- 頭條新型電磁超聲換能器，小尺寸板材缺陷檢測效率高2020-09-11 作者：張闖、魏琦、劉素貞、楊慶新 | 來源： | 點擊率：導語河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室、天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室的研究人員張闖、魏琦、劉素貞、楊慶新，在2019年第17期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“小尺寸試件檢測用單向單模態電磁超聲換能器設計”），用于小尺寸薄板試件超聲檢測時，蘭姆波的頻散和多模態特性、電磁超聲換能器（EMAT）的多方向發射特性以及板材的端面反射影響等將導致采集的超聲回波信號十分復雜，不利于進一步分析信號。 該文在傳統EMAT的基礎上，依據波的疊加原理，提出一種利用四個曲折線圈激發單向單模態蘭姆波的電磁超聲蘭姆波激勵方法，通過改變線圈線間距、激勵電流方向和延遲時間等來選擇性地控制蘭姆波的激發方向和模態，減少缺陷檢測中的干擾波，并將其應用于小尺寸板材的缺陷檢測。通過與傳統單線圈EMAT進行仿真和實驗對比，驗證了該新型EMAT在10cm長的薄鋁板缺陷檢測中的可行性，缺陷回波信號清晰可辨，大大降低了后續的信號處理難度。
在航空航天、軌道交通和重型裝備工程領域中，小型零部件的損壞將危及結構的整體安全，超聲法是應用廣泛的無損檢測方法之一。但是對于小尺寸試件的超聲檢測存在諸如近場盲區、邊界反射復雜等問題。為確保重大結構和裝備的安全穩定運行，如何實現小尺寸試件的缺陷可靠檢測尚有待進一步研究。
超聲蘭姆波因其對表面和次表面缺陷具有一定的敏感性，被廣泛應用于板材結構中的損傷檢測。然而蘭姆波的頻散特性使得其在薄板中傳播時存在對稱和反對稱多種模態，導致信號的處理和解析較為復雜，限制了它在識別結構損傷方面的應用效果。
為了獲得單一模態蘭姆波，國內外學者開展了大量的相關研究工作。采用壓電超聲換能器激發蘭姆波可以通過入射角控制蘭姆波的傳播方向，但壓電超聲換能器需要在與待測試件之間的接觸面上涂抹耦合劑，會對蘭姆波的傳播產生影響，降低了檢測準確性。
通過電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）激發蘭姆波可以避免耦合劑對超聲特性的影響，同時在高溫、高腐蝕等測試環境下EMAT比壓電超聲換能器更具優勢。
- 有學者通過兩個螺旋線圈彼此相反方向纏繞，分別作為信號發生器和接收器來選擇性地激發S0模態并抑制A0模態，S0/A0振幅比可達44.7 dB。
- 有學者通過螺旋線圈和具有相反極性的同心永磁體對設計出一種全向的電磁換能器，可以激發和接收全向的單一A0模態。
- 有學者通過設置上、下對稱的兩個曲折線圈對蘭姆波的模態進行選擇性的激發。
現有研究基于EMAT可以產生單一模態的蘭姆波，但無法實現單方向單模態蘭姆波的激發，而多方向蘭姆波在實際應用中需要考慮到端面反射回波對信號的影響，尤其在小尺寸試件的檢測中，由于端面距離換能器和缺陷較近，接收器會接收到多模態多方向蘭姆波的反射回波，極大地增加了后期信號分析難度。
針對上述問題，本文提出了一種單向單模態電磁超聲蘭姆波激勵方法，可以根據需要向特定方向激發對稱或反對稱模態蘭姆波。在小尺寸試件檢測中，該方法可有效降低蘭姆波信號的復雜程度和信號處理難度，提高激勵和檢測效率。文中通過對該方法的激發過程進行有限元分析，并仿真和實驗驗證所設計的單方向單模態EMAT在小尺寸薄鋁板缺陷檢測中的可行性。
圖12 實驗系統平臺
結論
針對現有EMAT檢測小尺寸薄板缺陷時波形復雜、難于解釋、檢測失效等問題，本文提出一種利用4個線圈激發單方向單模態的電磁超聲蘭姆波激勵方法，該方法可以通過設置線圈線間距、激勵電流方向和延遲時間來控制蘭姆波激發模態和發射方向，在一定程度上削弱不需要的模態和向測量側相反方向激發波的影響。
新型EMAT可以應用到更小尺寸試件的缺陷檢測中，并對其可檢測的最小試件長度進行了定量分析。通過仿真和實驗對比研究，說明了新型EMAT在小尺寸試件缺陷檢測中可以簡化接收回波波形，為后續信號處理分析減小難度，提高蘭姆波在小尺寸試件應用中的缺陷檢測效率。
