电磁超声检测技术

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1、电磁超声无损检测技术的理论研究丁一摘要：电磁超声是一项新的无损检测技术，该技术利用电磁耦合方法激励和接收超声波。与常规超声相比其不需要耦合剂，既可以实现常规超声的各种检测功能，还可以应用于一些常规超声无法检测的场合，如高温环境，带保温层、屏蔽层的试件检测等。本文首先介绍了电磁超声技术发展的应用的历史，在总结前人成果的基础之上，研究了电磁超声系统的基本理论。在理论研究的基础之上，对EMAT试验系统进行设计。关键词：电磁超声；无损检测；试验系统设计1绪论超声检测是工业上常用无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷

2、时，一部分声波会产生反射并被超声波探头接收，对反射波进行分析，就能精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。传统压电式超声波检测，是将脉冲振荡器发出的电压加在用压电陶瓷或石英晶片制成的探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大后进行显示的。通常需要耦合剂才能实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，因而难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测环境。电磁超声检测技术（Electro

3、magneticAcousticTransducer，EMAT）是指，在永磁场中，强大脉冲电压在线圈中产生脉冲电流，并在周围产生强电磁场，辐射到被测体的表面的电磁场会在被测体的表面产生涡流，涡流受到洛仑兹力，洛仑兹力的方向与涡流垂直，并指向涡流的中心，表面会产生电磁超声波。若被测体为铁磁性材料，还会有磁致伸缩力，洛仑兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种起主要作用是由外加磁场的大小以及激励电流的频率决定。接收效应与激励效应互为逆过程，超声波回波被检测探头接收，可对被测体进行检测。相对于压电式超声波检测，电磁超声检测

4、具有以下优点：（1）电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质，所以不需要油、水之类的耦合剂。（2）通过改变磁铁的结构和形状，改变信号发射和接收线圈的排列方式，可以产生不同模式的波，特别是可以激发出水平偏振横波。（3）对于被测物体表面要求不高，而且可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测。（4）由于不需要耦合剂，不存在接触压力变化问题，探伤灵敏度稳定。虽然电磁超声技术只能对具有良好导电性的物体进行检测，但由于无需接触，可在高温下运行，高检测效率等诸多优点，目前被广泛应用于在线测厚、炼钢、管道、板材以及铁

5、路等多方面的无损检测中。目前，电磁超声在国外已进入工业应用阶段，美国、日本、德国以及加拿大等国对EMAT进行了许多研究。国内对电磁超声的研究起步较晚，但由于电磁超声所具有的诸多优点，越来越多地受到广大无损检测工作者的关注，从事此方向研究的人员也日益增多。2电磁超声的应用电磁超声可以应用于大型无损检测线和各种管道检测，具体应用领域如图1所示。图1电磁超声的应用常规超声检测技术在点测方面已取得了很好的应用，但是在大型连续检测线上实现却存在着很大的困难。为了解决耦合和运动的矛盾，普遍采用的是水浸法和充水法，但是这些实

6、现方法也存在着实现设备复杂，检测信号波形不稳定等缺陷。电磁超声可以很好的解决这些问题。电磁超声另外一个重要的应用方面就是高温管道检测。随着国家在能源、动力企业的投入和发展，各种高温压力管道逐渐增多。作为特种设备的压力管道，一旦出现事故，损失将非常严重。对此，国家有相关政策法规强制检测，以实现最小的事故发生率。这就使得高温压力管道检测成为一个急需解决的问题。而电磁超声正是解决这个问题的最好选择。电磁超声相对于常规超声一个最大的优点就是其非接触性。热体在空间辐射的温度场是按指数衰减的，探头离检测试件表面每提离一段距

7、离，其探头环境温度就有显著的下降，所以，电磁超声可以用于高温管道检测。3电磁超声基本原理3.1引言EMAT的物理结构通常由高频线圈、磁铁和工件三部分组成。高频线圈用于产生高频激发磁场；磁铁用来提供外加磁场，可以是永久磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁；工件即检测对象，是EMAT的一部分，工件的材质必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有。一般来说产生电磁超声有两种效应：洛仑兹力效应，磁致伸缩效应。对于非铁磁性材料，其换能机制是洛仑兹力效应；对于铁磁性材料则存在洛仑兹力效应以及磁致伸缩效应。洛

8、仑兹力效应是指在金属表面趋肤深度层内感生涡流在外磁场作用下产生的洛仑兹力所激发的超声振动及其反过程。磁致伸缩效应是指铁磁性材料在线圈的高频磁场及外磁场共同作用下产生的宏观形变所激发的超声振动及其反过程。洛仑兹力和磁致伸缩力两种效应具体是那种起主要作用是由外加磁场的大小，激励电流的频率决定。这样产生的超声波形成的回波在检测探头上由和激励效应互为相反的逆过程的作用原理进行检测。3.2洛伦兹