電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測技術的核心

，其物理基礎來自於20世紀60年(nian)代(dai)，在(zai)凝(ning)聚(ju)態(tai)物(wu)理(li)研(yan)究(jiu)螺(luo)旋(xuan)波(bo)特(te)性(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，發(fa)現(xian)了(le)電(dian)磁(ci)可(ke)轉(zhuan)換(huan)為(wei)聲(sheng)的(de)現(xian)象(xiang)。由(you)於(yu)電(dian)磁(ci)聲(sheng)現(xian)象(xiang)是(shi)在(zai)研(yan)究(jiu)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)發(fa)現(xian)的(de)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)很(hen)快(kuai)認(ren)識(shi)到(dao)其(qi)在(zai)材(cai)料(liao)表(biao)征(zheng)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)
，進(jin)而(er)被(bei)迅(xun)速(su)應(ying)用(yong)到(dao)無(wu)損(sun)檢(jian)測(ce)中(zhong)，如(ru)鋼(gang)板(ban)檢(jian)測(ce)、油氣輸送管道裂紋及塗層脫落檢測
、鋼管混凝土空洞檢測
，鐵軌及火車輪踏麵檢測、焊縫檢測、厚度測量等。

 

為適應上述無損檢測的不同目標，研究人員設計了不同類型的傳感器。在EMAT原理中
，從時間域上看
，動態磁場和靜態偏置磁場共同作用使試件中質點振動；從空間域上看，靜態偏置磁場和動態磁場的空間分布複雜多樣，從而使得研究人員在設計與選擇EMAT時shi，麵mian臨lin諸zhu多duo困kun難nan。華hua中zhong科ke技ji大da學xue機ji械xie科ke學xue與yu工gong程cheng學xue院yuan的de研yan究jiu者zhe們men從cong靜jing態tai偏pian置zhi磁ci場chang的de空kong間jian分fen布bu特te點dian及ji其qi與yu動dong態tai磁ci場chang的de作zuo用yong機ji理li出chu發fa，詳xiang細xi分fen析xi了leEMAT結構，為研究人員設計與選擇EMAT提供理論指導。

 

目前，已有的EMAT可以激勵出體波、表麵波和SH波（horizontally shear polarized waves，SH波）dengduozhongboxingdechaoshengbo。erchaoshengboboxingqujueyushijianzhidianzhendongdelihuoweiyifangxiangyuzhendongchuanbofangxiang。luolunzilihecizhishensuoyingbiandefangxiangyushijianzhongpianzhicichanghedongtaicichangdefenbuyouguan。dongtaicichangfeichangrongyilijie，xianquanzhongdianliufashengbianhua，ganyingchudewoliujiuhuisuizhibianhua。jingtaipianzhicichangsuiranzaishijianshangbufashengbianhua，dankongjianshangkeyiyouduozhongfenbu，jineryudongtaicichangfuhezuoyong，chanshengbutongfangxiangdeluolunzilihuocizhishensuoyingbian
，congerjilichubutongleixingdechaoshengchang。genjushijianzhongjingtaipianzhicichanghedongtaicichangfuhezuoyongquyudejingtaicichangfenbutedian，xiamiancongjunyunjingtaicichang、空間周期靜態磁場及非均勻靜態磁場角度分析不同類型的EMAT結構。

 

在分析之前

，需強調以下幾點：

 

（1） 這(zhe)裏(li)所(suo)說(shuo)的(de)均(jun)勻(yun)磁(ci)場(chang)是(shi)限(xian)定(ding)在(zai)一(yi)個(ge)局(ju)部(bu)小(xiao)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)
，一(yi)般(ban)特(te)指(zhi)交(jiao)變(bian)線(xian)圈(quan)正(zheng)下(xia)方(fang)的(de)試(shi)件(jian)趨(qu)膚(fu)層(ceng)。從(cong)嚴(yan)格(ge)意(yi)義(yi)上(shang)講(jiang)，絕(jue)對(dui)均(jun)勻(yun)的(de)磁(ci)場(chang)是(shi)不(bu)存(cun)在(zai)的(de)。

 

（2） EMAT結構種類繁多，下麵介紹每一類結構時是一個典型結構為例
，並不代表隻有這一種。

 

（3） 對每一類結構
，分別分析了洛倫茲力機理和磁致伸縮機理。實際中
，如果被測試件是非導磁材料，則隻需參照洛倫茲力機理；如果是鐵磁材料，則這兩種機理同時存在。至於哪一個占主導作用
，則要根據外加的磁場確定
，本文暫不對此作分析。

 

1 均勻靜態磁場EMAT結構

 

均勻靜態磁場EMAT結構如圖1和圖2所示，銜鐵、永(yong)久(jiu)磁(ci)鐵(tie)和(he)被(bei)測(ce)試(shi)件(jian)組(zu)成(cheng)的(de)閉(bi)合(he)磁(ci)回(hui)路(lu)
，在(zai)線(xian)圈(quan)正(zheng)下(xia)方(fang)的(de)被(bei)測(ce)試(shi)件(jian)表(biao)麵(mian)會(hui)產(chan)生(sheng)均(jun)勻(yun)的(de)水(shui)平(ping)靜(jing)態(tai)磁(ci)場(chang)。靜(jing)態(tai)偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)和(he)動(dong)態(tai)磁(ci)場(chang)的(de)複(fu)合(he)作(zuo)用(yong)主(zhu)要(yao)表(biao)現(xian)為(wei)洛(luo)倫(lun)茲(zi)力(li)或(huo)磁(ci)致(zhi)伸(shen)縮(suo)應(ying)變(bian)。在(zai)均(jun)勻(yun)水(shui)平(ping)靜(jing)態(tai)磁(ci)場(chang)的(de)EMAT結構中，質點所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應變的方向分別如圖1和圖2所示。圖1中
，洛倫茲力使質點垂直於試件表麵振動並在試件中傳播
，產生橫波（剪切波）。圖2中，質點的磁致伸縮應變與試件表麵平行
，從而在試件激勵出水平剪切波。

 

圖1 均勻靜態磁場EMAT結構中的洛倫茲力機理

 

圖2 均勻靜態磁場EMAT結構中的磁致伸縮機理

 

2 空間周期靜態磁場EMAT結構

 

空間周期靜態偏置磁場是由一組周期排列放置的永久磁鐵（Periodic permanent magnet，PPM）產生的。一種典型PPM結構如圖3所示，PPM產生垂直於試件表麵的空間周期變化靜態磁場。對於洛倫茲力機理而言，如圖4所示
，被測試件中感應出的渦流與試件表麵平行
，因此質點振動方向垂直於渦流方向且與試件表麵平行，激勵出SH波；對於磁致伸縮機理而言則如圖5所示，線圈正下方試件表麵的動態磁場方向與偏置磁場垂直且平行於試件表麵，也可激勵出SH波。

 

圖3 空間周期靜態磁場EMAT結構圖

 

圖4 空間周期靜態磁場EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖5 空間周期靜態磁場EMAT結構的磁致伸縮機理

 

3 非均勻靜態磁場EMAT結構

 

磁力線始終是閉合的

，這一特點決定了在N極附近空間中
，磁力線總是發散的，而Sjifujindecilixianzongshihuijude
，yincicichangdekongjianfenbuwangwangshifeijunyunde。kongjianzhongbutongweizhipianzhicichangdefangxiangbutong，yibanjiyoushuipingfenliangyeyouchuizhifenliang（相對試件表麵），而且在不同位置
，水平分量和垂直分量的強度也是變化的。因此
，非均勻偏置磁場中產生的超聲波波型成分比較複雜
，以圖6所(suo)示(shi)的(de)洛(luo)倫(lun)茲(zi)力(li)機(ji)理(li)為(wei)例(li)，圓(yuan)柱(zhu)磁(ci)鐵(tie)在(zai)試(shi)件(jian)周(zhou)圍(wei)產(chan)生(sheng)的(de)偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)是(shi)非(fei)均(jun)勻(yun)的(de)。在(zai)磁(ci)鐵(tie)正(zheng)下(xia)方(fang)試(shi)件(jian)趨(qu)膚(fu)層(ceng)中(zhong)，偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)垂(chui)直(zhi)分(fen)量(liang)遠(yuan)遠(yuan)大(da)於(yu)水(shui)平(ping)分(fen)量(liang)；而er在zai磁ci鐵tie正zheng下xia方fang以yi外wai的de附fu近jin區qu域yu，偏pian置zhi磁ci場chang水shui平ping分fen量liang則ze大da於yu垂chui直zhi分fen量liang。被bei測ce試shi件jian中zhong感gan應ying出chu的de渦wo流liu成cheng環huan形xing，與yu試shi件jian表biao麵mian平ping行xing，在zai磁ci鐵tie正zheng下xia方fang試shi件jian趨qu膚fu層ceng中zhong
，質zhi點dian振zhen動dong方fang向xiang垂chui直zhi於yu渦wo流liu方fang向xiang且qie與yu試shi件jian表biao麵mian平ping行xing，與yu聲sheng波bo傳chuan播bo方fang向xiang垂chui直zhi，主zhu要yao激ji勵li出chu橫heng波bo；而er在zai磁ci鐵tie正zheng下xia方fang以yi外wai的de附fu近jin區qu域yu
，質zhi點dian振zhen動dong方fang向xiang垂chui直zhi於yu渦wo流liu方fang向xiang且qie與yu試shi件jian表biao麵mian垂chui直zhi，與yu聲sheng波bo傳chuan播bo方fang向xiang平ping行xing
，主zhu要yao激ji勵li出chu縱zong波bo。在zai偏pian置zhi磁ci場chang水shui平ping分fen量liang與yu垂chui直zhi分fen量liang相xiang當dang的de區qu域yu，偏pian置zhi磁ci場chang的de水shui平ping分fen量liang會hui激ji出chu縱zong波bo
，而er垂chui直zhi分fen量liang則ze會hui產chan生sheng橫heng波bo。由you於yu聲sheng波bo傳chuan播bo方fang向xiang不bu僅jin有you垂chui直zhi試shi件jian表biao麵mian的de方fang向xiang，還hai有you平ping行xing於yu試shi件jian表biao麵mian的de方fang向xiang，因yin此ci在zai試shi件jian表biao麵mian還hai會hui激ji勵li出chu表biao麵mian波bo。

 

圖6 非均勻靜態磁場EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖7 非均勻靜態磁場EMAT結構的磁致伸縮機理

 

如果試件為鐵磁性試件，需考慮磁致伸縮機理，如圖7所suo示shi。在zai磁ci鐵tie正zheng下xia方fang試shi件jian趨qu膚fu層ceng中zhong，偏pian置zhi磁ci場chang的de垂chui直zhi分fen量liang遠yuan遠yuan大da於yu水shui平ping分fen量liang，動dong態tai磁ci場chang方fang向xiang平ping行xing於yu試shi件jian表biao麵mian，並bing與yu偏pian置zhi磁ci場chang方fang向xiang垂chui直zhi
，與yu聲sheng波bo傳chuan播bo方fang向xiang垂chui直zhi
，主zhu要yao激ji勵li出chu橫heng波bo；而(er)在(zai)磁(ci)鐵(tie)正(zheng)下(xia)方(fang)以(yi)外(wai)的(de)附(fu)近(jin)區(qu)域(yu)
，偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)的(de)水(shui)平(ping)分(fen)量(liang)遠(yuan)遠(yuan)大(da)於(yu)垂(chui)直(zhi)分(fen)量(liang)，動(dong)態(tai)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)於(yu)試(shi)件(jian)表(biao)麵(mian)，並(bing)與(yu)偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)
，與(yu)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)播(bo)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)，主(zhu)要(yao)激(ji)勵(li)出(chu)縱(zong)波(bo)。在(zai)偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)水(shui)平(ping)分(fen)量(liang)與(yu)垂(chui)直(zhi)分(fen)量(liang)相(xiang)當(dang)的(de)區(qu)域(yu)
，偏(pian)置(zhi)磁(ci)場(chang)的(de)水(shui)平(ping)分(fen)量(liang)會(hui)激(ji)出(chu)縱(zong)波(bo)，而(er)垂(chui)直(zhi)分(fen)量(liang)則(ze)會(hui)產(chan)生(sheng)橫(heng)波(bo)。

 

節選自《無損檢測》2015年第1期

 

本文作者：丁秀莉（1990—），女，華中科技大學機械科學與工程學院碩士研究生

，研究方向為電磁超聲無損檢測技術。

      

武新軍（1971－），男，華中科技大學機械科學與工程學院教授，主要研究方向為無損檢測新技術。

 

 

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