非對稱斜向折帶線圈電磁超聲換能器的性能研究

0電磁超聲導(dǎo)波主聲束的具有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計鋼板是廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟發(fā)展各個領(lǐng)域的重要工業(yè)材料。在使用過程中，受各種環(huán)境因素的影響，不可避免地會出現(xiàn)裂縫和變形，嚴重限制了鋼板的正常安全運行。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)擺脫了常規(guī)逐點掃查檢測的局限性,適合于對板、管、桿等鋁板在應(yīng)用過程中,損傷產(chǎn)生的裂紋缺陷方向分為縱向、橫向和斜向等,常規(guī)線圈結(jié)構(gòu)形式的電磁超聲換能器(electromagneticacoustictransducer,EMAT)進行裂紋缺陷檢測時,產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波主聲束沿縱向或橫向傳播實現(xiàn)橫向或縱向裂紋缺陷檢測。焦敬品等人本文將EMAT曲折型線圈等效為閉合回路,根據(jù)畢奧薩伐爾定律,構(gòu)建曲折型線圈力磁模型,理論計算得出超聲導(dǎo)波主聲束方向垂直于曲折型線圈。根據(jù)數(shù)學(xué)模型理論,提出一種用于斜向裂紋缺陷檢測的斜向曲折型線圈EMAT,實驗驗證了斜向曲折型EMAT線圈中主聲束分布特點,不同斜向角度線圈EMAT主聲束的衰減程度不同;斜向角度的不同導(dǎo)致斜向曲折型EMAT裂紋缺陷檢測能力不同。1超聲導(dǎo)波測試EMAT由永磁鐵、線圈和被測試件三部分組成,永磁鐵提供垂直或者水平方向靜磁場,靜磁場與通電曲折型線圈相互作用,在被測試件內(nèi)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波1.1基礎(chǔ)在非鐵磁性材料中,EMAT的工作機理為洛倫茲力機理圖1中,J1.2超聲導(dǎo)波力磁模型電磁超聲換能器換能原理涉及電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等多物理學(xué)科理論,EMAT在鋁板中激發(fā)電磁超聲導(dǎo)波的過程用麥克斯韋方程數(shù)學(xué)模型式中:H永磁鐵固定,靜態(tài)偏置磁場不變時,通電導(dǎo)線中激勵電流與動態(tài)磁感應(yīng)強度影響被測試件中質(zhì)點所受洛倫茲力及振動強弱,影響超聲導(dǎo)波的傳播特性。對線圈中動態(tài)磁感應(yīng)強度建立數(shù)學(xué)微分模型,計算線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度矢量式,將線圈瞬時磁感應(yīng)強度視為靜磁場,應(yīng)用畢奧薩伐爾定律對瞬時數(shù)學(xué)模型積分運算,求得質(zhì)點所受動態(tài)磁場強度矢量,實現(xiàn)EMAT工作導(dǎo)線產(chǎn)生的主聲束的傳播的方向控制。2電磁超聲導(dǎo)波力磁模型單匝閉合通電線圈在被測試件下產(chǎn)生渦流,渦流質(zhì)點在磁感應(yīng)強度作用下產(chǎn)生洛倫茲力,帶動質(zhì)點產(chǎn)生超聲導(dǎo)波建立EMAT曲折型線圈在被測鋁板中某一點產(chǎn)生的瞬時磁感應(yīng)強度的等效力磁模型,分析曲折線圈一定提離距離正下方的磁感應(yīng)強度分布,實現(xiàn)超聲導(dǎo)波主聲束研究。2.1導(dǎo)線數(shù)學(xué)模型的建立曲折型線圈中通入順時針方向瞬時激勵電流,建立力磁分析數(shù)學(xué)模型。1)模型原理根據(jù)曲型線圈的制作原則,曲折型線圈中通入瞬時有效電流dI圖2中,閉合通電線圈在被測試件上一定距離的P(x,y,z)點產(chǎn)生瞬時磁感應(yīng)強度為閉合通電線圈在P(x,y,z)點產(chǎn)生磁場的疊加。分別建立通電直導(dǎo)線l2)模型建立根據(jù)畢奧-薩伐爾定律式中:μ(1)工作導(dǎo)線數(shù)學(xué)模型對瞬時靜磁感應(yīng)強度進行時間積分,得到等效閉合線圈中導(dǎo)線l式中:dt為瞬時時間間隔;θ為式中:L為P(x,y,z)點到導(dǎo)線l導(dǎo)線l根據(jù)右手定則,導(dǎo)線l式中:d為被測試件上一定距離的P(x,y,z)點所在的xoy平面到導(dǎo)線lP(x,y,z)點在導(dǎo)線l導(dǎo)線l導(dǎo)線l(2)端線數(shù)學(xué)模型導(dǎo)線lP(x,y,z)點在導(dǎo)線lP(x,y,z)點在導(dǎo)線l3)線圈數(shù)學(xué)模型導(dǎo)線l垂直于通電曲折型線圈工作導(dǎo)線或端線方向磁感應(yīng)強度達到最大,質(zhì)點所受洛倫茲力最大。斜向裂紋缺陷檢測時,入射至斜向裂紋缺陷的電磁超聲導(dǎo)波主聲束垂直于斜向裂紋,且電磁超聲導(dǎo)波主聲束垂直于EMAT線圈的工作導(dǎo)線,設(shè)計與斜向裂紋平行的斜向曲折型線圈。2.2斜向彎曲型線圈的力磁模型根據(jù)曲折型線圈的力磁數(shù)學(xué)模型,與EMAT曲折線圈的導(dǎo)線垂直的主聲束方向上磁感應(yīng)強度及洛倫茲力最大,超聲導(dǎo)波信號最強。1)模型原理為實現(xiàn)斜向裂紋缺陷的檢測,設(shè)計斜向曲折型線圈。保持曲折型線圈端線不變,工作導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)斜向角度φ,旋轉(zhuǎn)后的斜向曲折型線圈力磁模型如圖3所示。圖3中,斜向曲折型線圈上的坐標(biāo)點B、C保持不變,豎直方向的導(dǎo)線l2)模型建立根據(jù)畢奧薩伐爾定律,對動態(tài)磁感應(yīng)強度利用時間微分的思想,旋轉(zhuǎn)后的等效力磁模型中,斜向曲折型線圈導(dǎo)線l當(dāng)且僅當(dāng)θ'式中:cosθ'當(dāng)φ=90°時,cosθ'當(dāng)φ=60°時,cosθ'當(dāng)φ=45°時,cosθ'控制斜向曲折型線圈的不同斜向角度,可產(chǎn)生始終與斜向曲折型線圈工作導(dǎo)線方向垂直的超聲導(dǎo)波主聲束,實現(xiàn)不同斜向角度的裂紋缺陷檢測。3實驗裝置的選擇研究設(shè)計洛倫茲力式收發(fā)分離斜向曲折型線圈EMAT裝置與收發(fā)一體斜向曲折型線圈EMAT裝置。收發(fā)分離式斜向曲折型線圈EMAT裝置進行斜向曲折型線圈電磁超聲導(dǎo)波斜向傳播特性驗證實驗與電磁超聲導(dǎo)波斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒?驗證力磁模型的正確性。收發(fā)一體式斜向曲折型線圈EMAT裝置進行電磁超聲導(dǎo)波裂紋缺陷檢測實驗,驗證不同斜向角度的斜向曲折型線圈EMAT對斜向裂紋缺陷的檢測識別能力。激勵EMAT的信號發(fā)生器為RETIC-4000,接收EMAT的高通濾波器頻率為0.1MHz,低通濾波器頻率為20MHz。信號增益為53dB。單極型永磁鐵為銣鐵硼永磁體,長寬高尺寸為50、50、30mm,永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場,剩磁為1.26T。線圈為印刷的斜向曲折型線圈,線間距為2mm,線寬為0.5mm;定義斜向角度為90°的曲折型線圈為1#線圈,斜向角度為60°的斜向曲折型線圈為2#線圈,斜向角度為45°的斜向曲折型線圈為3#線圈。定義裂紋缺陷x軸與y軸方向所夾銳角為裂紋缺陷斜向角度,斜向角度為90°的裂紋缺陷為1#裂紋缺陷,斜向角度為60°的斜向裂紋缺陷為2#裂紋缺陷,斜向角度為45°的斜向裂紋缺陷為3#裂紋缺陷。3.1傳播特性分析采用收發(fā)分離式斜向曲折型線圈EMAT檢測裝置,激勵信號頻率為f=0.67MHz,激勵信號經(jīng)阻抗匹配器,接收信號經(jīng)阻抗匹配、前置放大器、濾波器后得到回波信號。激勵EMAT、接收EMAT線圈分別選擇斜向角度為45°的斜向曲折型線圈,兩線圈工作導(dǎo)線相互平行。被測試件為鋁合金板,長寬高分別為150、150、30cm。收發(fā)分離式EMAT裝置如圖4所示。圖4中,鋁板水平方向為x軸;垂直于水平方向為y軸;垂直于鋁板所在平面方向為z軸;定義距離鋁板x軸所在水平方向為75cm、y軸所在的豎直方向為50cm的激勵換能器所在位置為坐標(biāo)原點。激勵EMAT、接收EMAT中兩斜向線圈相互平行,激勵換能器位置保持不變,接收換能器從x=30的路徑L圖5中,45°斜向曲折型線圈接收EMAT沿路徑L回波信號的最大峰峰值點的坐標(biāo)為圖5(e)中的點(30,29),該點坐標(biāo)與45°斜向曲折型線圈EMAT主聲束方向連線近乎垂直,可知電磁超聲導(dǎo)波沿垂直于斜向曲折型線圈工作導(dǎo)線方向的斜向傳播,回波信號峰值的變化關(guān)于最大峰值點兩側(cè)非對稱分布。上述傳播特性實驗過程中,激勵EMAT與接收EMAT的距離變化本身也會引起接收信號幅值的改變,采用激勵EMAT位置保持不變,接收EMAT線圈與激勵EMAT線圈平行放置,接收EMAT沿主聲束軸線由近及遠水平移動,平移范圍為200~700mm,平移步進為5cm。所得回波信號峰峰值-距離關(guān)系如表1所示。將平移中各回波信號的峰峰值與平移間距繪制成幅值-距離衰減曲線,如圖6所示。圖6中,激勵、接收EMAT間距從200平移至700mm過程中,回波信號的峰峰值波動緩慢?；夭ㄐ盘栕畲蠓宸逯禐?.414V,而回波信號最小峰峰值為1.842V。距離對幅值的變化影響不大,排除了傳播特性實驗中信號變化是由距離變化引起的。3.2路徑2:3#繞合線型在電磁超聲導(dǎo)波斜向傳播特性實驗的基礎(chǔ)上,為驗證線圈斜向角度與傳播方向的關(guān)系,采用收發(fā)分離式EMAT裝置保持不變,分別設(shè)計45°斜向曲折型線圈(3#線圈)EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒灐?0°斜向曲折型線圈(2#線圈)EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒灐?)3#線圈EMAT傳播方向?qū)嶒炄鐖D4所示裝置,激勵EMAT的位置不變,在鋁板上以5cm為間隔,分別設(shè)置路徑L圖7中,45°斜向曲折型線圈EMAT的主聲束在路徑L2)2#線圈EMAT傳播方向?qū)嶒灡３?#線圈EMAT傳播方向?qū)嶒炑b置不變,激勵EMAT、接收EMAT的線圈分別改為60°斜向曲折型線圈。激勵EMAT位置不變,60°斜向曲折型線圈(2#線圈)EMAT在路徑L圖8中,路徑L3)傳播方向?qū)嶒灧治龈鶕?jù)回波信號圖,45°與60°斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒灁?shù)據(jù)分別如表2、3所示。將表2、3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖,橫軸為x軸方向位移,縱軸為y軸方向位移。45°、60°斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒瀸Ρ葓D如圖9所示。圖9中,45°、60°斜向曲折型線圈主聲束傳播實驗與理論吻合較好。45°斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播實驗與理論誤差為0.57%~3.33%;60°斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播實驗與理論誤差為0.04%~1.88%,驗證斜向曲折型線圈EMAT超聲導(dǎo)波主聲束傳播方向與斜向曲折型線圈工作導(dǎo)線垂直。45°、60°斜向曲折型線圈EMAT主聲束傳播方向?qū)嶒炛?線圈斜向角度決定超聲導(dǎo)波傳播方向。斜向角度不同,主聲束與線圈工作導(dǎo)線垂直,主聲束識別與之垂直的裂紋缺陷,因此控制斜向曲折型線圈斜向角度可實現(xiàn)不同斜向角度斜向裂紋缺陷檢測目的。3.3回波信號檢測采用收發(fā)一體斜向曲折型線圈電磁超聲導(dǎo)波裂紋缺陷檢測裝置,收發(fā)一體裂紋缺陷檢測的實驗原理如圖10所示。激勵信號頻率f=0.61MHz,線圈斜向角度分別為90°、60°與45°,被測鋁板,長寬高為100、200、30cm。定義x軸與y軸方向夾角為裂紋缺陷斜向角度。鋁板上坐標(biāo)(20,120)、(20,70)、(20,20)位置分別制作斜向角度為90°、60°、45°裂紋缺陷,裂紋缺陷長寬深為5、2、3mm。圖10中,1#線圈EMAT從坐標(biāo)點(0,-170)起,以1cm為步長,移動至點(0,30)過程中分別遇到3種斜向角度的裂紋缺陷,線圈斜向角度與裂紋缺陷斜向角度相同時收到回波信號,記錄回波及坐標(biāo)。更換2#線圈EMAT、3#線圈EMAT,分別重復(fù)該實驗并記錄數(shù)據(jù)。以斜向角度為45°的3#線圈為例,該EMAT無法識別60°、90°斜向裂紋缺陷,只識別斜向角度為45°的3#裂紋缺陷。2)回波信號3#線圈EMAT檢測3#裂紋缺陷,在y軸等間隔點得到的回波信號如圖11所示。圖11中,45°斜向曲折型線圈從y軸點(0,-170)逐漸移至y軸點(0,30)?；夭ㄐ盘栐趫D11(a)坐標(biāo)處出現(xiàn);圖11(e)坐標(biāo)點時回波信號達到最大值,該點處斜向曲折型線圈與45°斜向裂紋缺陷平行;圖11(h)點回波信號消失。同理,90°曲折線圈只能檢測90°裂紋缺陷,在60°與45°裂紋缺陷處無回波信號;60°斜向曲折型線圈只能檢測60°斜向裂紋缺陷,在90°與45°斜向裂紋缺陷處無回波信號。3)數(shù)據(jù)分析分別采集90°、60°、45°斜向曲折型線圈在90°、60°、45°斜向裂紋缺陷處的回波信號正峰值及坐標(biāo)。3組不同斜向角度的斜向裂紋缺陷處回波正峰值數(shù)據(jù)如表3所示。將表3中三組數(shù)據(jù)繪成關(guān)系圖,橫軸為實驗圖9中的y軸坐標(biāo)點,縱軸為回波信號電壓正峰值,斜向曲折型線圈與斜向裂紋缺陷的對應(yīng)關(guān)系如圖12所示。圖12中,90°曲折型線圈檢測90°裂紋缺陷時,回波信號關(guān)于最大峰值點對稱;60°斜向曲折型線圈檢測60°斜向裂紋缺陷時,回波信號關(guān)于最大峰值點非對稱分布明顯;45°斜向曲折型線圈檢測45°斜向裂紋缺陷時,回波信號關(guān)于最大峰值點存在非對稱分布,非對稱性較小。不同斜向角度的斜向曲折型線圈EMAT斜向裂紋缺陷檢測時,90°曲折型線圈回波信號較大,回波信號衰減迅速,適合小范圍細小裂紋缺陷識別檢測;60°斜向曲折型線圈聲場回波信號較小,回波信號衰減緩慢,適合大范圍單一方向裂紋缺陷粗略掃查檢測;45°斜向曲折型線圈回波信號衰減緩慢,呈現(xiàn)一定對稱性,適合大范圍雙向裂紋缺陷粗略掃查檢測。4傳播特性分析針對鋁板中斜向裂紋缺陷難以識別檢測的問題,設(shè)計一種斜向曲折型線圈EMAT。對EMAT換能機理分析,以曲折型線圈等效閉合模型為研究對象,建立畢奧薩伐爾定律力磁模型,推導(dǎo)出曲折型線圈在被測試件中一定距離的某點的瞬時磁感應(yīng)強度,對瞬時磁感應(yīng)強度積分運算,得到斜向曲折型線圈動態(tài)磁感應(yīng)強度;對力磁數(shù)學(xué)模型表達式分析,得到斜向曲折型線圈與聲場主聲束關(guān)系,結(jié)果表明:1)斜向曲折型線圈等效閉合力磁模型滿足畢奧薩伐爾定律,斜向曲折型線圈EMAT主聲束方向垂直于斜向曲折型線圈工作導(dǎo)線,與斜向曲折型線圈的斜向角度無關(guān)。2)不同斜向角度的斜向曲折型線圈在垂直于工作導(dǎo)線兩側(cè)的主聲束分布不同,斜向曲折型線圈EMAT兩側(cè)主聲束呈現(xiàn)非對稱分布;雙向傳播的主聲束以激勵換能器中心點為坐標(biāo)原點,關(guān)于原點奇對稱分布。3)不同斜向角度的斜向曲折型線圈能檢測與它斜向角度相同或與它斜向角度偏差較小的斜向裂紋缺陷,無法檢測與其斜向角度不同的裂紋缺陷。不同角度的斜向曲折型線圈適用范圍不同,根據(jù)裂紋缺陷檢測