激光－电磁超声技术的检测原理与应用

赵 扬，刘 伟，郭 锐，宋江峰，贾中青

（山东省科学院激光研究所，济南 250014）

20世纪末至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过十几年的技术积累，激光超声已从方法探索步入技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一步发展［1］。目前，许多国内外学者致力于研究利用激光干涉仪来测量超声，这种方法对表面平整的样品具有较高的检测灵敏度，但随着表面粗糙度的增加，灵敏度迅速下降。尽管采用短焦距物镜接收尽可能多的散射光的方法可以改善检测灵敏度，但也只能在一定程度上得到补偿，因此在实际应用中受到了限制［2－4］。因此，研究一种适用于粗糙表面材料的激光超声检测技术成为国内外无损检测人员研究的热点。

笔者建立了一种适用于金属材料的激光超声检测技术。该技术利用激光在被检材料中激发超声波，然后借助EMAT传感器来接收超声信号，即激光－电磁超声技术。介绍了激光－电磁超声技术的检测原理和基于该原理所设计的检测系统，利用该系统所激发出的瑞利波和横波分别检测了钢坯表面（近表面）和内部的缺陷。

1 激光－电磁超声技术的检测原理

1.1 激光激发超声波机理

图1 热弹机制激发超声波示意图

（1）热弹机制 高功率激光入射至物体表面，部分能量被材料表面吸收并转化为热能，导致材料表面温度迅速升高，进而使得材料膨胀（图1）。通过热弹效应形成应变场和应力场，从而激发出超声波［5］。热弹机制可以同时激发出纵波、横波和瑞利波，且声波幅度随激光能量增加而增大［6］。这种机制对于非金属材料可以激发出很高的频率（GHz），而在金属材料里一般＜10MHz。这种机制的光声能量转化率通常＜1%。

（2）烧蚀机制 当激光功率＞107W／cm2时，材料表面将有一薄层（微米）会被烧蚀而损失掉，部分原子将脱离材料表面并在表面形成等离子体，同时产生垂直方向的反作用力脉冲（图2），进而激发出超声波［7］。烧蚀机制可以同时激发出纵波、横波和瑞利波，在该机制下纵波和瑞利波幅值会明显增大，而横波幅度随激光能量增加而增大至一定值，然后幅值会逐渐地减小［8］。这种机制的光声能量转化率可达30%。

图2 烧蚀机制激发超声波示意图

（3）表面自约束机制 为了提高所激发出的超声波能量，同时又避免材料表面发生烧蚀损伤，可以在被检材料表面涂覆一层透明的薄膜（图3），这样可以通过烧蚀该薄膜来产生能量较高的横波、纵波和瑞利波［9］。实际上，这种激发超声的方法同时包含了热弹机制和烧蚀机制。

（4）冲击机制 当激光束聚焦至材料表面前很近的一点时，若功率密度足够高，则会将该区域的空气击穿从而形成等离子体并产生一冲击波，该冲击波作用于材料时会瞬间产生一法向应力（图4），进而激发出超声波［10］。冲击机制激发出纵波、横波和瑞利波的幅值均会明显增大。

1.2 声磁法接收超声波机理

EMAT传感器是利用电磁效应来接收金属材料中的超声波信号，其能量转换是在被测工件表面的集肤层内直接进行的，所以不需要与工件接触并且不需要任何耦合介质。EMAT传感器对于被测物体表面要求不高，而且可对高温物体和表面粗糙的物体直接检测。当被测物体表面有超声自内部投射时，质点发生位移，带正电荷的晶格在偏置磁场的作用下受力，产生交变电流。该交变电流将导致被测导体的表层出现交变的磁场，这个交变磁场漏出导电体，在被测导体上方的线圈中感生出电动势。这样，就可以被EMAT传感器的检测线圈接收到［11］。利用声磁法接收超声信号时，被测物体作为电磁超声传感器的一部分，必须是电导体或磁导体。若被测物体是铁磁性材料，除洛仑兹力外，还受到磁致伸缩力的作用［12］。

EMAT传感器接收超声信号的要素是磁场和材料表面的微观粒子的振动状态；所接收的超声波波型取决于质点的振动方向与声波传播方向的关系，因此外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率是设计不同波型EMAT传感器的主要考虑因素［13］。下面给出瑞利波、纵波及横波的EMAT接收原理：

（1）瑞利波 当激光激励出瑞利波时，质点发生位移U，带正电荷的晶格阵点具有速度U′。当外磁场方向B与被检材料表面垂直时（图5），晶格将受力U′×B，从而产生电流密度为I的交变电流，交变电流将导致被测试件的表层出现磁场，若采用回折式线圈构成的EMAT传感器（线圈间距等于瑞利波长的一半），根据电磁感应原理则可以接收到该磁场引起的电动势变化，进而获得瑞利信号。

图5 EMAT传感器接收瑞利波示意图

（2）纵波 当被检材料中激励出超声纵波，且外磁场方向B与被检材料表面平行时，会产生如图6所示的交变电流I，导致被测试件的表层出现磁场，则可由检测线圈获得该磁场引起的电动势变化，进而获得该纵波信号。

图6 EMAT传感器接收超声纵波示意图

（3）横波 横波与纵波的接收方式相似，所不同的是需将外磁场方向B与被检材料表面呈垂直关系，此时所产生的交变电流I如图7所示，则可由检测线圈获得该被测试件表面感生磁场引起的电动势变化，进而获得该横波信号。

2 激光－电磁超声检测系统

激光－电磁超声检测系统主要由激光超声激励系统、超声信号电磁接收系统、信号放大滤波系统和信号采集处理系统四部分组成。图8给出了由笔者所在研究所自主设计的激光－电磁超声检测系统示意图。其中聚焦系统包括点聚焦和线聚焦两种，该系统的使用是为了增强激光束的能量，并提高其指向性，产生能量较强、稳定性较好的超声波，试验中使用线型聚焦系统。考虑到EMAT传感器与被检材料的间距会影响接收超声信号的灵敏度，以及为了准确定位缺陷的位置，将EMAT传感器固定于三维步进系统，其步进精度为0.01mm。

图8 激光－电磁超声检测系统示意图

3 激光－电磁超声技术特点

相比于传统的超声波检测技术，激光－电磁超声技术具有如下特点：

（1）非接触式检测 利用激光激发超声波时，被检材料本身充当了探头；接收超声信号时，则是利用EMAT传感器完成，因此不需要使用耦合剂，检测灵敏度不受耦合状态限制，也在一定程度上摆脱了环境温度对检测工作的限制。

（2）不受被检材料的几何形状和表面粗糙度限制 激光激励超声波时，所激发的超声波波型与激光入射角度无关，并且利用EMAT传感器接收超声信号时，传感器与材料表面亦无需保持严格的垂直等固定的角度关系，可解决复杂几何形状和表面粗糙工件的检测难题。

（3）可激发多种波型 利用激光脉冲，可同时产生纵波、横波和瑞利波。所产生的纵横波的方向性主要取决于声源的大小和能量分布。利用热弹机制激发超声波时，其方向性为：纵波和横波都为中空指向，纵波幅度约在60°时取得最大值，而横波约在30°。利用烧蚀机制激发超声波时，它的方向性为：纵波为中强指向性，在垂直方向达最大值，而横波在约35°取得最大值，冲击机制尚未有文献报道。利用激光超声具有的这些特点，分析缺陷对波的衍射和反射作用，对于缺陷信号的提取有指导意义［14］。

（4）对检测部位的空间位置要求不高 激光声源十分灵活，声源的形状有点源、盘源、线源、环源等，这取决于光学元件和系统。小点源或细线源具有很好的局域性，且可以通过光导纤维将激光诱导到难以接近的区域，这为形状较为复杂的构件提供了一种检测手段［15］。

4 激光－电磁超声技术的应用

由于利用烧蚀或冲击机制可以激发较大能量的超声波，因此结合EMAT传感器电路的优化设计，可以将EMAT传感器与被检材料的间距增大至5～15mm范围。激光－电磁超声技术特别适用于高温、腐蚀和高速运动等苛刻环境下金属材料的检测，下面给出利用自主设计的激光－电磁超声系统对钢坯表面、近表面裂纹以及内部孔洞的检测方法和结果。

4.1 表面及近表面裂纹的检测

利用线型激光光源激发出能量较强的瑞利波作为检测超声波，瑞利波遇到裂纹或孔洞时会发生波型转换生成横波（图9）。采用EMAT传感器接收超声信号，它对于垂直切割磁场磁感应线的超声波具有最佳灵敏度，因此EMAT传感器位于缺陷正上方时，所接收到的信号能量最强，即可实现对缺陷的定位。图10为激光－电磁超声法检测钢坯表面裂纹及近表面孔洞的结果，其中裂纹尺寸为30mm×0.2mm×0.2mm，孔洞尺寸为φ3mm×30mm，缺陷信号的幅值均超过了0.5V。

图9 表面及近表面缺陷检测示意图

图10 表面及近表面缺陷检测结果

4.2 内部孔洞的检测

利用线型激光光源可以激发出横波，其声束与法线间夹角为30～38°。检测时，利用EMAT传感器接收缺陷在法线方向产生的衍射波即可对缺陷进行水平定位（图11），深度则可由声时计算得出。

图11 内部缺陷检测示意图

图12 给出了激光－电磁超声法检测钢坯内部孔洞的结果，其中孔洞尺寸为φ3mm×30mm，缺陷信号的幅值约为0.6V。

图12 内部缺陷检测结果

5 结论与展望

金属材料的缺陷检测是无损检测领域中的一个重要组成部分。激光－电磁超声检测技术利用光声转化的原理在被检材料中激发超声波，利用基于电磁效应转化的EMAT传感器来接收超声信号，进而通过测量缺陷的回波信号来确定物体中缺陷的位置。该技术无需耦合剂，且不受被检材料形状及表面粗糙度的限制，在高温、腐蚀和高速运转的金属材料和结构的无损检测领域具有广阔的应用前景和巨大应用价值。

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