電磁超聲檢測(cè)技術(shù)

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 1http:/ 1 電磁超聲的基本原理 2 電磁超聲機(jī)理的研究 3 電磁超聲數(shù)學(xué)模型的建立 4 電磁超聲的數(shù)值模擬 一、電磁鐵表態(tài)磁場(chǎng)的仿真 二、脈沖渦流的分布 三、洛侖茲力的分布 四、在洛侖茲力作用下超聲的產(chǎn)生和在介質(zhì)中的傳播 五、EMAT接線器對(duì)電磁超聲的檢測(cè) 5 EMAT探頭的設(shè)計(jì) 一、線圈的設(shè)計(jì) Lamb波、縱波、橫波、表面波 6 EMAT電路系統(tǒng) 7 應(yīng)用實(shí)例：一、探傷，二、測(cè)厚，三、非接觸應(yīng)力測(cè)量 8 研究展望 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2http:/ 電磁超聲檢測(cè)的特點(diǎn)： (1)電磁超聲借助電磁場(chǎng)作為發(fā)送和接收超聲波的介質(zhì)

2、，所以不需要油、水之類的 耦合劑； (2)通過改變磁鐵的結(jié)構(gòu)和形狀，改變信號(hào)發(fā)射和接收線圈的排列方式，就可以分 別產(chǎn)生縱波、橫波和表面波等不同模式的波，特別是SH波； (3)可對(duì)高溫物體和表面有銹垢及油漆層的物體直接檢測(cè)，因而可減輕工作量，節(jié) 約能源。EMAT甚至能檢測(cè)750的高溫物體，常規(guī)超聲無法做到； (4)由于不需要耦合劑，不存在接觸壓力變化問題，探傷靈敏變穩(wěn)定； (5)不能用于非金屬檢測(cè)。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 3http:/ 處于交變磁場(chǎng)的金屬導(dǎo)體，其內(nèi)部將產(chǎn)生渦流；同時(shí)任何電流在磁場(chǎng)中 都受到力的作用，而金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波，頻率 在超聲波范圍

3、內(nèi)的應(yīng)力波即為超聲波。如果把表面放有交變電流的金屬 導(dǎo)體放在一個(gè)固定的磁場(chǎng)內(nèi)，則在金屬的渦流透入深度內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)將承受 交變力。該力使透入深度內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，致使在金屬中產(chǎn)生超聲波。 與此相反，由于此效應(yīng)呈現(xiàn)可逆性。返回聲壓使質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在磁場(chǎng)作用 下也會(huì)使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，因此可以通過接收裝置進(jìn)行接 收并放大顯示。我們把用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。 在這種方法中，換能器己不單單是通用交變電流的渦流線圈以及外部固 定磁場(chǎng)的組合體，金屬表面也是換能器的一個(gè)重要組成部分，電和聲的 轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來完成的。電磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)上產(chǎn)生，因此電 磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)上獲得應(yīng)用。

4、dt d RR I 1 x x e JJ 0 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 4http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 5http:/ 渦流線圈貼于金屬表面，磁鐵如圖放置，此時(shí)金屬內(nèi)的磁力線平行干金屬 表面。當(dāng)線圈內(nèi)通過高頻電流時(shí)，將在金屬表面感應(yīng)出渦流，且渦流平面 與磁力線平行，在磁場(chǎng)作用下，渦流上將受一個(gè)力的作用。某一時(shí)刻的方 向如圖所示方向向上，半個(gè)周期后將受一個(gè)向下的力，這樣，質(zhì)點(diǎn)受交變 力的作用，因此在作用力方向上產(chǎn)生一個(gè)彈性波。由干振動(dòng)方向和波的傳 播方向一致，此波為超聲縱波。 1.磁鐵 2.線圈 3.磁力線 4.工件 F B I 1 2 3 4 縱波的激

5、 發(fā)和接收 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 6http:/ 磁力線垂直于金屬表面，當(dāng)貼附于金屬表面的渦流線圈通以交變電流 時(shí)。將在金屬表面感應(yīng)出渦流，在外磁場(chǎng)作用下，渦流受力方向平行 于金屬表面。某一時(shí)刻的方向如圖所示。方向向右，半個(gè)周期后質(zhì)點(diǎn) 將受一個(gè)向左的力。這樣，質(zhì)點(diǎn)在交變力的作用下產(chǎn)生一個(gè)與作用力 方向相垂直的彈性波。 1.磁鐵 2.線圈 3.磁力線 4.工件 F I 1 2 3 4 B 橫波的 激發(fā)和 接收 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 7http:/ 非鐵磁性導(dǎo)電體 空氣空氣 ),( tzH x y z 0 B I 或 1 基本機(jī)理-非鐵磁性導(dǎo)電體 滲透深度

6、f 1 電渦流密度 ),(),(tzHtzJ 洛侖茲力密度 BtzJtzF),(),( 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 8http:/ 1 基本機(jī)理-鐵磁性導(dǎo)體 洛侖茲力 HJf L 0 磁致伸縮力 )(j HBms HMBMEf 磁性力 z H Mf M 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 9http:/ 1 基本機(jī)理-鐵磁性導(dǎo)體 (1)徑向偏振剪切波束 螺線形EMAT，產(chǎn)生垂直于表面法向傳播的徑向剪切 波，如圖5(a)所示。 (2)縱向剪切偏振波束 切向場(chǎng)EMAT，激勵(lì)沿表面法向傳播的平面偏振縱波， 如圖5(b)所示。 (3)平面剪切偏振波束 法向場(chǎng)EMAT，激勵(lì)沿表面法向

7、傳播的平面偏振剪切 波，如圖5(c)所示。 (4)縱向或垂直偏振剪切波束 曲折線圈EMAT，激勵(lì)斜向縱波或垂直偏振剪切波， 瑞利波或制導(dǎo)模式板波，如圖5(d)所示。 (5)以傾斜角傳播的水平偏振剪切波速束 間歇式永久磁鐵EMAT，激勵(lì)斜向傳播，水平偏振剪 切波或制導(dǎo)型水平偏振剪切波波，如圖5(e)所示。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 10http:/ 2 電磁超聲的等效模型 在發(fā)射端，信號(hào)中的電纜中的電壓、 電流分別為 )( jks aa jks I eeVV )( 0 jks aa jksI ee Z V I 當(dāng)探頭阻抗與線纜阻抗相匹配時(shí) 0aa 在接頭端 )( 0 sjk ba

8、 I e Z V I 電壓透射系數(shù) ba )( sjk baI eVV 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 11http:/ ba ba 根據(jù)機(jī)電互易關(guān)系，若為無缺陷時(shí)透壓系數(shù)， 為有缺陷時(shí)電壓透射系數(shù)，則 dSnTvTv p I F S bababa )( 4 1221 P為信號(hào)發(fā)生器的電功率 0 2 2Z V p I 若缺陷是一個(gè)裂紋，由于材料表面應(yīng)力的消失，可采取更簡(jiǎn)潔的形 式，若裂紋的開口無限小，可選擇 F S恰好包含該裂紋，則有 dSnTu p j I crack ba 4 12 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 12http:/ ba o ba e baba o ba

9、 baba 當(dāng)忽略電路的串?dāng)_時(shí)， ( 在脈沖反射測(cè)量中，可采用相位技術(shù)去除 由此可得： )( 0ab e ba 可采用時(shí)間門檻技術(shù)去除。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 13http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 14http:/ 1基本方程 在EMAT系統(tǒng)中，檢測(cè)材料(鐵磁材料或非鐵磁材料)被一個(gè)靜態(tài) 磁場(chǎng)和一個(gè)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)所磁化。 動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的頻率很高，幅值很小 麥克斯韋方程組的微分形式 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 15http:/ 在電磁超聲換能器中，對(duì)于實(shí)際線圈陣列的典型激發(fā)電流頻率很少超過幾兆 赫茲，因而對(duì)于時(shí)間的求導(dǎo)項(xiàng)可以忽略，同時(shí)假設(shè)沒有體電荷密

10、度存在。則 式子(6-3)和(6-5)可以簡(jiǎn)化為: 根據(jù)電磁超聲換能器理論，多個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)之間的耦合關(guān)系可以由下面的連續(xù) 方程描述 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 16http:/ 磁致伸縮場(chǎng)矢量 其中，e3x6和S6x1分別是磁致伸縮矩陣和由超聲波導(dǎo)致的應(yīng)變列矩陣。 磁致伸縮矩陣 應(yīng)變列矩陣 動(dòng)態(tài)磁通密度 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 17http:/ 將公式(6-9)的兩邊同取旋度符號(hào) 將式子(6-2)兩邊去除旋度操作符后可以得到 其中，Es為一個(gè)未知的常量。將(6-17)帶入(6-8)中可以得到 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 18http:/ 渦電流密度 洛

11、侖茲力電流密度 磁化電流密度 磁致伸縮電流密度 磁致伸縮場(chǎng)強(qiáng)度矢量 考慮EMAT的二維模型，則 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 19http:/ 2激發(fā)過程模式方程激發(fā)過程模式方程 在激發(fā)模式中，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)是由工件上放置的載流線圈產(chǎn)生的。這一電流在 EMAT線圈導(dǎo)體中提供源電流密度Jsz,。前面曾提及在式子(6-8)和(6-9)中涉 及u和S的項(xiàng)相對(duì)于其他項(xiàng)很小，僅在接收模式中考慮。由于JLz，JMz， JMz含有u和S，這些電流密度相對(duì)于其他項(xiàng)很小，可以忽略。 源電流密度Jsz可以用第k個(gè)導(dǎo)體的整個(gè)電流ik(t)和Az表示 將(6-27)帶入(6-26)中，可以得到下面的微積分方程

12、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 20http:/ 根據(jù)牛頓定律對(duì)于各向異性固體的非均勻彈性波方程，電動(dòng)力密度可以得出 總力密度可以分解 表面牽引力密度和體力密度 體力密度可以分解成 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 21http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 22http:/ 將式子(6-40)的帶入(6-31)可以得到 將式子(6-30)帶入(6-41)得電磁超聲換能器激發(fā)模式位移矢量的求解方程。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 23http:/ 3接收過程模式方程 在接收模式中，聲波在靜態(tài)磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)。這個(gè)動(dòng)態(tài)的 磁場(chǎng)會(huì)在工件

13、上放置的開環(huán)提取線圈中感應(yīng)出一個(gè)電壓。由于提取線圈都是開 環(huán)的，因而線圈導(dǎo)體中的總電流ik(t)應(yīng)為零。則式子(6-27)可以簡(jiǎn)化為 結(jié)合式子(6-26)和(6-43)可以得到 根據(jù)法拉第定律和斯托克定理求解提取線圈中的感應(yīng)電壓 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 24http:/ 1建立模型 在激勵(lì)線圈中根據(jù)公式(6-29)通以激勵(lì)電流，設(shè)有窗的聲脈沖信號(hào)包含有5 個(gè)周期，信號(hào)的幅值為100安培，信號(hào)的頻率為500kHz 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 25http:/ 瞬態(tài)激勵(lì)電流 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 26http:/ 2電渦流的趨膚效應(yīng) 華中科技大學(xué)

14、機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 27http:/ 3電渦流分布的影響因素分析 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 28http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 29http:/ 4 EMAT超聲激發(fā)的數(shù)學(xué)仿真 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 30http:/ 計(jì)算得到的洛侖茲力在時(shí)間和空 間的分布即作為彈性動(dòng)力，在被 測(cè)件中激發(fā)出超聲。根據(jù)惠更斯 原理，對(duì)于各向同性的固體，位 于被測(cè)件表面離散輻射點(diǎn)源所產(chǎn) 生的體波場(chǎng)的輻射角由下式計(jì)算。 感應(yīng)電渦流受到靜磁場(chǎng)的作用，根據(jù)公式(6-49)受到了x方向的洛侖茲力 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 31http:/

15、 5 EMAT超聲接收的數(shù)學(xué)仿真 EMAT物理原理上是一個(gè)可逆的換能器，當(dāng)有超聲回波經(jīng)過EMAT下方的被測(cè)導(dǎo)體 時(shí)，超聲波促使金屬晶格振動(dòng)，這種振動(dòng)與偏置磁場(chǎng)相互作用感生出電渦流場(chǎng)， 或者由于逆磁致伸縮效應(yīng)將在金屬外界的空氣中產(chǎn)生矢量磁位，這一矢量磁位在 接收線圈上產(chǎn)生瞬變電壓或電流，EMAT就是根據(jù)接收到的感生電壓或電流信號(hào)來 探測(cè)超聲回波的。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 32http:/ 1 線圈的設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 33http:/ 1 線圈的設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 34http:/ 1 線圈的設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華

16、中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 35http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 36http:/ 2 線圈制作 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 37http:/ 3 磁鐵的設(shè)計(jì)與制作 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 38http:/ 3 磁鐵的設(shè)計(jì)與制作 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 39http:/ 3 磁鐵的設(shè)計(jì)與制作 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 40http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 41http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 42http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 43http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 44http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 45http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 46http:/ 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科