激光-电磁超声一体式系统电磁超声结构优化

袁 伟，刘 泽，赵鹏飞，霍继伟，李俊杰

(1.北京交通大学电子信息学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院标准计量研究所，北京 100081)

0 引言

超声技术是现阶段无损检测最常用的手段。由于激光超声技术和电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)不需要耦合剂，且不需要与被测试件接触，所以应用在不同行业[1-3]。但是也有不足，例如研究者一般使用激光干涉仪去接收激光所激发的各种模式的超声波，而激光干涉仪不仅价钱昂贵，增加了测量成本，并且对周围工作环境要求较高，不适用于工业生产或钢轨探伤中[4]；电磁超声波换能效率较低，尽管很多研究者都对探头结构进行调整，但均无法彻底解决这一问题[5-6]。因此，利用激光超声激发超声波，电磁超声传感器接收超声波，使用将2种技术相融合形成的一体式传感器装置对被测试件实现无损检测。该一体式装置利用激光超声技术可以同时激发出多种波形，使用电磁超声传感器同时接收两种波形，获得金属板宽度和深度信息，实现表面和内部的同时探伤。

根据电磁超声传感器的接收原理[7]，使用纵向充磁的电磁超声传感器实现激光所产生各种模式超声波的接收。为了消除电磁超声传感器的自激振荡，提高传感器的换能效率，有研究者提出在永磁体周围包围铜箔的方法[8]，但是此方法仍会在铜箔表面产生超声波并向磁体内部传播，影响传感器换能效率。本文提出在铜箔和永磁体之间增加泡沫缓冲层的方法抑制超声波向磁体内部传播，消除磁铁的感应电流，为电磁超声传感器设计和激光-电磁超声一体式装置的设计提供了重要经验。

1 激光-电磁超声一体式系统原理

1.1 激光-电磁超声一体式系统结构

激光-电磁超声一体式装置是由激光器和电磁超声传感器两部分组成，其工作模式就是用激光器激发各种模式的超声波，用电磁超声去接收由于缺陷等因素的存在而反射回被测试件表面的回波。如图1所示，为激光-电磁超声一体式探伤系统的工作原理图。

图1 激光-电磁超声一体式探伤系统结构

当激光激发出光源穿过聚焦透镜及永磁体的正中央，辐射到EMAT接收线圈中间处的被测试件表面。根据激光超声技术原理[9]，粒子面内振动分量下主要会产生如图1所示3种模式的超声波：横波、纵波和瑞利波。当各种模式超声波经过反射返回至被测试件表面时，在偏置磁场的作用下，由超声波引起振动的粒子会被线圈所感应并在跑道线圈中生成电压信号。根据电磁超声传感器激发和接收原理，垂直方向磁场和跑道型线圈相结合可以接收面内振动分量[7]。如图1所示永磁铁为纵向充磁磁铁。

1.2 激光-电磁超声一体式系统数学模型

激光辐射至被测试件表面会产生局部温度突然上升，导致热膨胀，在被测试件表面产生不同方向的膨胀力，并使被测试件内部的粒子产生位移。其过程可以表示为[9]

(1)

式中：ρ为被测试件的材料密度；Cv为被测材料的比热容；T为温度场；K为被测试件的导热系数；Q为热源。

(2)

式中：u为被测试件的位移；λ和μ为梅拉常数；α为热膨胀系数。

当超声脉冲返回被测试件表面时，会引起试件中粒子的振动。将产生垂直方向磁场的永磁铁和跑道型线圈组合可以接收粒子的面内振动速度[8]。所以，在静磁场作用B0下，由振动速度v引起涡流J的过程可以表示为[8]

(3)

式中σ是被测试样的电导率。

当已知涡流J，则跑道型接收线圈与试件满足控制方程为

(4)

式中μt和A分别为被测试件的磁导率和磁矢势。

将J看作输入，通过式(4)即可求得矢量磁位A，从而得到线圈中的感应电压：

(5)

式中l和Ω分别为接收线圈的长度和截面积。

2 激光-电磁超声一体式装置可行性分析

利用多物理场耦合有限元仿真软件建立如图2所示的激光-电磁超声一体式装置的有限元仿真模型，其中激光激发超声波的部分主要由激光源构成，电磁超声传感器接收部分主要由永磁体、跑道型线圈、被测试件(铝板)构成。图2中，a为2倍的源半径；b为2倍的线半径；c为内半径；d为线间距；e为永磁体和线圈提离距离；f为线圈与被测试件提离距离。将所有元件置于空气域内，模拟该一体式装置工作在空气中。然后，通过固体传热模块实现模拟激光源辐射至被测试件表面并使其温度升高并产生膨胀力的过程，使用固体力学模块观察超声波在被测试件中的传播情况，磁场模块实现电磁传感器对超声的接收过程。最后，使用多物理场耦合接口，将3个模块相互耦合起来。永磁铁中的剩余磁通密度为1.2 T，方向为垂直于被测试件向下。仿真模型中关键结构参数如表1中所示。

图2 激光-电磁超声一体式装置仿真模型

表1 有限元模型关键参数

激光产生的超声波类型和强度在不同的分量表示下有所差异[10]，但是本文设计的电磁超声传感器主要接收粒子的面内振动，所以本文仅研究激光超声面内振动速度分量下的传播情况。假设，被测试件中无缺陷存在，则经过计算后，激光在被测试件中产生了如图3所示的超声波，瑞利波沿被测试件表面传播，横波以一定角度向下传播，纵波呈发散式传播(该波垂直于被测试件90°方向强度为0)。此传播规律与图1理论分析相一致，验证仿真模型的正确性。同时，可得如图4所示一体式装置接收信号。图中可清晰辨别瑞利波回波(瑞利波传播至被测试件左右边界，而后被反射回至电磁超声传感器线圈正下方并被线圈接收的信号)、纵波的一次回波(纵波传播至下表面边界而后被反射至电磁超声传感器线圈正下方并被接收的信号)、纵波二次回波和横波回波的叠加(由于横波是纵波速度的一半，所以纵波二次回波和横波的一次回波几乎同时到达被测试件表面)等信号。从图4中可得瑞利波和纵波的渡越时间，再根据2种波型的速度即可获得表面和内部的信息。

(a)3.5 μs

(b)6.5 μs

(c)12.2 μs图3 不同时刻面内振动分量下激光产生的超声波

图4 激光-电磁超声一体式装置接收信号

3 电磁超声传感器的优化

为了提高换能效率，研究者针对电磁超声传感器的永磁铁结构、线圈的线间距、线半径、线圈与被测试件的提离距离等结构参数不断进行优化[5-6,10-12]，但是忽略了各部件之间的相互影响是提高电磁超声传感器换能效率的关键因素。

3.1 铜箔及泡棉层对EMAT换能效率的影响

电磁超声传感器对超声波的激发和接收均是基于法拉第电磁感应定律实现的，而永磁铁也属于导电材质，所以会产生如图5(a)所示现象。当电磁超声传感器作为超声波的激励源时，跑道型线圈通入一定频率的电流后，会在被测试件内和永磁体内同时产生感应涡流，并在永磁铁内部和被测试件内分别产生超声波。这不仅降低了激发超声波的效率，而且当两路超声波同时返回至跑道型线圈附近会导致接收信号混乱；当电磁超声传感器作为接收器时，由超声振动引起的动态磁场不仅会在线圈内产生感应电压，同时感应电压也会在永磁铁内部产生。所以，有研究者针对电磁超声传感器磁铁自激振荡消除方法进行研究[8]，提出用铝箔包围磁铁来减弱自激振荡。如图5(b)所示，虽然消除了永磁体内部产生的磁场，但是铜箔仍处于磁场中，铜箔中的电流在磁场的作用下仍会产生超声波，并向永磁体内传播。为了彻底解决这一问题，提出如图5(c)所示使用泡棉双面胶，粘贴于铜箔和永磁铁底部之间以起到减振的效果。

(a)无铜箔

(b)有铜箔

(c)有铜箔和泡棉双面胶图5 电磁超声传感器有无铜箔分析

为了验证理论分析的正确性，利用有限元仿真模型对比3种结构下接收信号差异。对比图6 3种结构，被测试件的偏置磁场分布几乎完全相同，这说明铜箔和泡棉双面胶仅起到隔离电磁场的作用，而不影响偏置磁场分布，与理论分析相一致。

(a)无铜箔

(b)有铜箔

(c)有铜箔和泡棉双面胶图6 有铜箔和无铜箔磁场的对比分析

但是，当对3种接收信号对比时，有限元仿真模型中跑道型线圈接收信号也无明显差别。这是因为，在有限元仿真模型中，仅考虑理想状态下物理场之间的相互作用，而各元件之间的电磁干扰现象不被考虑在计算内，故仍需实验验证不同结构接收信号的差异性。

3.2 永磁体与线圈之间的提离距离对换能效率的影响

已知线圈与被测试件的提离距离与换能效率之间呈反比关系[7]。但是，经过多次试验，永磁体与线圈之间的提离距离与换能效率有关且不同尺寸的永磁铁呈现规律不同。如图7所示为有限元仿真软件中，当永磁铁为35 mm×35 mm×35 mm时，永磁体与线圈之间不同提离距离接收信号对比。从图7中可以看出，当永磁体与线圈相接触时，接收电压信号很小，但是随着两者提离距离的增加，回波信号逐渐增强。但当提离距离大于1.2 mm时接收电压呈下降趋势。

图7 不同回波接收电压强度随永磁铁和线圈之间提离距离变化

4 实验验证分析

通过仿真模型验证一体式装置的可行性后，本文对电磁超声传感器结构进行进一步优化，所以为了验证电磁超声传感器优化部分理论分析和有限元模型的正确性，搭建了如图8所示电磁超声传感器自发自收实验平台。

图8 电磁超声传感器自发自收实验平台

将使用柔性电路板自制的跑道型线圈接入CTS-409电磁超声测厚仪中，并将产生垂直于被测试件方向磁场，体积为35 mm×35 mm×35 mm的N52永磁体与跑道型线圈相结合放置于50 mm×80 mm×30 mm铝板的正上方(由于该磁铁为激光-电磁超声一体式装置特制磁铁，故在中间有一个孔，方便激光线源的穿过)。

4.1 铜箔对电磁超声换能效率的影响

如图9所示为，为尺寸和充磁强度完全相同的有铜箔和无铜箔包裹的2种永磁铁，以及在铜箔和永磁铁底部之间粘贴一层泡沫棉双面胶的永磁铁。利用特斯拉计测量三者磁场强度，均为0.57 T。分别将两磁铁放置于跑道线圈上方，观察在3种结构下，接收信号的差异。

(a)无铜箔 (b)仅有铜箔包裹 (c)铜箔底层内有3M泡沫胶缓冲层图9 有铜箔和无铜箔包裹的两种永磁铁

调整CTS-409屏幕，使一次、二次及三次回波均显示在屏幕上。从图10中可以看出，在保持增益相同的情况下，使用有铜箔包裹的永磁铁去激励和接收超声波，其回收信号强度大于无铜箔包裹的永磁铁。而当永磁铁与铜箔之间粘贴一层泡沫胶，则会增强信号强度，此结论与理论分析相一致。

(a)无铜箔

(b)有铜箔

(c)有铜箔和泡沫胶图10 使用不同永磁铁接收信号对比图

4.2 永磁体与线圈之间的提离距离对换能效率的影响

将A4纸剪裁成线圈大小形状，并将其放置于被铜箔包裹的永磁铁和线圈之间,通过叠加其数量来控制提离距离。图11为不同提离距离时，接收信号的对比图。

(a)提离距离为0 mm

(b)提离距离为0.2 mm

(c)提离距离为0.4 mm

(d)提离距离为0.8 mm

(e)提离距离为1.2 mm

(f)提离距离为1.6 mm图11 永磁体与线圈之间不同提离距离接收信号对比

在保证增益及灵敏度不变的情况下，接收信号强度及其信噪比随着提离距离的增大先增大后减小。其中，变化最明显的是一次回波信号，当提离距离小于0.8 mm或大于1.2 mm时，几乎无法识别一次回波。但是，当提离距离大于0.2 mm时，就可清楚地识别二次和三次回波信号，所以可以仅使用二次和三次回波实现厚度测量。观察二次和三次回波强度，在实验系统中当永磁体和线圈之间保持在0.8 mm左右的提离距离信噪比最佳。这是因为A4纸之间有气隙的存在，所以实验中永磁体与线圈之间的实际距离大于0.8 mm。所以，在制作传感器时，将永磁体和线圈的提离距离保持在0.8～1.2 mm之间即可。

5 结论

为了研制激光-电磁超声一体式探伤系统，本文针对该装置建立有限元仿真模型，验证了该装置的可行性。同时，结合仿真分析及实验验证得出结论：利用铜箔包围永磁铁且在铜箔和永磁铁之间粘贴泡沫层去激励和接收超声波可以减少永磁铁内感应电流、阻断超声波传播，增强电磁超声传感器的换能效率。同时，当永磁铁和线圈提离距离保持在0.8～1.2 mm之间时，接收线圈接收信号的可识别性最好、信号强度最大。