曲折线圈电磁超声换能器激励性能优化设计*

张 金,赵 亮,石文泽,王 鑫,董子华

(1.陆军炮兵防空兵学院,合肥 230031;2.南昌航空大学,南昌 330063)

电磁超声换能器作为一种新型超声检测换能器,基于电磁耦合的原理在物体内部形成超声波,因此检测时无需对被测试样表面进行预处理和涂抹耦合剂,检测温度最高可达1 000 ℃,是无损检测领域中发展迅速且较前沿的技术[1-2]。然而,电磁超声检测也存在一些不容忽视的缺点,如换能效率低、接收回波信号小、信噪比低、易受环境噪声干扰等。因此如何通过EMAT参数优化设计、电磁超声激励/接收电路设计以及信号处理和降噪算法来提高EMAT的换能效率和信噪比是当前研究的热点问题之一。

在EMAT多物理场建模方面,Jafari Shapoorabadi等[3]提出了考虑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,并利用有限元方法改进EMAT换能过程,使之具有更好的稳定性和收敛性。孙斐然等[4]综合近年来关于洛伦兹力机制的电磁超声换能器的的数学建模方法,给出较完整的耦合方程和建模过程,并分析偏置磁场、激励线圈等参数对换能效率的影响。翟国富等[5]通过将圆柱永磁体等效为电流环,建立螺旋线圈EMAT完整解析模型,得到了关于涡流、磁场、力场和线圈阻抗的表达式。

在EMAT参数优化设计方面,Mirkhani等[6]研究了基于洛伦兹力的EMAT中永磁体尺寸的影响规律,研究发现当磁铁宽度约为跑道线圈宽度的1.2倍时,激励EMAT所对应的超声波幅值可以提高10%以上。Jia Xiaojun等[7]提出改进的双螺旋线圈EMAT结构,与传统线圈相比,新型的双层线圈的产生的激励信号比传统结构提高了2倍。Isla等[8]设计了一种新型EMAT磁铁排列方式,通过将多个磁铁排列在铁磁芯周围,使通过检测实验表面产生的信号幅值提高了20dB。刘勋丰等[9]分析了3种磁铁组合方式下永磁体几何参数对EMAT换能效率的影响。范吉志等[10]提出减小基板厚度和提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高螺旋线圈EMAT的激励效率。清华大学的郝宽胜等[11]分别对基于洛伦兹机理和磁致伸缩机理的EMAT 完整换能过程进行有限元分析和解析,并通过实验检测了线圈提离、线圈间距及回折数、线圈导线宽度等可能影响EMAT特性的因素,提出了回折线圈的优化设计方案。

在EMAT激励和接收电路设计方面,Hirao M等[12]首先提出在激励端和接收端增加阻抗匹配电路可有效的提高EMAT换能效率。Zao Yongming[13]等设计串并联电感电容电感谐振电路,通过双谐振现象可以实现高频脉动电压增益,并且可以实现阻抗匹配和优化转换效率。Seher M[14]设计了双端口变压器模型模拟和扁平螺旋线圈模拟EMAT的终端阻抗,通过实验发现EMAT信噪比与传输灵敏度和接收端噪声系数的倒数有关,并优化阻抗匹配电路,提高EMAT转换效率。

综上所述,EMAT参数优化和电磁超声激励/接收电路对电磁超声检测信号的幅值和信噪比起着至关重要的作用。然而,大部分学者在针对EMAT单一设计因素的参数最优解,但多个单因素的最优组合对应的EMAT换能效率并不一定最高。另外,有学者指出,EMAT探头随着线圈层数增加,换能效率随之增加。但是电磁超声激励所采用恒定电压或恒定功率的功率放大器,当线圈层数增加会导致线圈阻抗过高,将可能导致激励电流下降,所对应的EMAT换能效率不一定高。

本文在EMAT换能机理分析基础上,采用Comsol Multiphysics对EMAT探头进行多物理场参数化建模,探究EMAT探头永磁体高度、曲折线圈单根分裂与否和线圈层数的影响规律,并采用正交试验的方法探究其影响规律,得出了曲折线圈EMAT最佳参数组合,最后通过实验对仿真的结果进行验证。

1 曲折线圈EMAT换能机理及其组成

在曲折线圈中通入高频电流,将会在被测试样表面感生出相同频率的电感应涡流,该感应涡流方向与线圈中通入的高频电流方向相反,且在永磁体产生的偏置静磁场作用下会产生洛伦兹力。在洛伦兹力作用下,试样产生周期性的振动,这种振动在试件中以波的形式进行传播,便实现了EMAT表面波的激励过程,如图1所示[15]。

图1 洛伦兹力表面波EMAT工作机理

基于洛伦兹力的曲折线圈EMAT激励过程的控制方程如下[16]:

1.1 永磁体偏置磁场控制方程

在EMAT探头中,永磁体所提供的磁感应强度B如下式所示:

μ2φm=0

(1)

H=-φm

(2)

B=μH+Br

(3)

σm=μM0·n

(4)

(5)

式中:H、φm和μ分别为磁场强度、磁位标量和磁导率,Br为永磁体的剩余磁感应强度,σm为永磁体的面磁密度。

1.2 脉冲涡流与洛伦兹力控制方程

在EMAT探头中,试样表面产生的电涡流Jiz可用下述方程表示:

建议进行河道清障、底泥疏浚，清除一些底泥污染；在岸边栽植水生植物，提高净水效果；考虑养殖水浮莲。据介绍，一亩水浮莲短期内可以吸收氮50 kg、磷10 kg，对水体中的酚、汞、铅、镉、砷等也有极强的富集能力，可提高水体自净的速度。

(6)

(7)

fLs=Jiz×B

(8)

式中:Sk、Rk表示第k匝线圈的截面积和截面区域;Az、σ为磁矢量和电导率;fLs、ie(t)为洛伦兹力和瞬态激励电流。

1.3 超声传播控制方程

在铁磁试样中,超声传播方程如下:

(10)

ftotal=fM+fMS+fL

(11)

式中:ρ为试样密度;u为质点的位移向量;γ为试样的阻尼系数;ftotal为质点力的总和;λ、μ为试样的弹性常数;fL为洛伦兹力;fMS为磁致伸缩力;fM为磁化力。由于本文所检测试样为铝板试样,不存在磁致伸缩力和磁化力,故ftotal=fL。

2 EMAT探头建模

本文所建立的EMAT激励有限元模型如图2所示,相关的参数如表1所示。

表1 模型相关参数

在永磁体下方增加厚度为0.1 mm的铜背板,一方面可以避免在永磁体底部产生的表面波对试样中的表面波产生干扰,另外一方面可以通过增加铜背板改变EMAT线圈的阻抗特性,从而达到增强换能效率的目的[17]。曲折线圈导线宽0.1 mm,导线高0.017 5 mm,线圈相邻导线间距为0.3 mm,匝间距为1.5 mm,每层曲折线圈14匝,每匝由同向四根铜线圈组成,下层线圈与试样的提离距离为0.3 mm。在试样右端取一点,对其进行点积分求其面内位移和面外位移为激励回波信号。激励端EMAT的主要设计参数为曲折线圈的线圈宽度a、线圈高度b、磁铁宽度Wm、永磁体高度Hm、双层间距h1,背板与上层线圈间距h2,这6个因素各选取3个数值,取值见表2。

表2 激励线圈与永磁体取值参数

图2 曲折线圈EMAT结构示意图

仿真模拟0.9 MHz的EMAT探头在试样表面激励表面波,激励电流的函数由式(12)给出[18]:

(12)

图3 EMAT有限元模型网格划分

在曲折线圈电磁超声激励过程有限元模型中,铝板试样中产生的感生电压和激励产生的表面波幅值受计算时间步长和网格尺寸的影响,当计算时间步长不大于1/(100×f),最大网格大小不大于λ/10,以及线圈内集肤层网格数不少于3个时,有限元结果收敛,仿真结果准确可靠[19]。因此计算时间步长取0.05 μs,铝板试样、永磁体、线圈、铜背板、空气的网格大小的最大单元尺寸分别设置为0.5 mm、1 mm、0.02 mm、0.01 mm、2 mm,并对线圈和试样集肤层进行局部细化,如图3所示。曲折线圈EMAT激励过程的多物理场耦合仿真过程如下:①垂直充磁的永磁体在试样表面形成的静态偏置磁场,②通以大功率电流的曲折线圈在铝合金试样表面产生脉冲电涡流,③将静态偏置磁感应强度与脉冲涡流密度的乘积作为洛伦兹力,并作为固体力学模型的边界载荷,铝合金试样在洛伦兹力的作用下,便可以产生表面波。

3 曲折线圈EMAT影响参数分析

由于EMAT的多个设计参数均对EMAT激励效率产生影响,鉴于有限元仿真时间较长,很难进行全面试验,因此本文采取正交试验来减少仿真次数,正交试验的仿真结果如图4所示。

图4 EMAT设计参数对表面波面外、面内位移峰值影响

如图4(a)、(b)所示,随着曲折线圈导线宽a和导线高b增加,接收端信号幅值不断降低,这是由于仿真模型设定的电流恒定,当导线宽度和导线高度增加时,线圈单位面积内的电流密度减小,导致面内、面外位移幅值减小。

如图4(c)所示,随着永磁体宽Wm增加,接收端信号幅值逐渐降低。当永磁铁的高度不变,磁铁宽度对试样表面x向磁感应强度的影响如图5所示,其中EMAT线圈的有效长度为10 mm至30 mm。由图5可知,随着磁体宽度的增加,EMAT线圈有效长度内的总偏置磁场强度表现为先增加后减小的趋势,因此对应的表面波幅值也呈现相同的趋势。由图4(d)可得,随着永磁体高Hm增加,接收端信号幅值逐渐增加,因为永磁体高度增加,永磁体的所提供的磁感应强度增加,所以面内、面外位移幅值增加。如图4(e)、(f)所示,当双层曲折线圈间距h1和背板与上层线圈间距h2增加时,永磁体与试样距离随之增加,导致试样表面偏置磁场减小,另外曲折线圈与试样的距离增加也会导致试样表面的电涡流减小,两者综合作用导致激励产生的表面波幅值减小。

图5 不同永磁体宽度x方向的磁感应强度变化

由图4可知,当线圈导线宽a,线圈导线高b,磁铁宽度Wm,磁铁高度Hm,双层间距h1,背板和上层线圈间距h2分别为0.1 mm、0.017 5 mm、15 mm、30 mm、0.1 mm、1 mm时,EMAT的换能效率最高。随机选取3组正交试验中没有的参数组合,用Comsol Multiphysics仿真软件计算出相应参数组合的面内、面外位移,与Minitab计算得到的预测值作对比,验证正交试验的合理性。上述参数组合的仿真结果与预测结果的比较结果如表3所示,3组参数组合面内、面外位移与预测值的误差均在5%以内,因此基本可以确定正交试验是合理的。

表3 表面波面内、面外位移峰值的仿真与预测结果验证

图6 不同线圈对EMAT产生的表面波面外、面内位移峰值影响

单层不分裂曲折线圈、单层同向四根分裂曲折线圈,双层同向四根曲折分裂线圈对激励超声波幅值的影响如图6所示。由图6可知,采用双层同向分裂线圈要比单层同向分裂线圈的面外位移峰值和面内位移峰值均提高了43.8%;采用单层同向分裂线圈要比单层不分裂线圈的面外位移峰值提高了67.1%、面内位移峰值提高了63.9%。

因此,曲折线圈层数和曲折线圈分裂根数均能有效提高EMAT探头的激励效能,这是由于通过单根导线的电流恒定,采用多层曲折线圈和同向分裂曲折线圈使单位截面积通过的电流增大,试样表面感应电涡流增大,因此曲折线圈EMAT的换能效率也随之增加。

在仿真模型中,通过曲折线圈的电流恒定,在实际检测中功率放大器往往是电压恒定或功率恒定,曲折线圈层数越多,每层线圈通过的电流越小,EMAT探头换能效率不一定高,因此需要通过实验验证仿真结果。

图7 EMAT曲折线圈示意图

4 实验验证

4.1 实验方案

本实验采用不同EMAT探头激励表面波,采用同一EMAT探头在铝板试样的另一端接收超声回波,探头间距为265 mm。接收EMAT中永磁体尺寸为78 mm×28 mm×20 mm。实验中分别采用单层不分裂曲折线圈和同向四根分裂曲折线圈,其中单根线圈导线高0.035 mm,导线宽0.75 mm,分裂线圈单根导线宽0.15 mm,导线高度为0.035 mm,导线间距0.3 mm,匝间距1.5 mm,匝数均为14,曲折线圈如图7所示。

采用Aligent 33120A信号发生器产生激励0.9 MHz的正弦脉冲串,经功率放大器放大,通过阻抗匹配将激励电压加载到EMAT探头上,再由接收端EMAT探头接收到感生电压,通过放大器、滤波处理后,由数据采集卡完成模数转换,并将数据送入安装在计算机上的LabVIEW软件界面,从而完成数据采集、波形显示和数据存储,实验原理如图8所示。

图8 电磁超声检测实验原理

4.2 EMAT永磁体和曲折线圈实验分析

4.2.1 EMAT中永磁体尺寸影响实验分析

激励端采用并联双层四分裂线圈,激励端EMAT探头所用永磁体长度为78 mm,宽度为28 mm,改变激励端EMAT探头永磁体的高度,监测接收端电压信号幅值最大值,如图9所示。

由图9可得,激励端永磁体高度由10 mm增加到20 mm,接收到表面波幅值由116.12 mV增加到233.45 mV,回波幅值增加了101.04%,说明永磁体的高度增加可有效地提高EMAT探头换能效率。

图9 永磁体高度对EMAT激励表面波的影响

图10 曲折线圈连接方式示意图

4.2.2 EMAT线圈形式影响实验分析影响

激励端分别采用单层不分裂曲折线圈、单层同向四分裂曲折线圈、双层同向四根分裂曲折线圈、三层同向四根分裂曲折线圈,曲折线圈之间分别采用串联连接和并联连接,如图10所示。

激励端EMAT与接收端EMAT均采用一块尺寸为78 mm×28 mm×20 mm的永磁体,不同曲折线圈及其组合形式对接收超声波信号的影响如图11所示。由图11可得,单层同向四分裂曲折线圈比单层不分裂曲折线圈的回波幅值增加了32.6%,可见采用同向分裂曲折线圈可以有效的提高回波幅值,同向分裂根数越多,回波幅值越大。采用并联双层同向四分裂曲折线圈比采用串联双层同向四分裂曲折线圈的方式回波幅值提高了50.4%,采用并联三层同向四分裂线圈比采用串联三层同向四分裂线圈的方式回波幅值提高了66.6%,因此EMAT探头曲折线圈采用并联连接可有效提高换能效率,但并联曲折线圈层数不宜过多。

图11 不同曲折线圈对EMAT激励表面波的影响

在仿真结果中,EMAT激励效率随着并联线圈层数增加而增加,这是仿真模拟中假定通过EMAT线圈的电路幅值是恒定的,曲折线圈层数越多,对应EMAT换能效率越大。然而实际检测所用的功率放大器往往是电压恒定或功率恒定。当曲折线圈串联时,曲折线圈的阻抗随着串联层数越多,阻抗越大,单根内导线通过的电流减小,铝板试样中感生电动势也随之减小,激励产生的表面波幅值减小,所以回波幅值随着串联曲折线圈层数增加而降低;当曲折线圈并联时,曲折线圈层数越多,通过每层曲折线圈的电流减小,且曲折线圈层数越多,曲折线圈阻抗增加,永磁体距离试样表面距离越远,磁通量减小,产生的表面波幅值减小。另一方面,随着曲折线圈层数的增加,新增曲折线圈距离试样的距离也逐渐加大,反而不利于提高换能效率。

5 结论

本文建立了电磁超声表面波激励过程的有限元模型,采用正交试验的方法对EMAT探头设计参数的影响规律进行分析,并通过实验验证了上述结果的准确性,得到的主要结论如下:

(1)永磁体的尺寸、曲折线圈的导线宽和导线高、双层曲折线圈间距和背板与上层间距均对EMAT探头换能效率有影响,其中永磁体的尺寸对EMAT探头换能效率影响最大,曲折线圈的导线宽度和背板与上层间距对EMAT探头换能效率影响最小。永磁体高度越高,宽度越窄,曲折线圈的导线宽度越窄,导线高度越低,双层曲折线圈间距和背板与上层间距越小,EMAT探头换能效率最佳。

(2)曲折线圈层数及线圈分裂根数对EMAT换能效率有较大的影响。曲折线圈分裂根数越多,EMAT探头换能效率越好,采用单层同向四分裂曲折线圈比单层不分裂曲折线圈回波幅值提高32.6%。曲折线圈之间采用并联连接的方式比串联连接换能效率高,采用并联连接相比串联连接回波幅值提高50%以上。适量增加曲折线圈并联层数可以提高EMAT探头换能效率,但曲折线圈并联层数不宜过多,并联层数过多会使线圈阻抗增加,并且并联层数过多会使永磁体与试样距离增加,试样表面的偏置磁场减小,表面感应电涡流使EMAT探头换能效率下降。