脉冲电磁式EMAT-涡流检测复合系统的研究*

张金阳，刘 倩，王 珅，刘云鹏，淡 勇，武 玮

（1.西北大学化工学院，陕西 西安 710069；2.中化化工科学技术研究总院有限公司，北京 100083）

0 引 言

金属材料在长期工业应用中易出现裂缝、腐蚀、破损等缺陷，严重时会引发安全事故，因此对其定期检测与安全防护具有重要意义［1，2］。电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）检测技术是基于电磁耦合原理的超声波检测方法，通过设计磁体与线圈结构可以产生不同类型的超声波，在无需耦合介质的条件下，能直接用于未进行表面处理的结构，也适用于高温或快速运动等恶劣环境下的结构［3～6］。其中超声横波检测灵敏度较高，适用于缺陷检测和厚度测量，但对试样近表面存在盲区，无法全面反映试样情况。涡流检测（eddy current testing，ECT）通常采用线圈作为检测传感器，但由于存在趋肤效应［7～9］，感应涡流随深度增加而快速衰减，所以涡流检测适用于试样表面或近表面，但对试样深处的检测灵敏度较低。

上述两种检测技术均存在各自的局限性，通过结合多种检测方法，可以弥补单一检测的缺点，从而提高检测的全面性和可靠性。Edwards R等人［10］将EMAT的激励和检测部分固定在脉冲涡流探头两侧，设计了一种组合检测的双探头结构，能有效评估表面和近表面缺陷。Uchimoto T 等人［11］研究了一种用于壁厚减薄的EMAT-EC 双探头，发现其在检测管壁减薄方面具有互补作用。Xie S等人［12］开发了EMAT-PECT混合无损检测方法，提出了信号分离和提取方法。然而关于复合检测的研究主要将两种检测系统组合为一体化装置，其中使用同一传感器的复合方法研究较少。此外EMAT的研究设计多采用永磁体建立偏置磁场，但是永磁体体积和质量较大，同时在检测过程中存在的磁力作用，检测探头移动困难，难以应用于实际检测环境。为了克服永磁体的限制，采用脉冲电磁铁替换永磁体能有效提高检测效率。Hernandez-Valle F等人［13］开发了用于高温检测的脉冲电磁铁结构EMAT，显著增强了超声横波的信号振幅。Pei C 等人［14］利用脉冲电流驱动线圈代替永磁体，在检测过程中产生了现有永磁体无法产生的强磁场。因此，用脉冲电磁体代替永磁体具有显著的实际意义。

本文设计了脉冲电磁式EMAT-ECT复合传感器，采用具有可控性的脉冲电磁体提供背景磁场，通过调节励磁电流的通断和大小以控制磁场的有无和强弱，提供比永磁体更强的磁场，而且具有减轻传感器重量，便于移动检测的优点。首先，对涡流方法和电磁超声方法的复合机理进行理论分析，说明复合检测结构的可行性；随后，建立EMAT-涡流二维有限元模型，仿真分析了磁场与声场分布特征，以及缺陷的不同参数对响应结果的影响；最后，分析了传感器检测灵敏度和检测效率的影响因素，确定最佳设计参数。

1 EMAT-ECT理论模型

复合传感器由铁芯、励磁线圈和涡流线圈组成，其基本结构和作用机理如图1所示。励磁线圈绕在铁芯上构成脉冲电磁体部分，以提供周期性的强脉冲磁场；涡流线圈放置在铁芯正下方，为自发自收型的螺旋线圈，以产生涡流，并接收缺陷引起的变化信号。

图1 复合检测传感器示意

当励磁线圈中加载持续数毫秒的矩形脉冲电流J1时，根据安培定理和法拉第定理，该电磁现象的场方程为［15］

式中μ为磁导率，σ为电导率，A1为励磁线圈的感应磁矢势。由于J1随时间的变化量很小，故忽略该式中的第二项，励磁线圈的主要作用是将线圈中的电流转换为偏置磁场Bs

涡流线圈中加载交变电流J2后的场方程表示为

式中A2为涡流线圈的感应磁矢势，J2为微秒（μs）级的交变电流，因此该式中随时间变化的第二项占主导，涡流线圈的作用是将线圈中的电流转换为试样中的感应涡流，表示为

在试样中，涡流密度由表面向内部呈指数规律衰减。一方面，若试样存在表面缺陷，则涡流分布受到扰动，变化的涡流信号反映出缺陷情况；另一方面，感应涡流在偏置磁场的作用下产生洛伦兹力fL

试样中的质点受该力的作用而振动，以波的形式传播，即洛伦兹力机理下超声波的发射过程。随后超声波在缺陷处或试样底部发生反射，回波信号传播到线圈附近时，在偏置磁场的作用下产生动态电流JL，表示为

式中v为质点的振动速度。随后动态电流产生的感应电动势被线圈接收，反映试样的内部情况，该过程即为一个检测周期。

2 有限元建模

2.1 几何模型

本文采用多物理场耦合有限元方法建模和仿真分析，并对复合传感器的检测能力进行计算与验证。该传感器结构对称，其磁场分布和声场传播具有对称性和规律性，为降低计算量并节省计算时间，建立如图2（a）所示的二维有限元模型。

图2 仿真模型示意

励磁线圈的匝数为50匝，电流峰值为200 A，铁芯选择低损耗，高磁感的硅钢材料，线圈材质为铜，其物理参数如表1。涡流线圈的激励电流频率为2 MHz，横波在铝板中的传播速度约为3 100 m／s，波长约为1.55 mm，对线圈和铝板部分做细化网格处理以提高结果的准确性，设置其网格大小为波长的1／10，模型的网格划分如图2（b）。采用磁场模块分析磁场分布和涡流过程，固体力学模块模拟超声波的产生与传播过程。

表1 材料物理参数

2.2 磁场分布

脉冲电磁体产生的磁场分布如图3（a），试样表面处的磁通密度分布如图3（b），其中，Bx为水平磁通密度，By为垂直磁通密度。涡流线圈区域的水平磁通密度趋于0，主要为垂直方向的磁通密度，因此试样内产生了水平方向的洛伦兹力，从而激发了沿厚度方向传播的超声横波。

图3 脉冲磁场分布特征

2.3 声场分布

声场分布反映了铝板中的涡流与超声波分布情况，以及存在缺陷时的涡流与超声波变化情况，如图4 所示。当试样表面无缺陷时，感应涡流均匀分布在线圈下方范围（图4（a）），受趋肤效应的影响，感应涡流主要集中在试样的近表面区域。当存在表面缺陷（矩形空气腔）时，如图4（b），由于铝板阻抗小于空气阻抗，电流受到的阻力改变，从而改变了感应电流的路径，涡流分布产生明显扰动，由此可以确定缺陷尺寸与位置。

图4 感应涡流分布和超声波位移

图4（c）为试样内的超声波位移分布图，在试样内产生了沿厚度方向传播的横波和小部分干扰纵波，其中横波传播速度远小于纵波，检测灵敏度更高。图4（d）为存在缺陷时的超声波位移变化情况，超声波在缺陷的上表面处反射，根据回波反映出内部的缺陷情况，其余超声波传播至试样底部后反射，由底部回波时间可以计算试样厚度。

3 结果与讨论

3.1 检测信号的特征分析

3.1.1 涡流检测结果

为研究不同位置、尺寸的缺陷对检测结果的影响，分别设置缺陷的不同参数进行模拟计算，图5 为表面缺陷深度和宽度变化时的涡流响应结果，其中插图为电压峰值变化。图5（a）的模拟表面缺陷参数如下：宽度为5 mm，高度为0.2 mm，深度D＝0.2／0.3／0.4／0.5 mm，结果表明：检测电压的峰值随缺陷的深度增加而增大，但电压峰值增加的幅度随深度增加而降低，即深度增加到一定值后，检测灵敏度下降，与趋肤效应一致。图5（b）为表面缺陷宽度变化的涡流响应结果，模拟缺陷高度为0.2 mm，深度为0.2 mm，宽度W＝2／4／6／8 mm，结果表明：缺陷宽度增加，检测电压峰值随之增大，但其峰值增幅远不及缺陷深度，由此可以对比缺陷尺寸。

3.1.2 EMAT检测结果

图6（a）为内部缺陷深度变化时的超声波响应结果，设置缺陷宽度为5 mm，高度为0.4 mm，深度D＝5／10／15／20 mm，其中，S1～S4为不同深度缺陷的横波回波信号，缺陷使接收电压产生变化，并且根据回波的响应时间计算了缺陷位置，如表2所示，计算结果与实际距离的误差不超过5%，说明该传感器能准确定位缺陷。图6（b）为缺陷宽度变化时的响应结果，设置缺陷高度为0. 4 mm，深度为15 mm，宽度W＝3／5／7／9 mm，S5为不同宽度缺陷的横波回波信号，结果表明：检测电压峰值随宽度增加而增大，底部回波的电压峰值随之减小，而缺陷宽度不变时，底部回波幅值不变，以此确定缺陷的尺寸，此外图中L波为试样底部的纵波回波，纵波比横波快1倍，该结果符合声波传播理论。

表2 检测结果灵敏度

3.2 传感器参数设计

3.2.1 励磁线圈

为了抑制纵波干扰，提高检测精度，本文通过增加励磁线圈内径改变试样表面磁通密度分布，扩大By的作用范围，减小Bx在涡流线圈作用区域产生的影响。图7（a）为试样表面下方1 mm处的磁通密度分量随线圈内径增加的变化情况，结果表明：中心轴x＝0 附近，Bx趋于0，该区域涡流线圈几乎不受水平方向的磁场影响，而在其两侧位置，当线圈内径为15mm 时，Bx／By＝0.66，随着线圈内径增加到19 mm，Bx／By＝0.37，故能有效抑制纵波。励磁线圈内径与试样底部回波的横纵波比的关系如图7（b），随着线圈内径的增加，纵波分量减少，故在保证磁场强度的情况下，适当增加线圈内径有利于提高检测精度。

图7 不同励磁线圈内径的结果影响

3.2.2 提离距离

磁体和涡流线圈的提离距离也是影响检测结果的关键因素。磁通密度分量随磁体提离距离变化的关系如图8（a），磁通密度随提离距离的增大而减小，当提离距离较小时，By在两侧有明显的局部峰值，中心轴处的By值较小，随着提离距离的增加，By的局部峰值快速减小，分布趋于均匀，因此适当增加磁体的提离距离有利于铁芯下方的垂直磁通密度均匀分布。

图8 不同提离距离的结果影响

通常在参数设计优化过程中，定义检测灵敏度为

式中Vdefect为有缺陷时的涡流响应信号，Vnodefect为无缺陷时的涡流响应信号，ΔV为响应差分信号的最大值，该值用来衡量检测灵敏度。图8（b）为涡流线圈提离距离改变后的检测灵敏度变化，当提离距离小于0.8 mm时，检测灵敏度变化不明显；当提离距离大于0.8 mm时，检测灵敏度显著减小。因此，将提离距离调整至0.4 mm左右时，不仅可以满足非接触的检测需求，也保证了检测灵敏度。

4 结 论

本文将基于电磁感应原理的EMAT和涡流检测方法相结合，并提出脉冲电磁体替换传统永磁体的改进设计。主要结论如下：

1）该复合传感器能够激发用于检测表面缺陷的涡流信号和检测深层缺陷的超声波信号，实现了检测范围的互补；缺陷检测结果表明该传感器具有良好的检测灵敏度，能准确反映缺陷的尺寸和位置，并且对比响应时间和幅值可以区分两种接收信号。

2）增加励磁线圈内径能扩大垂直磁通密度的作用范围，抑制干扰纵波，提高检测精度；磁体提离距离为2 mm左右，涡流线圈提离距离为0.4 mm左右，有利于保证检测灵敏度。