基于電磁超聲表面波干涉增強(qiáng)的鋼板表面檢測

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（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

近年來，電磁超聲檢測技術(shù)因具有非接觸性、不需要耦合劑等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛研究，其在高溫、高速、在線無損檢測領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景［1－2]。當(dāng)電磁超聲傳感器（EMAT）用于鋼板表面探傷時，一般采用一發(fā)一收的傳感器模式，聲波通過一個傳感器激勵得到并沿鋼板表面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x后被另一個傳感器接收。常用脈沖回波反射法進(jìn)行缺陷檢測信號的分析，理論上當(dāng)鋼板表面存在缺陷時，接收到的檢測信號含有通過信號波包與缺陷反射信號波包，通過分析反射波的時間、幅值等信息判斷缺陷的位置和大小。

國外學(xué)者利用激光超聲方法，研究發(fā)現(xiàn)在接收傳感器距離缺陷很近時，通過信號會有明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象［3－5]。對此 Edwards等人采用 EMAT－EMAT檢測模式進(jìn)行了進(jìn)一步的研究［6]，通過分析聲波的面內(nèi)振動，證明該現(xiàn)象是由于檢測距離很近時缺陷反射信號與通過信號在時域上進(jìn)行波形疊加，從而造成通過信號出現(xiàn)簡單的干涉增強(qiáng)。同時，Edwards提出這種現(xiàn)象可以應(yīng)用于金屬板表面裂紋類缺陷的檢測中，尤其是深度遠(yuǎn)小于表面波波長的缺陷，而利用脈沖回波法檢測往往由于缺陷反射信號幅值過小易被噪聲淹沒給檢測帶來困難。

然而上述研究工作均針對非鐵磁性的鋁件。相對于鋁板，鋼板上電磁超聲傳感器的換能機(jī)理復(fù)雜，不僅有洛倫茲力的作用，還有非線性的磁性力和磁致伸縮力的綜合作用［7]，聲波成分復(fù)雜，檢測信號往往難以解釋。基于上述現(xiàn)象，利用表面波傳播速度一定、無頻散，利于檢測信號分析且表面波適合檢測被測件表面和近表面缺陷的特點(diǎn)，設(shè)計了可用于任意方向掃查檢測的電磁超聲表面波傳感器，在鐵磁性鋼板上進(jìn)行表面刻槽缺陷線掃查檢測試驗(yàn)。相對于壓電超聲，使用EMAT進(jìn)行檢測不受耦合劑對聲波傳播造成的影響；而相對于激光超聲，電磁超聲的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)簡單，更適合應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。

1 電磁超聲表面波傳感器

電磁超聲表面波檢測原理如圖1所示。永磁鐵、回折線圈和試件本身共同組成了傳感器，其中永磁鐵提供垂直磁場。當(dāng)回折線圈通有大功率高頻交變電流時，會在被測件表面感生出渦流，渦流在永磁鐵提供的垂直靜磁場作用下產(chǎn)生交變的洛倫茲力，被測件表面的質(zhì)點(diǎn)在洛倫茲力的作用下會產(chǎn)生有規(guī)律的高頻振動，這種高頻振動在宏觀上表現(xiàn)為以超聲波的形式沿被測件傳播。一般認(rèn)為當(dāng)被測件厚度大于聲波波長的4倍時，在被測件表面?zhèn)鞑サ某暡礊楸砻娌?。?dāng)線圈回折間距為超聲波波長的二分之一時，滿足相長干涉條件，表面波的激勵效率最高。電磁超聲表面波的接收過程則通常被認(rèn)為是激勵的逆過程［7]。

圖1 電磁超聲表面波洛倫茲力激勵原理

圖2 表面波傳感器三維結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)上述原理設(shè)計的電磁超聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。包括激勵與接收兩個單元，兩單元的中心相距80 mm。該距離可避免激勵端磁鐵與接收端磁鐵間相互影響，同時保證接收信號中電磁脈沖干擾與通過信號之間時域上無重疊。為克服傳感器安裝時內(nèi)部磁鐵與鋼板間的吸力，適當(dāng)增大了傳感器高度。在傳感器的底部，設(shè)計安裝了6個微型萬向球用于傳感器在鋼板上沿任意方向運(yùn)動，方便用于掃查檢測。綜合考慮傳感器的換能效率以及傳感器在鋼板上的運(yùn)動可靠性，傳感器線圈距鋼板表面的提離約為1.5 mm。

傳感器的設(shè)計主要針對厚度大于8 mm的鋼板表面缺陷檢測，根據(jù)表面波的激勵原理，波長的設(shè)計不應(yīng)超過2 mm，由此設(shè)計的回折線圈間距約為1 mm。根據(jù)已知的鋼板表面波傳播速度2 960 m/s［8]，由頻率波速波長關(guān)系計算出理論上激勵表面波的頻率為1.48 MHz。

2 刻槽檢測試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 檢測平臺與試驗(yàn)

試驗(yàn)采用如圖3所示的檢測平臺，主要有信號發(fā)生器、功率放大裝置、電磁超聲表面波傳感器、信號放大濾波裝置以及示波器。對信號的后期處理分析則由外置存儲器將示波器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入PC機(jī)中進(jìn)行。對鋼板表面刻槽進(jìn)行掃查檢測時，為了精確控制傳感器的位置，利用三坐標(biāo)工作臺實(shí)現(xiàn)傳感器的運(yùn)動。試驗(yàn)時由電機(jī)通過絲杠帶動工作臺的運(yùn)動部位，從而推動傳感器以需要的步距在鋼板上作直線移動。其運(yùn)動步長精度可達(dá)0.005 mm，具有點(diǎn)動和連動兩種運(yùn)動方式。

試驗(yàn)所用試樣為8 mm厚鋼板，其長寬為1 210 mm×510 mm。在鋼板的四個不同位置分別加工有深度為板厚10%，20%，30%和40%的4個長125 mm寬1.5 mm的刻槽。

試驗(yàn)采用1.5 MHz的激勵頻率。傳感器按聲波傳播方向垂直于刻槽的方位擺放，從接收單元中心距離缺陷中心即檢測距離100 mm開始，沿接近刻槽的方向逐步移動傳感器，如圖3中箭頭方向所示。定義傳感器的激勵單元中心與接收單元中心處在刻槽的同一側(cè)時檢測距離為正，分別位于刻槽兩側(cè)時的檢測距離為負(fù)。移動傳感器時，注意觀察通過信號的幅值變化確定移動步距，使用的最大步距為5 mm，最小為0.5 mm。每移動一個點(diǎn)，記錄下該檢測點(diǎn)512次平均后的接收信號，直至檢測距離為－40 mm。為避免電機(jī)開停造成實(shí)際移動距離與所設(shè)定的步距存在誤差，該工作臺安裝有光柵尺位置測量裝置以反饋運(yùn)動部位的實(shí)際移動量，最終顯示的讀數(shù)為精確的光柵監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖3 鋼板表面刻槽檢測試驗(yàn)裝置圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

檢測距離分別為100 mm和35 mm時深為板厚40%的刻槽缺陷檢測信號如圖4所示?？梢钥闯鲭姶琶}沖干擾與通過信號無時域疊加現(xiàn)象，通過信號清晰可辨，確保信號處理時對其幅值進(jìn)行提取。檢測距離100 mm時在約95μs處可見明顯的缺陷反射回波。隨著缺陷檢測距離的減小，缺陷回波在時域上逐漸向通過信號靠近，當(dāng)檢測距離為35 mm時，缺陷反射信號對應(yīng)的時間約為50μs。而通過信號由于激勵單元與接收單元之間的距離一定，出現(xiàn)的時間始終保持不變。此外，檢測距離35 mm時通過信號的幅值也有所增大。

圖4 檢測距離為100 mm和35 mm時深40%刻槽檢測信號

提取整個線掃查檢測中每個檢測點(diǎn)接收的通過信號峰峰值，得到峰峰值與檢測距離對應(yīng)的關(guān)系如圖5所示。為了消除系統(tǒng)不同時間檢測時重新開機(jī)導(dǎo)致通過信號幅值不穩(wěn)定的影響，對通過信號作了歸一化處理?？梢钥吹?，四個深度的刻槽檢測結(jié)果有著相同的信號特征，在傳感器距缺陷較遠(yuǎn)的位置處信號大小保持在一個較穩(wěn)定的值上。隨著檢測距離的減小，四個刻槽的掃查檢測信號均出現(xiàn)了兩處明顯的信號增強(qiáng)現(xiàn)象。兩個信號加強(qiáng)處最大值對應(yīng)的檢測距離已在圖中給出。隨后信號逐漸下降直至接收單元中心穿過缺陷后信號又趨于平穩(wěn)。

圖5 不同深度刻槽檢測通過信號幅值與檢測距離對應(yīng)關(guān)系

進(jìn)一步分析得到，在平均距離約16.5 mm處信號有10%～20%的增強(qiáng)，這是由于線圈在掃查方向上的寬度為31.5 mm，刻槽的寬度為1.5 mm，當(dāng)接收單元中心與缺陷中心距離16.5 mm時，回折線圈邊緣恰好與刻槽近邊緣處重合，線圈接收來自激勵單元的通過信號的同時，也接收來自刻槽的缺陷回波，兩者的疊加造成聲波振動幅值干涉增強(qiáng)。統(tǒng)計四個刻槽的缺陷反射信號占通過信號的百分比為1 0%～25%，這與干涉增強(qiáng)的幅度基本相吻合。另外，在此檢測距離約兩倍處，信號同樣出現(xiàn)了7.5%～15%的增強(qiáng)。

3 結(jié)語

基于電磁超聲檢測原理，研究了一種不同于常規(guī)使用的脈沖回波反射法的缺陷評判方法。通過自研制的電磁超聲表面波傳感器，在鐵磁性的板材上對板材表面缺陷進(jìn)行了線掃查檢測試驗(yàn)。檢測結(jié)果表明，四個不同深度的刻槽缺陷掃查檢測信號特征一致，當(dāng)接收單元的位置相對刻槽滿足一定條件時，會使通過信號得到10%～20%的干涉增強(qiáng)。此現(xiàn)象可用于激勵效率低、信噪比小的情況下對小深度裂紋類缺陷的檢測。這種利用通過信號增強(qiáng)現(xiàn)象而不是分析缺陷回波進(jìn)行缺陷評判的方式，對于拓展超聲檢測缺陷評判方法具有重要意義。后續(xù)的工作可通過建立相應(yīng)的物理模型，對信號增強(qiáng)的具體位置以及增強(qiáng)幅度與缺陷深度等的關(guān)系作更細(xì)致的研究。

［1]張勇，陳強(qiáng)，孫振國，等.用于無損檢測的電磁超聲換能器研究進(jìn)展［J].無損檢測，2004，26（6）：275－279.

［2]王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器的研究進(jìn)展綜述［J].儀表技術(shù)與傳感器，2006，（5）：47－50.

［3]SOHN Y，KRISHNASWAMY S.Mass spring lattice modeling of the scanning laser source technique［J].Ultrasonics，2002，39：543－551.

［4]BOONSANG S，DEWHURST R J.Enhancement of laser－ultrasound/electromagnetic－acoustic transducer signals from rayleigh wave interaction at surface features［J].Applied Physics Letters，2003，82（19）：3348－3350.

［5]ARIAS I，ACHENBACH J D.A model for ultrasonic detection of surface－breaking crack by the scanning laser source technique［J].Wave Motion，2004，39：61－75.

［6]EDWARDS R S，DIXON S，JIAN X.Enhancement of the rayleigh wave signal at surface defects［D].Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37（16）：3391－2297.

［7]THOMPSON R B.Physical principles of measurements with EMAT transducers［J].Physical Acoustics，1990，19：157－200.

［8]巴洪.鋼板電磁超聲檢測方法的實(shí)驗(yàn)研究［D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.