电磁超声钢板测厚装置中脉冲电磁铁的设计

邱佳明　丁汉绅　王淑娟

摘要：针对传统电磁超声换能器（dectromagnetic acoustic transduccr，EMAT）在钢板表面移动困难、探头易磨损等问题，提出利用脉冲电磁铁替代永磁铁为换能器提供偏置磁场的方法。该方法通过控制激励电流来控制脉冲电磁铁仅在超声体波发射接收瞬间激发脉冲磁场，提高换能器在试件表面多点测量时的移动性。通过对脉冲电磁铁励磁线圈、铁芯以及驱动电路的设计，使得脉冲磁场满足EMAT对于偏置磁场强度及维持时间的需求。为测试该脉冲电磁铁的性能，搭建电磁超声钢板测厚实验平台。结果表明：激励电流仿真值与实测值相似度达90%，脉冲电磁铁可产生峰值约0.8T、维持时间120μs的脉冲磁场，以该方法设计的换能器可对50Inn厚钢板进行测厚同时具有良好的移动性。

关键词：电磁超声换能器；脉冲电磁铁；测厚；移动性

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2018）05-0077-06

0引言

电磁超声钢板测厚技术属于非接触式检测，具有结构简单、无需耦合剂的优点。其核心组件电磁超声换能器通常由发射（接收）线圈、永磁铁和待测试件3部分组成，工作中依靠换能器在钢板中激发体波，通过测量体波信号的往返时间计算试件厚度。实际应用中EMAT需在试件表面不断移动进行多点测量，但永磁铁磁场时时存在，使得换能器部分在钢板表面移动困难、易磨损。而脉冲电磁式电磁超声换能器（pulsed electromagnetic acoustic transducer，PE-EMAT）通过控制脉冲电磁铁的激励电流可以控制所激发磁场的强弱和有无，仅在工作周期内对试件有吸附力，大大提高了换能器在试件表面多点测量时的移动性。

脉冲电磁式电磁超声换能器的核心是脉冲电磁铁，目前在电磁超声钢板测厚领域，对脉冲电磁铁的相关研究较少，仅在个别团队中进行。如英国华威大学的F.Hernandez-Valle和S.Dixon设计了一个可对表面温度300℃的钢板进行测厚的大体积脉冲电磁铁；俄罗斯乌拉尔联邦大学的A.V.Mikhailova，Yu.L.Gobov等设计了一款能耗较高但可产生1.8T脉冲磁场的U型脉冲电磁铁：张恒等以硅钢片为铁芯设计了一种用于钢轨探伤的E型脉冲电磁铁；西安交通大学裴翠祥、肖盼等设计了一种以脉冲电流源为激励的薄片式脉冲电磁铁，可贴在表面弯曲的试件上进行检测。近些年脉冲电磁式电磁超声换能器愈发向小型化、低能耗的便携性设备方向发展，但文献中提到的几种脉冲电磁铁存在体积大或能耗高等问题，无法应用在便携性设备中。

本文为提高电磁超声换能器在试件表面的移动性，从工作回路分析、铁芯选材、勵磁线圈参数计算以及仿真验证等角度出发，设计了一种小型脉冲电磁铁。该脉冲电磁铁具有体积小、质量轻、移动性好等特点。在便携式的电磁超声钢板测厚装置中有一定的应用价值。

1PE-EMAT测厚机理

PE-EMAT由发射（接收）线圈、脉冲电磁铁和待测试件3部分组成。本文采用测厚常用的蝶形线圈配合脉冲电磁铁激发电磁超声体波，其激发机理主要为洛伦兹力。电磁超声体波激发原理如图1所示，蝶形线圈内通入高频交变电流，在钢板集肤深度内感应出涡流，脉冲磁场与涡流相互作用产生洛伦兹力进而引起钢板内质点的周期性振动，完成超声体波的发射。接收是发射的逆过程，最终在接收线圈内感应出微伏级的电压信号。已知体波在钢板中的传播速度为3 250m/s，通过测量回波的反射时间可计算出钢板的厚度。

PE-EMAT的完整工作过程如图2所示。首先，脉冲激励装置为储能电容充满能量：储能电容向励磁线圈放电，通过产生强电流脉冲激发脉冲磁场：经过时长为t₁的励磁时间后，脉冲磁场达到峰值区域；此时，发射系统为蝶形线圈通入互补脉冲对驱动发射电路激发出电磁超声体波；t₂时间内可接收到多次反射回波。

2小型脉冲电磁铁的设计

脉冲电磁铁分含铁芯与不含铁芯两类，与不含铁芯的脉冲电磁铁相比，含铁芯的脉冲电磁铁可在相同激励电流下激发更强的脉冲磁场，驱动电路结构简单、体积小。因此本文采用含铁芯形式的脉冲电磁铁。

2.1脉冲电磁铁铁芯的选材

制作脉冲电磁铁铁芯的常用材料为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料被磁化后，即使外磁场消失也能保持稳定的磁场，限制了PE-EMAT在试件表面的移动能力。而软磁性材料剩磁小、磁导率高，在外磁场作用下磁化及退磁速度极快，可保证PE-EMAT在工作周期前后对试件无吸附力，可自由移动进行多点测量。为此本文选择软磁材料制作脉冲电磁铁铁芯。

软磁性材料中的锰锌铁氧体铁芯形状丰富、廉价易得，同时具有较好的磁性参数。其电阻率为102μΩ·cm，剩磁为0.000 1T，工作过程中能够将涡流损耗和剩磁损耗大大降低。并具有较高的磁导率（可达5 000H/m），能够在极短时间内被饱和磁化，与励磁线圈产生的磁场相叠加后可产生较强的脉冲磁场。因此本文选择锰锌铁氧体作为脉冲电磁铁的铁芯。

2.2脉冲电磁铁工作回路分析

脉冲激励电路示意图如图3所示，脉冲电磁铁在电路中等效为电阻R与电感L串联，由初始电压为U₀的高压电容C提供脉冲激励。

此脉冲放电过程为RLC二阶暂态电路，可由下式分析其励磁电流I的变化情况：

电路为临界阻尼状态，是处于正向放电与衰减震荡的临界情形如图4中曲线2所示。

电路为欠阻尼状态，此过程脉冲电流波形存在衰减震荡的过程如图4中曲线3所示。由图4可知，让电路工作在欠阻尼状态下，可在短时内获得脉冲大电流，同时在回路中加入开关管即可消除电流震荡的负半周。对于励磁电流，，关键指标是峰值，m与峰值区域宽度T_bo。T_b是指励磁电流满足0.95I_m≤I≤ I_m的区间宽度。

为使锰锌铁氧体磁芯工作在饱和磁化状态，励磁线圈内部产生的脉冲磁场幅值H_m应为锰锌铁氧体矫顽力（16A/m）的5-7倍为宜。在线圈匝数较少（匝数<100），铁芯体积较小情况下（长、宽、高≤20mm），根据文献中Hm的计算方法，换算出的励磁电流的峰值约为250-300A，本文选取，Ⅲ=260A。T_b影响EMAT线圈的工作时间，当被测试件为中厚钢板时，EMAT线圈通常工作50-120μs，本文为检测到多次回波取T_b=120μs。

2.3磁芯及励磁线圈的设计

1）磁芯形状的设计

大量关于电磁超声换能器优化设计的研究表明，永磁铁形状为圆柱形时换能器性能较好。为此本文设计圆柱形脉冲电磁铁为换能器提供偏置磁场。为提高换能器的便携性，脉冲电磁铁的体积应尽量小，保证底部截面能够覆盖蝶形线圈即可。本文采用的蝶形线圈尺寸为Φ10 mm，为此选择尺寸为Φ12 mm×10.2 mm的圆柱形锰锌铁氧体作为磁芯。

2）励磁线圈的设计

本文制作脉冲电磁铁的方法是用漆包铜线在锰锌铁氧体铁芯上密绕多层，如图5所示，其中n为励磁线圈内径，r₂为外径，l为励磁线圈纵向长度，d为线径。

已知磁芯尺寸的情况下，由上文求出的R和L的值可确定励磁线圈的参数。由文献可知，含有铁芯的通电线圈其电感L与电阻R可由下式进行计算：

化简后上式仅含有Ⅳ与d两个未知量，解方程可求出励磁线圈线径与匝数的估值：d=0.394--0.401 mm，N=67-72匝。

参考上述理论和仿真分析的结果，本文以尺寸为Φmm12×10.2 mm的柱形锰锌铁氧体为磁芯，采用线径0.4 mm的漆包铜线在其上均匀绕制4层共70匝。按上述方法制作的小型脉冲电磁铁电阻值R：489mΩ，电感L：155μH，体积：3282mm³，质量：10g。

3脈冲电磁铁驱动电路的设计

脉冲电磁铁驱动电路由高压电容充电电路及脉冲成型电路两部分组成。其中高压电容充电回路采用单端反激拓扑结构，如图6所示，由反激变压器、开关管、储能电容、电压检测模块以及控制模块组成。

工作过程中控制模块及电压检测模块构成闭环回路，控制反激变换器将能量从原边向副边的高压电容传递，以此方法设计的充电回路可将1 000μF的高压电容在0.4 s内充电至200V，如图7所示。

脉冲成型电路如图8所示，选用大电流IGBT作为开关器件，开通后将储能电容中的能量迅速释放到励磁线圈中，通过产生大电流建立强脉冲磁场；IGBT关闭后电路中电流为0，磁场逐渐消失。为验证驱动电路设计的合理性，根据LCR表测得的R与L，本文利用Pspice电路仿真软件模拟脉冲电磁铁励磁线圈中电流的变化情况。

将U₀=200V，C=1 000μF，R=489mΩ，L=155μH代人仿真模型，得到的励磁电流仿真结果如图9中虚线所示，并使用电流检测探头测得励磁电流实际变化曲线如图9中实线所示，可看出实测结果与仿真结果相似度达90%。同时，从图中可以看出电流峰值维持在260A邻近区间的时间约为120μs，验证了理论分析的正确性。

4实验验证

脉冲电磁式电磁超声钢板测厚实验平台搭建如图10所示。

待测钢板的尺寸为180mm×180mm×50mm。实验中CPLD控制电路负责各部分电路的时序控制，由脉冲电磁铁提供脉冲磁场，通过蝶形线圈完成超声波信号的发射与接收，输出信号可通过示波器记录和观察。

4.1磁场测量实验

为了对脉冲磁场进行测量，本文基于日本旭化成有限公司研发的HG-106C型高精度霍尔元件设计制作了线性度良好的霍尔传感器，对脉冲电磁铁正下方磁场进行测量所得结果如图11所示。

由图可看出脉冲磁场建立时间为380μs，峰值为0.8 T，维持时间约为120μs。该脉冲磁场可满足PE-EMAT单个工作周期内对于偏置磁场强度及维持时间的需求。

4.2钢板测厚对比实验

在对钢板的测厚实验中分别用圆柱型钕铁硼永磁铁（磁感应强度为0.54T）和本文制作的脉冲电磁铁为EMAT线圈提供外磁场。保持信号放大倍数相同的情况下，得到的实验结果如图12所示。与永磁铁相比，脉冲电磁铁在钢板中产生的回波信号幅值更大。

4.3移动性验证实验

3个连续工作周期内静磁场与脉冲磁场的对比图如图13所示。可看出永磁铁0.54T的静磁场时存在，而脉冲电磁铁仅在超声体波发射接收瞬间激发脉冲磁场。以1 Hz的工作频率为例，脉冲电磁铁存在吸力的时间t₃仅占工作周期t₄的0.5%，平均吸力极低，大大提高了电磁超声换能器在试件表面多点测量时的移动性。

5结束语

为提高电磁超声换能器在钢板表面多点测量时的移动性，提出利用脉冲电磁铁替代永磁铁为换能器提供偏置磁场的方法。通过对脉冲电磁铁励磁线圈、铁芯以及驱动电路的设计，使其产生的脉冲磁场可满足EMAT对于偏置磁场强度及维持时间的需求。经过实验测试，脉冲电磁铁激励电流仿真值与实测值相似度达90%，脉冲磁场峰值约为0.8 T、维持时间120μs，配合蝶形线圈制作的PE-EMAT可对50mm厚钢板测厚。当工作频率为1 Hz时，脉冲电磁铁存在吸力的时间仅占一周期的0.5%，平均吸力极低，大大提高了换能器的移动性。

（编辑：刘杨）