可以在不接触铝板的情况下,在铝板中形成感应涡流并激发兰姆波。因此,对于待测平板,表面不需要进行预处理测,以减少检测所需的时间和精力。提离距离是电磁换能器和铝板之间的距离,如图2(c)所示。当传感器的提离距离越大时,传感器的非接触性就越好。当提离距离足够大时,EMAT可用于高温加热面的在线检测。因此,研究提离距离对传感器性能的影响是有意义的。在研究传感器提离距离的优化实验中,螺旋线圈外径和内径分别为14 mm和0 mm。S0模态兰姆波幅值和信噪比的曲线如图 7所示。在图7(a)中,激发EMAT的提离距离在0～2.2 mm的范围内变化,接收EMAT的提离距离设定为0 mm。图7(b)显示了相反的情况。随着激发或接收EMAT的提离距离的增加,S0模态兰姆波幅值和信噪比降低。实验证明了电磁超声换能器确实具有非接触能力。

图7 S0模态和信噪比的曲线图

3 板状结构损伤成像实验

由于电磁超声换能器可以在不使用超声波耦合剂或粘合剂的情况下在板状结构中产生兰姆波,本小节利用优化的电磁超声换能器构建虚拟EMAT阵列,通过相控虚拟聚焦成像方法,对带有通孔的铝板进行损伤成像检测,研究了阵列间距和阵元数量对成像结果的影响。

3.1 相控虚拟聚焦成像算法

本小节描述的相控虚拟聚焦方法利用单个固定位置的EMAT作为激发端,另一个EMAT通过自由移动到多个预定义位置构成虚拟阵列作为接收端。根据EMAT阵列阵元到虚拟焦点的距离计算时间差,然后将时间差分配给相应的回波信号,用于计算机中信号的虚拟合成[14-17]。合成后,虚拟焦点就会出现能量聚集现象,从而可以识别损伤的位置和大小,如图8所示。

损伤成像需要精确计算每个回波信号叠加的时间延迟。图8示出了一维虚拟EMAT阵列的布局,其中T是激发换能器,点T和点P之间的时间是固定的。点P是损伤,R是接收换能器,假设阵列元素n是从点P到接收换能器的最远点,则每个接收换能器的时间延迟计算如下:

(1)

式中:τi是第i个阵元的时间延迟;c是S0模态兰姆波的波速;(xn,yn)和(xi,yi)分别是第n个和第i个阵元的坐标。

图9 10个接收换能器阵列具有不同阵元间距的损伤成像(λ=12 mm)

3.2 损伤成像检测实验

本小节实验中EMAT的螺旋线圈的外径和内径分别是14 mm和0 mm,铝板为700 mm×800 mm×1 mm。每次激发频率优化时,主频率为450 kHz。当激发频率为450 kHz时,1 mm厚的铝板中的S0模态兰姆波的传播速度为5.36 km/s,S0模态兰姆波波长λ=12 mm。

为了更好地确认传感器和缺陷位置,建立如图8的直角坐标系。损伤为一个直径10 mm的通孔,其坐标为(350 mm,550 mm)。激发端的坐标为(400 mm,11 mm),每个接收换能器阵元的y坐标均等于11 mm,即每个接收换能器阵元平行于激发换能器。第1个接收换能器阵元的x坐标为x=300 mm,其他接收换能器阵元的x坐标基于阵元间距和阵元数量计算得到。在实验中将阵元间距设置为波长的倍数。以阵元间距λ=12 mm为例,第16个接收换能器阵元的坐标为(120 mm,11 mm)。

图8 一维电磁超声传感器阵列布局

波场的相位叠加会随阵元间距变化而变化。当阵元间距过大时,会产生栅瓣,从而影响损伤成像的对比度。本小节实验中接收换能器阵元间距分别取0.5λ、1λ和1.5λ,接收换能器阵元数量均为10个,损伤成像结果如图9所示。图 9中红色圆圈代表通孔实际位置,其坐标为(350 mm,550 mm)。接收换能器阵元间距分别取0.5λ、1λ和1.5λ时,损伤成像显示的通孔坐标分别为(530 mm,529 mm),(268 mm,555 mm)和(503 mm,536 mm),损伤位置偏差分别为181.22 mm,82.15 mm和153.64 mm。当阵元间距为1λ时,损伤成像偏差最小。

当接收换能器阵元间距定为1λ时,分别取接收换能器阵元数量为10、13和16来研究阵元数对损伤成像的影响。损伤成像如图 10所示。在图 10中,阵元数量为10、13和16的损伤成像通孔的位置坐标(268 mm,555 mm),(344 mm,560 mm)和(350 mm,555 mm),而通孔的实际位置坐标(350 mm,550 mm),相应的位置偏差分别为82.15 mm,11.66 mm和5 mm。随着阵元数量增加,损伤位置偏差减小,成像的准确性得以提高。当阵元数量为16时,损伤位置偏差仅为5 mm,小于通孔的半径(直径等于10 mm),表明通孔成像位置和实际位置完全吻合。

图10 接收换能器阵元间距为1λ时不同阵元数量的损伤成像

4 结论及展望

本文设计了一种基于洛伦兹力的电磁超声换能器,该电磁超声换能器由螺旋线圈和圆柱形永磁体组成,适用于非铁磁性板状结构的全周向检测。另外,利用该电磁超声换能器构建虚拟电磁超声换能器阵列损伤检测系统,通过激发单一S0模态兰姆波,实现板状结构损伤成像检测。实验研究了EMAT配置参数对S0模态兰姆波信号强度和信噪比的影响规律,包括激发频率、螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离等参数,得到的优化实验结果:①不同配置参数的EMAT具有不同的最佳激发频率,在最佳激发频率下可以获得有更高的信号强度和信噪比;②螺旋线圈的外径对EMAT的性能有很大的影响,螺旋线圈外径通常是最佳激发频率下S0模态兰姆波波长的1.2倍;③当螺旋线圈内径为0时,EMAT在信号强度和信噪比方面表现最好;④增加提离距离会降低EMAT的性能,但是EMAT能够在适当的提离距离内实现非接触无损检测。换能器阵元间距和阵元数量对损伤成像有影响,当阵元间距等于S0模态兰姆波波长时,损伤成像效果最佳。随着阵元数量的增加,损伤处能量聚焦效果更好,损伤检测更准确。

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郭鹏(1986-),男,河南荥阳人,博士研究生,主要研究方向为超声导波检测技术,guopeng0228@163.com;

徐鸿(1959-),男,教授、博士生导师,主要研究方向为结构健康监测和超声无损检测技术,xuhong@ncepu.edu.cn。

OptimalDesignofElectromagneticAcousticTransducerandApplicationResearchofDamageImagingforPlate-LikeStructures*

GUOPeng,XUHong*,TIANZhenhua,DENGBo,LANXiang,CHENXianhui

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

This paper presents a virtual electromagnetic acoustic transducer(EMAT)array for damage imaging in plate-like structures. The EMAT,consisting of planar spiral coils and cylindrical permanent magnets,can efficiently excite low-dispersive and high-amplitude singleS0mode Lamb wave through the Lorentz force in aluminum plates. The effects of EMAT configurations parameters(such as excitation frequency,outer diameter of the spiral coil,inner diameter of the spiral coil and lift-off distance)on the performance of excitedS0mode are investigated experimentally. In addition,a virtual transducer array can be constructed by moving the receiving EMAT to multiple pre-defined locations for sensing Lamb waves. The effects of array element spacing and array element number on the imaging result are investigated. The result shows that the imaging result of the EMAT array agrees well with the actual crack location by phased virtual focus imaging method.

electromagnetic acoustic transducer;Lorentz force;optimal design;S0mode;damage detection;array imaging

TB552;TB559

A

1004-1699(2017)11-1758-08

项目来源:国家自然科学基金项目(51134016,11074073);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2016XS25)

2017-08-29修改日期2017-09-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.024