脈沖電磁式EMAT-渦流檢測復合系統的研究*

張金陽，劉 倩，王 珅，劉云鵬，淡 勇，武 瑋

（1.西北大學化工學院，陜西 西安 710069；2.中化化工科學技術研究總院有限公司，北京 100083）

0 引 言

金屬材料在長期工業應用中易出現裂縫、腐蝕、破損等缺陷，嚴重時會引發安全事故，因此對其定期檢測與安全防護具有重要意義［1，2］。電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）檢測技術是基于電磁耦合原理的超聲波檢測方法，通過設計磁體與線圈結構可以產生不同類型的超聲波，在無需耦合介質的條件下，能直接用于未進行表面處理的結構，也適用于高溫或快速運動等惡劣環境下的結構［3～6］。其中超聲橫波檢測靈敏度較高，適用于缺陷檢測和厚度測量，但對試樣近表面存在盲區，無法全面反映試樣情況。渦流檢測（eddy current testing，ECT）通常采用線圈作為檢測傳感器，但由于存在趨膚效應［7～9］，感應渦流隨深度增加而快速衰減，所以渦流檢測適用于試樣表面或近表面，但對試樣深處的檢測靈敏度較低。

上述兩種檢測技術均存在各自的局限性，通過結合多種檢測方法，可以彌補單一檢測的缺點，從而提高檢測的全面性和可靠性。Edwards R等人［10］將EMAT的激勵和檢測部分固定在脈沖渦流探頭兩側，設計了一種組合檢測的雙探頭結構，能有效評估表面和近表面缺陷。Uchimoto T 等人［11］研究了一種用于壁厚減薄的EMAT-EC 雙探頭，發現其在檢測管壁減薄方面具有互補作用。Xie S等人［12］開發了EMAT-PECT混合無損檢測方法，提出了信號分離和提取方法。然而關于復合檢測的研究主要將兩種檢測系統組合為一體化裝置，其中使用同一傳感器的復合方法研究較少。此外EMAT的研究設計多采用永磁體建立偏置磁場，但是永磁體體積和質量較大，同時在檢測過程中存在的磁力作用，檢測探頭移動困難，難以應用于實際檢測環境。為了克服永磁體的限制，采用脈沖電磁鐵替換永磁體能有效提高檢測效率。Hernandez-Valle F等人［13］開發了用于高溫檢測的脈沖電磁鐵結構EMAT，顯著增強了超聲橫波的信號振幅。Pei C 等人［14］利用脈沖電流驅動線圈代替永磁體，在檢測過程中產生了現有永磁體無法產生的強磁場。因此，用脈沖電磁體代替永磁體具有顯著的實際意義。

本文設計了脈沖電磁式EMAT-ECT復合傳感器，采用具有可控性的脈沖電磁體提供背景磁場，通過調節勵磁電流的通斷和大小以控制磁場的有無和強弱，提供比永磁體更強的磁場，而且具有減輕傳感器重量，便于移動檢測的優點。首先，對渦流方法和電磁超聲方法的復合機理進行理論分析，說明復合檢測結構的可行性；隨后，建立EMAT-渦流二維有限元模型，仿真分析了磁場與聲場分布特征，以及缺陷的不同參數對響應結果的影響；最后，分析了傳感器檢測靈敏度和檢測效率的影響因素，確定最佳設計參數。

1 EMAT-ECT理論模型

復合傳感器由鐵芯、勵磁線圈和渦流線圈組成，其基本結構和作用機理如圖1所示。勵磁線圈繞在鐵芯上構成脈沖電磁體部分，以提供周期性的強脈沖磁場；渦流線圈放置在鐵芯正下方，為自發自收型的螺旋線圈，以產生渦流，并接收缺陷引起的變化信號。

圖1 復合檢測傳感器示意

當勵磁線圈中加載持續數毫秒的矩形脈沖電流J1時，根據安培定理和法拉第定理，該電磁現象的場方程為［15］

式中μ為磁導率，σ為電導率，A1為勵磁線圈的感應磁矢勢。由于J1隨時間的變化量很小，故忽略該式中的第二項，勵磁線圈的主要作用是將線圈中的電流轉換為偏置磁場Bs

渦流線圈中加載交變電流J2后的場方程表示為

式中A2為渦流線圈的感應磁矢勢，J2為微秒（μs）級的交變電流，因此該式中隨時間變化的第二項占主導，渦流線圈的作用是將線圈中的電流轉換為試樣中的感應渦流，表示為

在試樣中，渦流密度由表面向內部呈指數規律衰減。一方面，若試樣存在表面缺陷，則渦流分布受到擾動，變化的渦流信號反映出缺陷情況；另一方面，感應渦流在偏置磁場的作用下產生洛倫茲力fL

試樣中的質點受該力的作用而振動，以波的形式傳播，即洛倫茲力機理下超聲波的發射過程。隨后超聲波在缺陷處或試樣底部發生反射，回波信號傳播到線圈附近時，在偏置磁場的作用下產生動態電流JL，表示為

式中v為質點的振動速度。隨后動態電流產生的感應電動勢被線圈接收，反映試樣的內部情況，該過程即為一個檢測周期。

2 有限元建模

2.1 幾何模型

本文采用多物理場耦合有限元方法建模和仿真分析，并對復合傳感器的檢測能力進行計算與驗證。該傳感器結構對稱，其磁場分布和聲場傳播具有對稱性和規律性，為降低計算量并節省計算時間，建立如圖2（a）所示的二維有限元模型。

圖2 仿真模型示意

勵磁線圈的匝數為50匝，電流峰值為200 A，鐵芯選擇低損耗，高磁感的硅鋼材料，線圈材質為銅，其物理參數如表1。渦流線圈的激勵電流頻率為2 MHz，橫波在鋁板中的傳播速度約為3 100 m／s，波長約為1.55 mm，對線圈和鋁板部分做細化網格處理以提高結果的準確性，設置其網格大小為波長的1／10，模型的網格劃分如圖2（b）。采用磁場模塊分析磁場分布和渦流過程，固體力學模塊模擬超聲波的產生與傳播過程。

表1 材料物理參數

2.2 磁場分布

脈沖電磁體產生的磁場分布如圖3（a），試樣表面處的磁通密度分布如圖3（b），其中，Bx為水平磁通密度，By為垂直磁通密度。渦流線圈區域的水平磁通密度趨于0，主要為垂直方向的磁通密度，因此試樣內產生了水平方向的洛倫茲力，從而激發了沿厚度方向傳播的超聲橫波。

圖3 脈沖磁場分布特征

2.3 聲場分布

聲場分布反映了鋁板中的渦流與超聲波分布情況，以及存在缺陷時的渦流與超聲波變化情況，如圖4 所示。當試樣表面無缺陷時，感應渦流均勻分布在線圈下方范圍（圖4（a）），受趨膚效應的影響，感應渦流主要集中在試樣的近表面區域。當存在表面缺陷（矩形空氣腔）時，如圖4（b），由于鋁板阻抗小于空氣阻抗，電流受到的阻力改變，從而改變了感應電流的路徑，渦流分布產生明顯擾動，由此可以確定缺陷尺寸與位置。

圖4 感應渦流分布和超聲波位移

圖4（c）為試樣內的超聲波位移分布圖，在試樣內產生了沿厚度方向傳播的橫波和小部分干擾縱波，其中橫波傳播速度遠小于縱波，檢測靈敏度更高。圖4（d）為存在缺陷時的超聲波位移變化情況，超聲波在缺陷的上表面處反射，根據回波反映出內部的缺陷情況，其余超聲波傳播至試樣底部后反射，由底部回波時間可以計算試樣厚度。

3 結果與討論

3.1 檢測信號的特征分析

3.1.1 渦流檢測結果

為研究不同位置、尺寸的缺陷對檢測結果的影響，分別設置缺陷的不同參數進行模擬計算，圖5 為表面缺陷深度和寬度變化時的渦流響應結果，其中插圖為電壓峰值變化。圖5（a）的模擬表面缺陷參數如下：寬度為5 mm，高度為0.2 mm，深度D＝0.2／0.3／0.4／0.5 mm，結果表明：檢測電壓的峰值隨缺陷的深度增加而增大，但電壓峰值增加的幅度隨深度增加而降低，即深度增加到一定值后，檢測靈敏度下降，與趨膚效應一致。圖5（b）為表面缺陷寬度變化的渦流響應結果，模擬缺陷高度為0.2 mm，深度為0.2 mm，寬度W＝2／4／6／8 mm，結果表明：缺陷寬度增加，檢測電壓峰值隨之增大，但其峰值增幅遠不及缺陷深度，由此可以對比缺陷尺寸。

3.1.2 EMAT檢測結果

圖6（a）為內部缺陷深度變化時的超聲波響應結果，設置缺陷寬度為5 mm，高度為0.4 mm，深度D＝5／10／15／20 mm，其中，S1～S4為不同深度缺陷的橫波回波信號，缺陷使接收電壓產生變化，并且根據回波的響應時間計算了缺陷位置，如表2所示，計算結果與實際距離的誤差不超過5%，說明該傳感器能準確定位缺陷。圖6（b）為缺陷寬度變化時的響應結果，設置缺陷高度為0. 4 mm，深度為15 mm，寬度W＝3／5／7／9 mm，S5為不同寬度缺陷的橫波回波信號，結果表明：檢測電壓峰值隨寬度增加而增大，底部回波的電壓峰值隨之減小，而缺陷寬度不變時，底部回波幅值不變，以此確定缺陷的尺寸，此外圖中L波為試樣底部的縱波回波，縱波比橫波快1倍，該結果符合聲波傳播理論。

表2 檢測結果靈敏度

3.2 傳感器參數設計

3.2.1 勵磁線圈

為了抑制縱波干擾，提高檢測精度，本文通過增加勵磁線圈內徑改變試樣表面磁通密度分布，擴大By的作用范圍，減小Bx在渦流線圈作用區域產生的影響。圖7（a）為試樣表面下方1 mm處的磁通密度分量隨線圈內徑增加的變化情況，結果表明：中心軸x＝0 附近，Bx趨于0，該區域渦流線圈幾乎不受水平方向的磁場影響，而在其兩側位置，當線圈內徑為15mm 時，Bx／By＝0.66，隨著線圈內徑增加到19 mm，Bx／By＝0.37，故能有效抑制縱波。勵磁線圈內徑與試樣底部回波的橫縱波比的關系如圖7（b），隨著線圈內徑的增加，縱波分量減少，故在保證磁場強度的情況下，適當增加線圈內徑有利于提高檢測精度。

圖7 不同勵磁線圈內徑的結果影響

3.2.2 提離距離

磁體和渦流線圈的提離距離也是影響檢測結果的關鍵因素。磁通密度分量隨磁體提離距離變化的關系如圖8（a），磁通密度隨提離距離的增大而減小，當提離距離較小時，By在兩側有明顯的局部峰值，中心軸處的By值較小，隨著提離距離的增加，By的局部峰值快速減小，分布趨于均勻，因此適當增加磁體的提離距離有利于鐵芯下方的垂直磁通密度均勻分布。

圖8 不同提離距離的結果影響

通常在參數設計優化過程中，定義檢測靈敏度為

式中Vdefect為有缺陷時的渦流響應信號，Vnodefect為無缺陷時的渦流響應信號，ΔV為響應差分信號的最大值，該值用來衡量檢測靈敏度。圖8（b）為渦流線圈提離距離改變后的檢測靈敏度變化，當提離距離小于0.8 mm時，檢測靈敏度變化不明顯；當提離距離大于0.8 mm時，檢測靈敏度顯著減小。因此，將提離距離調整至0.4 mm左右時，不僅可以滿足非接觸的檢測需求，也保證了檢測靈敏度。

4 結 論

本文將基于電磁感應原理的EMAT和渦流檢測方法相結合，并提出脈沖電磁體替換傳統永磁體的改進設計。主要結論如下：

1）該復合傳感器能夠激發用于檢測表面缺陷的渦流信號和檢測深層缺陷的超聲波信號，實現了檢測范圍的互補；缺陷檢測結果表明該傳感器具有良好的檢測靈敏度，能準確反映缺陷的尺寸和位置，并且對比響應時間和幅值可以區分兩種接收信號。

2）增加勵磁線圈內徑能擴大垂直磁通密度的作用范圍，抑制干擾縱波，提高檢測精度；磁體提離距離為2 mm左右，渦流線圈提離距離為0.4 mm左右，有利于保證檢測靈敏度。