管道中单向传播的电磁超声换能器检测研究

2021-11-29杨理践邢燕好高松巍付宏文

仪表技术与传感器 2021年11期

张佳，杨理践，邢燕好，高松巍，赵璐，谢哲，付宏文

(1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870 2.上海宇航系统工程研究所，上海 201108)

0 引言

管道广泛应用于石油化工、电站等能源行业领域，当其长期工作于高温、高压、易腐蚀等恶劣环境时，受各种外力作用或自身制造工艺原因，产生不同程度的缺陷，影响管道的安全运行，因此管道检测对管道安全评价具有重要意义[1-2]。电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)结构简单，因此能便捷地实现缺陷的在线检测而受到越来越多的关注[3]。但管道缺陷检测中，EMAT激励的导波模态复杂，不仅具有频散和多模态特点，且是双向传播，增加了检测信号的分析难度，影响最终缺陷位置的判定[4-5]。

关于电磁超声单方向控制的研究较少，多为某一聚焦点或某一线上的聚焦。Z.Wei[6-7]等基于磁致伸缩换能器原理，提出了一种由镍箔组成的弯曲折形线圈，在板中实现全向检测；与传统换能器对比，提高了数据的提取精度，且得到更纯净的水平剪切波。Y.Zhang[8]等提出一种基于磁致伸缩原理的SH0-EMAT，对换能器工作参数进行了理论分析，实现板中声波方向可控。贾晓军[9-10]等提出变间距同心结构的点聚焦回折形线圈EMAT，将超声波集中到一个点，并通过与驱动频率相关的波模式控制驱动频率，实现波形的控制。N. Nakamura[11]等人提出了弧形变间距的垂直剪切波点聚焦电磁超声换能器，在一个相位焦点处累积同心线源产生SV波，提高了缺陷的检测能力，在管道腐蚀、裂纹的非接触检测中效果明显。T. Takishita[12]等人利用线源SV波原理，提出了基于回折形线圈的剪切垂直波点聚焦电磁超声换能器，使得所有激发的垂直剪切波相位在一个焦点处聚焦，并对聚焦区进行了实验评估，证实了该换能器焦距尺寸足够小，可实现狭缝缺陷的单向点聚焦控制检测，提高了检测灵敏度。C. Thring[13-14]等人提出一种高分辨率聚焦电磁超声换能器，通过激光测振法和有限元模型对聚焦特性和孔径角效应进行了分析，表明聚焦EMAT具有良好的信噪比，可用于特定方向的声场聚焦检测。上述研究均针对某一点控制或线控制，没有实现管道中超声波方向以及强弱的控制。

本文针对常规电磁超声导波换能器检测信号双向传播，对于缺陷信号的识别定位困难的问题，推导波叠加数学模型，设计出了单向电磁超声导波换能器(unidirectional electromagnetic acoustic transducer，U-EMAT)。有限元仿真对用于管道缺陷检测的U-EMAT的多物理场有限元建模和仿真分析，验证了不同延迟时间时，该换能器激励超声波位移的单向变化规律；实验系统对不同导线间距与不同延迟时间参数下的U-EMAT进行对比分析，并与常规EMAT进行了方向控制对比实验，验证了U-EMAT单向控制的可行性以及检测信号易于识别的可行性，提高了管道检测的效率。

1 双激励线圈叠加理论

EMAT产生的超声波在传播过程中，产生声波的数学函数为[15-16]：

(1)

式中：x为平衡位移；y为x轴上质点离开平衡位置的位移；u为波动位移幅值；ω=2π/T，T为周期；t为时间；v为波速；φ为相位。

相同频率与相位的A线圈与B线圈构成的换能器A-EMAT、B-EMAT，产生的两列波向左传播并叠加时，叠加产生的波动位移方程y表示为

(2)

式中：yA为A-EMAT中x轴上质点离开平衡位置的位移；yB为B-EMAT中x轴上质点离开平衡位置的位移；uA为A-EMAT中波动位移幅值；uB为B-EMAT中波动位移幅值；Δt为B-EMAT中激励电流延迟A-EMAT中激励电流的时间；Δx为B-EMAT中线圈导线与A-EMAT中线圈导线间距。

若向左传播的超声波幅值叠加后为零，则uA=uB，且A-EMAT与B-EMAT激励线圈相位差为nT±T/2(n为自然数)时，如式(3)：

(3)

为了尽量缩小A-EMAT与B-EMAT间距，防止多周期的影响，因此令二者相位差为T/2或-T/2。当二者相位差为T/2时，式(3)可变为：

(4)

对式(4)进行整理，则有：

(5)

式中：λ为波长；f为频率。

式(5)进一步整理可得：

(6)

-2Δtλf-2Δx=λ

(7)

又因为：

Δx=Δt·v=Δt·λf

(8)

则式(7)变为

-4Δx=λ

(9)

即：

(10)

当二者相位差为-T/2时：

(11)

由式(10)和式(11)可知，当A-EMAT与B-EMAT中相邻导线间距为λ/4或3λ/4，B-EMAT中激励时间比A-EMAT中激励时间延迟T/4或3T/4时，向左传播的超声波幅值叠加为零(或向右传播的超声波幅值叠加为零)。

由于EMAT同时向工件两侧传播超声波，当向左传播的超声波叠加为零时，向右传播的超声波的表达式为

(12)

将推导得出的延迟时间差与相邻导线间距带入向右传播的声波表达式，则有：

(13)

式(13)计算结果为零，即向右传播的两列波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，叠加幅值为两者幅值之和。

2 U-EMAT结构

基于上述波的叠加数学模型结果，建立U-EMAT，原理如图1所示。

图1 U-EMAT原理图

图1中，永磁铁提供水平方向磁场；线圈由两个回折形线圈组成，组合后线圈的相邻导线间距为λ/4，线圈B中电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟T/4。即t=0时刻，线圈A正下方的质点开始产生超声波；t=T/4时刻，线圈B正下方质点开始产生超声波，此时线圈A所产生的超声波已经沿传播方向传播了λ/4。线圈右侧，线圈A、B激励产生的超声波相位相同，合位移为线圈A或B单独产生超声波位移的2倍。线圈左侧，两线圈激励产生的超声波位移相位相反，超声波相互抵消，合位移为0，即线圈左侧为削弱侧。若更改增强波和削弱波的方向，则更改线圈B与线圈A中的延时时间，即令线圈A中电流激励时间比线圈B中激励电流时间延迟T/4。因此，通过控制2个线圈中电流的延迟时间来控制声波主能量的传播方向，进而利用增强侧的高幅值超声波进行检测，实现电磁超声导波的单向激励，提高信噪比，降低回波信号的复杂程度。

实际由于静态偏置磁场分布不均匀，两个线圈激发的超声波幅值不完全相同，不能保证超声波的相位完全叠加或完全反相抵消。

3 U-EMAT有限元仿真

为验证U-EMAT单向传播的性质，建立有限元模型，对其进行有限元分析。其中，换能器交直流电磁场部分采用交直流磁场模块，位移的产生和波的传播过程采用结构力学模块[17-20]。

模型中，钕铁硼永磁体尺寸为50 mm×30 mm，剩磁为1.4 T。静磁场方向为水平方向。工件长度为300 mm、厚度为0.7 mm，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3。U-EMAT回折形线圈导线为8根。激励信号频率为500 kHz，激励线圈A与激励线圈B中电流周期为2 μs。有限元模型中，超声波两接收位置R1与R2处，线圈A与线圈B延迟时间差分别为0、T/8、2T/8、3T/8、4T/8、5T/8、6T/8、7T/8、T时，工件中超声波位移如图2所示。

图2 超声波位移图

图2(a)中，线圈A与线圈B无时间延迟，此时R1与R2位置处回波信号幅值相同；图2(b)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟T/8，此时R1位置处回波幅值开始减小，R2位置处回波幅值开始增大；图2(c)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟2T/8，此时R1位置处回波幅值最小，R2位置处回波幅值最大；图2(d)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟3T/8，此时R1位置处回波幅值开始增大，R2位置处回波幅值开始减小；图2(e)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟4T/8，此时R1位置处回波幅值继续增大，R2位置处回波幅值继续减小；图2(f)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟5T/8，此时R1位置处回波幅值经进一步增大，R2位置处回波幅值进一步减小；图2(g)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟6T/8，此时R1位置处回波幅值达到左侧最大值，R2位置处回波幅值达到右侧最小值；图2(h)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟7T/8，此时R1位置处回波幅值开始减小，R2位置处回波幅值开始增大；图2(i)中，线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟T，此时R1位置处和R2位置处回波幅值相同。上述整个变化过程中，增强侧回波位移变化过程与削弱侧回波位移变化过程呈现周期函数特征，且两周期函数相位差为π。

U-EMAT模拟仿真结果表明，当激励线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟2T/8时，U-EMAT产生单向传播的超声导波，向右传播的超声波位移幅值较大，向左侧传播的超声波位移几乎为零；当激励线圈B中激励电流激励时间比线圈A中激励电流时间延迟6T/8时，向左传播的超声波位移幅值较大，向右侧传播的超声波位移几乎为零。即更改延迟时间，可控制U-EMAT回波信号增强侧的方向以及回波信号的强弱。为了进一步对提出的换能器结构进行验证，进行实验研究与分析。

4 实验研究与分析

实验研究中，采用收发分离检测方式进行U-EMAT线圈参数特性实验、采用收发一体方式进行常规EMAT与U-EMAT缺陷检测对比实验。实验系统中，永磁体整体几何尺寸为：长50 mm，宽50 mm，高30 mm；管道几何尺寸为：长3 000 mm，外径110 mm，内径100 mm。实验系统如图3所示。

图3 实验系统图

实验中，T为激励换能器，R1、R2为接收换能器。激励换能器分别采用常规EMAT与U-EMAT，接收换能器均采用常规EMAT。RITEC-RAM5000产生高频脉冲，输出两路激励信号，分别作用于U-EMAT线圈A与线圈B。接收EMAT在R1、R2位置接收。接收换能器将波动信号转化为电信号，经阻抗匹配与前置放大后由RITEC-RAM5000接收，示波器显示回波。经频率扫查，确定UC-EMAT激励信号频率为f=0.50 MHz。接收EMAT的高通滤波器截止频率为0.1 MHz，低通滤波器截止频率为20 MHz。

4.1 U-EMAT线圈参数特性实验

线圈参数特性实验中，激励换能器T到接收换能器R1与R2的距离均为1 000 mm，R1与左端面距离为500 mm，R2与右端面距离为500 mm。换能器布置示意图如图4所示。

图4 实验原理示意图

为验证U-EMAT线圈几何参数与电气参数性能，令U-EMAT中A线圈与B线圈的相对间距分别为0、λ/4、2λ/4、3λ/4，并令各间距下的A线圈与B线圈延迟时间分别为0、T/4、2T/4、3T/4、T。

当相邻导线间距不同，且线圈A与线圈B延迟时间不同时，仿真与实验中接收换能器R1与接收换能器R2分别提取直达波信号的峰值，得到线圈参数特性误差曲线。R1-FES为R1位置仿真结果，R2-FES为R2位置仿真结果，R1-Exp为R1位置实验结果，R2-Exp为R2位置实验结果。当Δt=0～T，Δx分别为0、λ/4、2λ/4、3λ/4时，回波变化曲线如图5所示。

图5(a)中，相邻导线间距为0，线圈A与线圈B激励延迟时间分别为0、T/8、2T/8、3T/8、4T/8、5T/8、6T/8、7T/8、T，R1位置处与R2位置处回波信号变化趋势相同，回波幅值呈现先减小后增大变化趋势。图5(b)中，相邻导线间距为λ/4，R1位置处与R2位置处两回波均为周期变化的正弦函数，但二者相位相反。图5(c)相邻导线间距为2λ/4，R1位置处与R2位置处回波信号变化趋势相同。5(d)相邻导线间距为3λ/4，R1位置处与R2位置处两回波均为周期变化的正弦函数，但二者相位相反，且与图5(b)中两曲线变化趋势相反。图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)中，R1位置处与R2位置处，仿真回波信号幅值与实验得到的回波信号幅值吻合较好，证明了研究结果的正确性。

通过上述选取的最佳激励参数，进行缺陷检测实验，验证该单向电磁超声导波换能器在缺陷检测中的单相可控性。

(a)Δx=0

(b)Δx=λ/4

(c)Δx=2λ/4

(d)Δx=3λ/4图5 U-EMAT线圈参数特性误差曲线图

4.2 缺陷检测实验

缺陷检测实验中，令常规EMAT与U-EMAT分别进行缺陷检测，并进行对比。管道中换能器位置分布如图6所示。

图6 换能器与缺陷位置关系图

缺陷检测中，激励换能器T与接收换能器R位置为零。分别令激励换能器为常规EMAT、向右增强型U-EMAT、向左增强型U-EMAT，得到的缺陷检测回波信号与超声波声程如图7所示。

(a)常规EMAT

(b)向右增强型EMAT

(c)向左增强型EMAT图7 缺陷回波与超声波声程图

图中，W1～W4为回波1～回波4。图7(a)为常规EMAT缺陷检测实验回波，在缺陷处以及左侧端面均有回波，证明了常规EMAT向换能器两侧均传播超声波。图7(b)为向右增强型U-EMAT缺陷检测实验回波信号，仅在缺陷处有回波，且相比于常规EMAT，回波信号幅值明显增强，证明了U-EMAT的单向性。图7(c)为向左增强型U-EMAT缺陷检测实验回波信号，在左侧端面处和缺陷处有回波，且相比于常规EMAT，回波信号幅值明显增强。

上述缺陷检测实验可知，U-EMAT简化了回波信号的复杂程度，且回波信号信噪比明显增强。实际检测中，可根据检测工况选择向右增强U-EMAT或向左增强U-EMAT，且尽量令U-EMAT检测范围较小，可得到更好的检测效果。U-EMAT通过回波信号变化趋势可判定缺陷数量与缺陷位置，降低了回波信号的复杂程度，使得回波信号更易于识别。