电磁超声无损检测的原理及应用

上海斌瑞检测技术服务有限公司是一家国内大型的无损检测仪器集成供应平台，也是奥林巴斯全国授权经销商，高新技术企业，主营业务为无损检测设备的供应和提供相应的解决方案，办公地址在上海市北高新技术园区内。主要产品包括世界上最先进的超声探伤仪系列、测厚仪系列、涡流系列、内窥镜系列以及其他品牌的汽车齿轮探伤系统、红外、电磁超声等高端设备系列，并销售射线、磁粉、渗透等无损检测常规产品。同时，公司在高端无损检测服务和提供解决方案也具备了丰富经验，已与奥林巴斯、中国船级社实业公司、宝钢金艺、TUV等知名企业建立了长期战略合作关系。

无损探伤方法多种多样，常规的5种技术（超声、射线、渗透、磁粉、涡流）已经日趋成熟，在当今的工业应用中起着主导作用；另一方面，各种新技术、新方法不断涌现，例如全息、热成像、声振等。它们以其物理性质及原理的特殊性，在一些场合发挥着重要功能，与常规方法相辅相成，电磁超声无损检测技术便是其中的一种。

2 电磁超声的原理和特点

2.1 超声波的工作原理

超声波是频率高于20000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力，且由于超声波能量大，方便检测，因此可以用来实现无损检测。具体工过程分为以下几个过程：

a. 声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；

b. 超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；

c. 改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；

d. 根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

一般来说，为保证充分的声耦合，在检测时需要有耦合剂（机油或水等）填充检测探头和被检查表面之间的空隙。2.2 电磁超声的产生机理

处于交变磁场中的金属导体，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中收到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。于此相反，由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。

在上述方法中，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。

2.3 电磁超声的基本结构

由上所述，电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成

值得一提的是，产生电磁超声的有两种效应，洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。如上图的高频线圈通以高频激励电流时就会在试件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声；同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也会产生不同波形的电磁超声。洛伦兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种在起着主要作用，主要是由外加磁场的大小、激励电流的频率决定。

2.4 电磁超声的特点

相对于常规超声电磁超声具有以下特点：

(1) 非接触检测，不需要耦合剂，可透过包覆层等

EMAT的能量转换，是在工件表面的趋肤层内直接进行得。因而可将趋肤层看成是压电晶片，由于趋肤层是工件的表面层，所以EMAT产生的超声波不需要任何耦合介质。

(2) 产生波形形式多样，适合做表面缺陷检测

EMAT在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，会产生表面波、SH波和Lamb波。如果改变激励电信号频率满足一定公式，则声波能以任何辐射角θ向工件内部倾斜辐射。即在其它条件不变的前提下，只要改变电信号频率，就可以改变声的辐射角，这是EMAT的又一特点。由于这一特点的存在，可以在不变更换能器的情况下，实现波形模式的自由选择。

(3) 适合高温检测

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。

(4) 对被探工件表面质量要求不高

EMAT不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。因此对被探工件表面不要求特殊清理,较粗糙表面也可直接探伤。

(5) 检测速度快

传统的压电超声的检测速度，一般都在10米/分钟左右，而EMAT可达到40米/分钟，甚至更快。

(6) 声波传播距离远

EMAT在钢管或钢棒中激发的超声波，可以绕工件传播几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时，探头与工件都不用旋转，使探伤设备的机械结构相对简单。

(7) 所用通道与探头数量少

在实现同样功能的前提下，EMAT探伤设备所用的通道数和探头数都少于压电超声。特别在板材EMAT探伤设备上就更为明显，压电超声要进行板面的探伤需要几十个通道及探头，而EMAT则只需要四个通道及相应数量的探头就可以了。

(8) 发现自然缺陷的能力强

EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。

上面都是有点，但同时，EMAT也有不可忽视的缺点：

(1) 它的换能效率要比传统压电换能器低20—40dB。当然，这个缺点可以用精心设计与制造电子发射机与接收机、换能器来弥补。

(2) 高频线圈与工件间隙不能太大。线圈从工件表面每提高一个绕线波长的距离，声信号幅度就要下降107dB和96dB。

3 电磁超声的工业应用

电磁超声的工业应用很多：可以应用于测厚，探伤，材料晶格结构检测，材料应力检测等。

3.1 EMAT测厚

电磁超声测厚是电磁超声检测技术工业应用的一个重要方面。可用于测厚的超声波有体波和SV波。通过检测超声波在试件中传播时延就可以折算出检测试件的厚度。

传统压电探头的测厚精度易受耦合介质的影响，故EMAT在此方面尤其独特优点。EMAT测厚的关键是波模纯、声束窄、脉冲窄（但要有足够的幅度）及消除工件电、磁、声性能的变化对测量的影响。由于EMAT采用垂直入射的横波，故纵向分辨力要比压电换能器高出一倍。

在这方面的典型应用是无缝钢管的检测。在冶金工业中无缝钢管是由钢锭控制成形的，因此钢管壁厚的均匀程度是评定钢管质量的重要指标。传统的检测方法是利用尺规测量钢管的头尾尺寸，因无法得知中间部分的数据，所以无法有效控制产品的质量。应用电磁超声技术，通过测量钢管上不同位置的壁厚，得知其壁厚的均匀程度，从而为控制产品质量提供了一种可靠的检测手段。

3.2 金属探伤

金属探伤是无损检测领域中一个重要组成部分。电磁超声技术通过观察缺陷的回波与物体底面的回波来确定物体中缺陷的位置和大小。应用电磁超声的原理在被测物体(导体)中激发超声波。此超声波就在被测物体中传播，当遇到声阻抗不同的物体时发生反射，利用涡流线圈来接收这个反射波，通过计量此超声波在物体中的传播时间，就可以计算出被测物体的厚度值及缺陷所在位置。

国内最早将电磁超声用于金属探伤研究的是北京钢铁研究总院的张广纯等。他们通过发射机发射出大功率脉冲信号，在厚度为18mm的钢板中产生Lamb波检测缺陷。发射机功率>50kW。为消除检测的盲区，该技术采用了两个线圈同时进行检测。航天工业总公司第二研究院研制了一套热钢板在线自动化电磁超声探伤系统。系统采用电磁超声换能器在钢板中激发出体波，数十个探头同时在钢板上探伤。可对500℃以下的钢板进行在线检测，可确定缺陷的类别、大小及位置，测量钢板厚度可达40mm。

3.3 火车轮踏面裂纹的EMA动态检测

当今高速列车在许多国家已成为人们出行的重要工具之一，火车的速度越来越快。随着火车速度的不断提高，火车机车和车辆运行的安全性越来越引起人们的关注，对火车各个部分的性能、质量也提出了更高的要求。火车车轮作为铁路机车及车辆的重要运动和承载部件，其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用，一旦引发事故，往往是灾难性的。由于现有的车轮冶金制造技术不可能完全杜绝缺陷的产生;而在车轮的运行中，原有的冶金缺陷会不断扩展，同时新的裂纹还会不断产生，这些就使得车轮在出厂前及在使用过程中的探伤显得尤为必要。

在动态下监测车轮是否产生裂纹及其扩展情况是压电换能器难以解决的问题。近年来，人们把注意力转向EMAT上来了。德、美、日、加拿大、中国等国研究人员近年来相继开展了这方面的研究工作。其方法是将小巧的EMAT嵌入钢轨中，用来激发和接收表面波。当车轮从EMAT上驶过的一瞬间，声表面波以3000m/s的速度在车轮表面传几周，实现车轮踏面裂纹的动态监测。

利用电磁超声表面波动态检测车轮表面缺陷的原理如图2所示。轨道一侧，将一对EMAT和传感器嵌入到一段特制的测量轨道中，两个EMAT之间的距离不能为车轮周长一半的整数倍。当前进的车轮通过传感器时，传感器给系统发射信号，经过一小段延迟之后，系统分别激发两个EMAT，直接在车轮的踏面表面上激发出相向传播的两束表面波。所激发出的声波束将沿着车轮踏面表面及近表面一定深度范围内沿周向自行传播，从而形成对踏面表面及近表面的全覆盖检测。

研究证明：采用低于0.5MHz的超声表面波，可以有效探出深度为1mm的踏面上和近踏面裂纹。目前，国内外均研制出可以在火车车轮高速运行过程中探测其表面和近表面缺陷的电磁超声表面波探伤装置。例如，中国钢铁研究总院用了一年时间，为马鞍山钢铁公司研制出一套车轮踏面电磁超声探伤装置。这套装置采用510kHz的声脉冲频率，能探出踏面上1mm深、20mm长的人工缺陷，信噪比达到15dB以上。

3.4 深冲金属板下γ值的EMA评价

随着汽车工业、包装工业的迅猛发展，深冲金属薄板的需求量越来越大。但深冲成型工艺对金属薄板的组织性能，尤其是各向异性要求很高.衡量各向异性的重要指标是γ值。其定义是：薄板在单向拉伸情况下，试样宽度方向与厚度方向的真应变之比称为γ值。它实际上反映板平面方向和厚度方向上金属流动的难易程度，也可以说是板抵抗厚度减薄和破裂的能力大小。从上世纪80年代末，国外就集中了大量人力、财力开展了γ值的在线EMA评价研究工作。研究开发出几种方法：例如在不同方向上用渡越时间法测sH波、Lamb波声速；用共振法测声速。然后由声速算出弹性模量E，再由E值与γ值的相关关系求出γ值。这方面的研究开发工作已成熟，进人了技术转让阶段。

4 结语

本文简要介绍了电磁超声的基本原理及其在工业中的几种典型应用。可以看到，虽然电磁超声技术在无损检测领域中起步较晚，但发展却非常迅速。它的出现改变了过去高温被测物体无法在线测量的状况，它具有常规超声的各种优点，检测精度高，可以实现对金属导电材料内外部缺陷及厚度的全面检测，同时又克服了常规超声必须依赖耦合剂的缺点。它的优势已被人们充分认识，并将在生产、生活中发挥着重要作用。

同时应当看到，在电磁超声探伤的作用原理方面，对磁致伸缩力的认识还不够。虽然在磁致伸缩导波检测方面已经取得了很好的结果和一些积累，但是如何寻求运用利用现有的磁致伸缩的技术过渡到电磁超声磁致伸缩检测仍然是一个问题。可以展望，这必将是电磁超声检测今后的一个发展方向。

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