改进型电磁超声表面波换能器*

蔡 壮, 吴运新, 龚 海, 吴雨唐

(1.中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083；2.中南大学 高性能复杂制造重点实验室,湖南 长沙 410083)

0 引 言

电磁超声无损检测技术相比于压电超声无损检测技术,具有很多显著的优点,譬如在工程实际应用时不需要耦合剂作为辅助材料、与待检测工件不需要直接接触、对环境没有污染等显著的优点,在航空航天、大型构件制造过程得到了越来越广泛的应用[1]。因此,国内外众多学者对作为电磁超声无损检测技术的电磁超声换能器(EMAT)进行多方面的研究[2～10]。

相比于压电超声换能器,电磁超声表面波换能器的换能效率低是目前需要解决的难题,永磁铁作为电磁超声表面波换能器的核心部件,本文通过提出一种改进型的永磁铁的布置方式,制作了一种改进型电磁超声表面波换能器。

1 电磁超声表面波换能器有限元模型

电磁超声表面波换能器的结构部件主要由钕铁硼长方体永磁铁、间距相同的曲折线圈组成。铝块属于非铁磁性金属材料,电磁超声表面波换能器的工作机制是洛伦兹力的作用。图1所示为电磁超声表面波换能器在非铁磁性试样(铝块)激发表面波的工作原理。其激发过程为钕铁硼长方体永磁铁提供静态磁场,曲折线圈中加载高频大功率电流,由法拉第电磁感应定律和集肤效应以及邻近效应可知高频电流会在铝块表面产生动态磁场,并且在铝块表面感生出动态涡流。在铝块表面,涡流和静态磁场以及动态磁场的矢量之和的叉乘产生洛伦兹力,洛伦兹力引起表面质点的周期性高频振动,进而在铝块表面产生电磁超声表面波。电磁产生换能器的接收过程为激发过程的逆过程。

图1 电磁超声表面波换能器工作原理

本文研究基于洛伦兹力机制的电磁超声表面波换能器,主要包括钕铁硼永磁铁、间距相同的曲折线圈、被测铝块。考虑到计算机的实际计算能力和降低计算时间,本文采用二维仿真代替三维仿真,仿真模型主要由以下4部分组成：长方形的空气域、钕铁硼永磁铁、间距相同的曲折线圈、被测试铝块。传统型电磁超声表面波换能器采用整体长方形永磁铁,改进型的电磁超声表面波换能器采用4个具有固定1 mm间隔的并用塑料支撑板支撑的永磁铁组成,如图2所示。

图2 电磁超声表面波换能器结构对比

其中,整体磁铁的宽度为40 mm,高度为10 mm,改进型的磁铁的单个磁铁的宽度为整个磁铁的1/4,即10 mm,高度与整个磁铁高度一致,并且每个磁铁采用1 mm的间距,相邻磁铁磁极相反,磁铁中间采用1 mm厚的塑料支撑板支撑。曲折线圈采用长方形线圈代替圆形线圈,线圈的宽度为0.5 mm,高度为0.05 mm,匝数为13匝,线圈的中心到磁铁下表面和铝块上表面的距离分别0.5 mm,由于采用的是f=0.5 MHz的激励电流,表面波的速度为C=3 000 m/s,根据公式L=C/2f,线圈间距L为3 mm。铝块的尺寸为宽度为100 mm,高度为20 mm,空气域的宽度为200 mm,高度为100 mm。模型中材料的主要电学参数如表1所示。

表1 模型中材料的主要电学参数

模型中网格的大小对计算结果有着非常重要的影响,考虑到计算机的计算能力和计算成本,空气域、永磁铁、线圈采用自由三角形网格,最大单元大小分别为10.6,0.5,0.005 mm。铝块采用映射网格,最大单元大小为0.8 mm,考虑到电磁耦合的集肤效应,铝块的上表面采用边界层,边界层数为5,拉伸因子为1,第一层厚度为0.8 mm,铝块的上边界采用自由边界,其余边界采用低反射边界,防止反射回波对仿真结果的影响。模型的网格划分结果如图3所示。

图3 模型网格划分结果

2 有限元模型仿真分析

图4显示了传统型和改进型的二维模型磁通密度分布和模型对应的表面的磁通密度分布。在两种模型中的铝块的距离上表面的0.01 mm处,铝块的中心轴为对称轴,取一条长度为50 mm二维截线,计算铝块表面的磁通密度。从图4中可以看出,传统型的Bx在左右两侧有两个峰值,最大值为0.44 T,并且在中心处的值为0,改进型的Bx的有五个峰值,其中最大值为0.70 T,是传统型的1.59倍；传统型的By在左右两侧同样有两个峰值,最大值为0.22 T,改进型的By有四个峰值,其中最大值为0.47 T,是传统型的2.14倍；传统型的B在左右两侧有两个峰值,最大值为0.44 T,改进型的B有五个峰值,其中最大值为0.71 T,是传统的的1.61倍。综上所述,改进型的电磁超声表面波换能器对换能效率的提升有重要的作用。

图4 磁通密度分布

图5显示了13 μs时传统型和改进型电磁超声表面波换能器激发的表面波总位移模拟结果,可以看到改进型激发的表面波总位移最大值为35×10-8mm,而传统型激发的表面波的最大幅值为20×10-8mm,改进型电磁超声表面波换能器激发的总位移是传统型的1.75倍。图6显示了在距离铝块表面中心40 mm,距离上表面0.01的二维截点出的位移分量,其中改进型与传统型的位移场x分量最大值分别为16×10-8mm和 9.2×10-8mm,改进型电磁超声表面波换能器激发的表面波在该二维截点处位移场x分量是传统型的1.73倍；其中改进型与传统型的位移场y分量最大值分别为2.2×10-7mm和 1.92×10-7mm,改进型电磁超声表面波换能器激发的表面波在该二维截点处位移场y分量是传统型的1.14倍。从有限元模型的模拟结果可知,改进型电磁超声表面波换能器激发的表面波幅值与传统型的电磁超声表面波换能器激发的表面波幅值相比，具有明显的提高。

图5 有限元模拟总位移

图6 铝块表面二维截点的位移

3 实验验证与分析

图7为电磁超声表面波换能器传统型和改进型中的关键部件磁铁的实物和实验系统。传统型采用的是长40 mm，宽40 mm，高10 mm的钕铁硼永磁铁,改进型采用4块长40 mm，宽10 mm，高10 mm的相同尺寸的钕铁硼永磁铁,剩余磁通密度均为1.2 T。电磁超声表面波换能器所采用的具有相同间隔的曲折线圈为PCB线圈,导线宽为0.25 mm,铜层厚度为0.035 mm。实验系统图主要由安装LabVIEW的计算机、采集卡PCI8544、电磁超声主机Retic RPR—4000、激发阻抗匹配、接收阻抗匹配、激发探头和接收探头。设置脉冲电流的激励频率为0.5 MHz,最大幅值为50 A的正弦脉冲电流。

图7 电磁超声表面波换能器磁铁实物和实验系统

图8为电磁超声表面波换能器传统型和改进型接收探头实测电压值。其中,传统型电磁超声表面波换能器接收电压幅值最大值为4.05 mV,改进型电磁超声表面波换能器接收电压幅值最大值为7.94 mV,改进型电磁超声表面波换能器接收电压幅值最大值为传统型的1.92倍,实验结果与仿真结果相近。由于两种结构的换能器在相同的实验环境下进行的测试,并且采用的是相同的曲折线圈,所以接收电压幅值的提升是由于磁铁结构的改变。

图8 电磁超声表面波换能器传统型和改进型的实测电压幅值

4 结 论

本文设计了一种改进型电磁超声表面波换能器。相比于传统型电磁超声表面波换能器采用整体永磁体,本文设计的换能器采用具有1 mm固定间隔的周期性永磁体。仿真结果和实验结果表明：改性型电磁超声表面波换能器的换能效率明显高于传统型电磁超声换能器的换能效率。