一种吸盘式电磁超声传感器检测信号实验分析∗

李靖琳 李成良 乔世成

（1.沈阳农业大学信息与电气工程学院 沈阳 110866）（2.大连海洋大学应用技术学院电气与信息工程系 大连 116300）

1 引言

为了进一步拓展超声无损检测的应用领域，可以采用电磁超声方法来适应非接触性以及需要承受极端温度的检测环境。根据偏置磁场的不同形成方法，可以将电磁超声传感器（EMAT）分成电磁铁型与永磁体型共两种［1～2］。其中，电磁铁型的结构通常包括U型与E型，可以形成与材料表面保持平行分布状态的磁场。目前，对此类传感器进行研究的学者也较多，例如，刘冉开发得到了一种可以在高温环境中对试样厚度进行测试的传感器［3］，周进节开发出了一种可以测试铝板厚度的传感器［4］，李素军开发了一种可以对钢轨进行探伤的传感器［5］，上述各类传感器的电磁铁都是通过E型硅钢片进行堆叠构成，整体结构需要占据较大的空间体积，此外探头也是一种方形结构，对于携带与实际探测过程都会带来较大的麻烦。同时因为柱状外壳本身就属于一个磁极，可以使磁场进一步集中形成密集的磁场线，确保同样的线圈匝数下能够获得更高的磁场强度［6～8］。

本文主要研究了一种具有吸盘式脉冲电磁铁结构的电磁超声传感器，开发得到了一种建立在脉冲电磁铁结构基础上的电磁超声传感器探测系统，深入分析了由环形收发和吸盘式脉冲电磁铁共同构成的EMAT测试方法，并且对比了各类不同磁性材料的在检测期间产生的信号特点，最后分析了该传感器信号与提离距离和励磁电流之间的关系。

2 实验研究

2.1 传感器结构

从图1中可以看到吸盘型脉冲电磁铁EMAT的组成结构，主要包含了吸盘型脉冲电磁铁以及EMAT线圈两个部分。其中，吸盘磁轭的中心圆柱通过线圈缠绕的形式构成一个磁极，外部壳体作为另一个磁极，从而使线圈中产生一个磁感线保持竖直方向排布状态的偏置磁场。

本实验所使用的吸盘型脉冲电磁铁的磁轭部分属于一个圆柱结构，选择DT4C电工纯铁作为磁轭材料。在中心柱上总共缠绕380圈外径等于0.56mm的铜漆包线。以环形线圈作为EMAT线圈，该线圈外径等于18mm，内径等于4.25mm，总共缠绕19圈。

将EMAT传感器中的吸盘磁铁固定于环形线圈的上部，确保线圈被磁轭中心柱体的磁极完全覆盖，以厚度为0.5mm的塑料片来实现磁极和线圈之间的相互隔离，防止线圈的磁轭中心柱体表面因为感应作用而形成涡流。

图1 吸盘式脉冲电磁铁EMAT结构示意图

2.2 实验系统

图2显示了脉冲电磁铁型电磁超声传感器探测系统的原理框图，主要包含两部分，分别是脉冲电磁铁励磁系统与电磁超声激励接收系统。其中，脉冲电磁铁励磁系统的作用是驱动电磁铁形成磁场，包括电磁铁功率放大器与电磁铁信号源两部分结构。本系统的电磁铁信号源通过Agilent33522B双通道信号器产生，并采用N4L LPA05A进行功率放大。电磁超声激励接收系统包含了EMAT信号源及其功率放大器、前置放大器、双工器、收发线圈、测试组件，可以利用示波器来观察信号变化情况。其中，以RAM-5000-SNAP设备来提供EMAT信号源以及功率放大器，并通过RDX-EM2提供前置放大器与双工器。

图2 电磁超声实验系统原理框图

从图3中可以看到系统的信号时序图。其中，第1栏是信号发生器1通道在一个周期内产生的激励信号，第2栏是2通道对EMAT产生触发的信号，当EMAT被上升沿触发后便开始进入工作状态，第3栏属于EMAT的原始激励信号，第4栏属于测试获得的EMAT典型探测信号。电磁铁和EMAT的激励信号具有相同的频率，当电磁铁处于工作状态下时，将会对电磁超声激励以及信号接收造成覆盖作用，通常情况下，接收时长等于所有超声回波过程的累加时间，可以按照实际检测情况进行设定。考虑到在实际情况下电磁铁要达到最大磁感应强度必须经历一段响应时间，所以需要合理设定电磁铁通电时间以及EMAT的触发时间，实现延时效果。在测试过程中，设定电磁铁脉冲激励频率20 Hz，脉冲激励幅度20 V，占空比40%，通过LPA05A功率放大器来实现10倍放大效果，使吸盘型电磁铁形成磁场，电磁超声激励波形由5个正弦波构成，频率也等于20Hz，同时设定EMAT线圈和电磁铁触发延时为20ms。

图3 脉冲电磁铁式电磁超声实验系统工作时序图

本实验的测试材料包括具有铁磁性的SUS430不锈钢以及非铁磁性材料铝共两种，两种试样的厚度都等于10mm，对比研究了脉冲电磁铁型EMAT对上述两种材料实施脉冲回波探测时产生的信号特征，同时分析了探测信号与提离距离以及电磁铁励磁电流之间的变化关系。

3 结果及讨论

3.1 检测信号与被检材料的关系

根据设定条件，利用吸盘型脉冲电磁铁EMAT分别测试了SUS430不锈钢与铝块试样的脉冲回波信号，结果见图4。在测试上述两种材料的过程中要求所使用的传感器、探测仪器与具体设定参数都完全一致。比较图4给出的两种材料第2次回波波包数据可以发现，对SUS430不锈钢进行探测得到的信号幅值达到了铝板探测信号的12倍左右。

上述两种探测过程在信号幅值方面表现出明显的差异性。这主要是由于采用本系统探测铁磁性材料的过程中，吸盘结构可以在铁磁性材料中产生闭合磁路，使线圈涡流中的磁感线密度获得明显提高，铁磁材料表面和中心圆柱磁极将更容易产生具有垂直分布形态的均匀磁场。并且，铁磁性材料的磁化力及其磁致伸缩力还可以有效提高EMAT换能效率。之后，仿真分析了吸盘脉冲电磁铁在铝板与SUS430不锈钢板表面形成的磁场结构。

图4 检测信号图

3.2 检测信号与提离距离的关系

在探测铁磁性材料时，将传感器提离距离改变后，将会导致涡流效应降低，使磁场强度变弱，从而引起探测信号强度的下降。以SUS430不锈钢板作为测试材料分析了EMAT产生的提离效应，在不同提离值下测试得到了表1所示的脉冲回波探测信号，此外进一步研究了同样的实验条件下选择永磁铁时得到的信号幅值和提离距离间的关系。

将表1的脉冲电磁铁通过圆柱型永磁铁进行替换后，可以发现随着提离距离的增大，探测信号的幅值开始降低，表现为近似反函数的关系。同时还可以发现，吸盘型脉冲电磁铁电磁超声传感器具有更加明显的提离衰减速率。

表1 不同提离距离下检测信号的幅值/mV

4 结语

1）对SUS430不锈钢进行探测得到的信号幅值达到了铝板探测信号的12倍左右。SUS430不锈钢以及非铁磁性材料铝两种探测过程在信号幅值方面表现出明显的差异性，铁磁性材料的磁化力及其磁致伸缩力还可以有效提高EMAT换能效率。

2）将脉冲电磁铁通过圆柱型永磁铁进行替换后，可以发现随着提离距离的增大，探测信号的幅值开始降低，表现为近似反函数的关系，吸盘型脉冲电磁铁电磁超声传感器具有更加明显的提离衰减速率。