一种高性能电磁超声传感器线圈背板及其优化设计

陈建伟，刘帅，马健，郭锐，宋江峰，白雪，邹龙森，宿一凡

(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所，山东 济南 250103)

电磁超声传感器(electromagnetic acoustic transducers，EMATs)能够直接在被测对象表面激励出超声波，具有不需要耦合剂和非接触检测的特点，所以EMATs对被测对象表面的粗糙度要求不高，并且适用于表面有隔离层、高温和高速在线等恶劣条件下的检测[1-5]。此外，电磁超声基于电磁耦合作用在导电或导磁金属材料中产生超声波，通过改变永磁体与线圈的组合可以很方便地产生横波、表面波、兰姆波、纵波等多种波型[6-9]。因此，电磁超声检测技术已经在许多领域得到了应用，例如钢管自动化测厚、通过式轨道车轮自动检测、核电高温管道检测、高温锻件测厚和探伤等[10-11]。

与传统的压电超声检测方法相比，电磁超声技术的局限性在于换能效率低，从而造成其产生的超声信号的信噪比低，同时随着电磁超声传感器工作提离距离的增大，其信噪比呈指数规律衰减[12-14]，提离距离过低会大大限制电磁超声技术的应用范围。为了增大电磁超声传感器的信噪比和提离距离，许多学者已经做了大量的研究工作，但是这些工作主要集中在优化传感器的磁铁组合形式和线圈设计[15-21]，而针对传感器中线圈背板的研究相对较少。

初步研究表明，电磁超声横波传感器中线圈背板的尺寸参数和材料选择对于传感器性能具有较大的影响。本文提出了一种新的线圈背板制作工艺，选用羰基铁粉作为背板材料，分析了导磁性材料对传感器工作区域磁场分布的影响。

1 电磁超声产生机理

1.1 EMATs基本原理

一般认为，EMATs由磁铁、线圈和被测对象三部分组成，同时线圈背板也是传感器必不可少的一部分。本文中的被测对象为铝板，超声波的产生是基于洛伦兹力原理，如图1所示。其中，永磁铁用于提供静态偏置磁场，当在线圈中通入高频交变电流时会在被测对象的表面感生出涡流，涡流在垂直静态磁场的作用下产生交变的洛伦兹力，被测对象表面的质点在洛伦兹力的作用下产生有规律的高频振动，从而在被测对象内激励出超声波。

图1 基于洛伦兹力原理的电磁超声横波传感器工作原理

1.2 EMATs多场耦合方程

在EMATs的线圈和被测对象所组成的系统中，没有自由电荷，若忽略位移电流的影响，则脉冲涡流动态磁场方程为：

(1)

其中，μ代表材料的磁导率，A为矢量磁位，σ代表材料的电导率，Js为源电流密度。在不考虑线圈的集肤效应和邻近效应的条件下，由电流近似求解得到线圈的平均电流密度分布

(2)

其中，i为总电流，S为线圈导体的截面积。

线圈以及被测试样内的涡流密度Je和总电流密度Jt分别为：

(3)

(4)

那么，总电流i和源电流密度Js可以表述为：

i=∬SJtds，

(5)

(6)

各区域的电磁强度E和矢量磁位A之间满足：

(7)

由洛伦兹力定义可得，非铁磁性试样表面集肤深度内的受力，与永磁体提供的静态磁场强度B0及导体表面感应涡流的大小有关，即：

fL=B0×Je。

(8)

铝板为各向同性材料，且满足线弹性和连续性假设，其在洛伦兹力fL的作用下发生弹性变形，运动方程为：

(9)

其中，σ为应力张力，w为位移矩阵，ρ为铝的体密度。

考虑到σ和w之间的关系，式(9)可以改用位移表示，即：

(10)

式中，G和k为梅拉常数。

超声信号的接收是激励的逆过程，当超声波传播到EMATs的接收线圈处时，铝板中运动的带电粒子在外加偏置磁场作用下产生动态电流，其电流密度为：

JL=σv×B0，

(11)

其中，v代表带电粒子的振动速度，铝板中的动态电流密度会在其周围产生动态磁场，处于此动态磁场中的EMATs接收线圈会产生感应电动势，即为线圈的接收信号。

在线圈接收信号的过程中，求解区域的磁场由铝板中的涡流密度和线圈中的源电流密度共同提供。一般而言接收线圈为开路状态，其总电流为0。则接收线圈和被测试样各区域所满足的控制方程为：

(12)

在求解式(12)得到各区域的矢量磁位后，进而要计算接收线圈的感应电动势。线圈导体内的感应电场可表示为：

(13)

线圈中某点导体的电动势可通过对电场强度进行线积分获得，于是

(14)

则线圈的输出电压可通过对线圈所包含的点导体电动势求取平均获得，即

(15)

对于自发自收工作模式的EMATs线圈，接收时的电压信号可以表示为[22]：

(16)

其中，N代表线圈匝数，Zs代表被测材料铝声阻抗，α为被测对象的几何相关常数，d代表线圈到被测铝板表面的提离距离，D是工作线圈的直径。由此可见，超声信号的大小与静态磁场强度的平方成正比，本文中对于线圈背板材料的选择就是以增大线圈工作区域的静态磁场强度为依据，因此选用导磁性材料。

2 横波EMATs中线圈背板的优化设计

线圈背板的优化设计包括尺寸的确定和材料的选择。当线圈背板为非导磁性材料时，其长度和宽度尺寸变化对传感器性能无影响，所以采用塑料板作为线圈背板，通过实验研究确定线圈背板的最佳厚度；当选用导磁性材料作为线圈背板时，会影响传感器工作区域的静态磁场，本文选用粒径5.5～7 μm的羰基铁粉颗粒经绝缘处理后加树脂压制成线圈背板，通过磁场仿真优化其长度和宽度尺寸。

2.1 线圈背板的厚度优化

研究表明，采用导电性材料作为线圈背板会降低线圈在被测对象中的感应涡流强度，从而降低传感器的换能效率，所以线圈背板需采用非导电材料[23]。线圈背板是电磁超声传感器中必不可少的一部分，其厚度对传感器的性能具有较大影响。为了保证磁场的一致性，本实验中采用塑料板(非导磁性材料)作为线圈背板，实验装置如图2所示，主要包括Ritec RAM-5000测试系统、50 Ω负载、双工器、EMAT和示波器。本实验中传感器的工作方式为自发自收，Ritec RAM-5000测试系统通过一个50 Ω的负载和双工器为EMAT提供高频交变电流，EMATs在铝板中激励的超声横波沿其厚度方向传播，到达铝板底面后发生反射，反射波被传感器接收后进入Ritec RAM-5000系统，通过该系统处理后的信号电压显示在示波器上，即本文通过铝板的测厚信号质量进行传感器性能评价。其中，传感器中的塑料背板厚度为本节主要优化对象，铝板上的塑料板用于调节传感器的工作提离距离，根据需要放置不同厚度的塑料板。

如图2中所示，本文中选用的工作频率为2 MHz，传感器主要由永磁铁、塑料背板和线圈组成。其中永磁铁为N50的钕铁硼磁铁，尺寸为30 mm×30 mm×40 mm，在其下表面贴一层铜箔是为了降低线圈在磁铁中的涡流感应；线圈为采用PCB(printed circuit board)制作的蝶形线圈，工作区域的尺寸为16 mm ×16 mm。塑料背板的尺寸为30 mm×30 mm，不同提离距离下线圈背板厚度与传感器接收信号幅值的关系如图3所示。

图2 电磁超声横波传感器测厚实验方案

图3 信号幅值与线圈背板厚度的关系曲线

由图3可知，当线圈背板厚度小于1.5 mm时，随着线圈背板厚度的增加，传感器信号幅值明显增大；而当线圈背板厚度大于2 mm时，随着其厚度增加，信号幅值逐渐减小，因此线圈背板的最佳厚度约为1.5～2 mm。通过比较三种提离距离下的信号幅值规律可知，线圈背板的最佳厚度不随传感器工作提离距离的变化而变化。

2.2 线圈背板的长度和宽度优化

由1.2节可知传感器接收信号强度与磁场强度的平方成正比，本节通过磁场仿真，研究采用导磁性材料作为线圈背板对传感器工作区域磁场强度的影响。选用羰基铁粉作为线圈背板材料，厚度取2 mm，磁铁尺寸为30 mm×30 mm×40 mm，各材料的参数如表1所示，二维有限元分析模型如图4所示。

表1 材料参数

图4 二维磁场仿真模型

当塑料板的厚度即提离距离为3 mm，羰基铁粉线圈背板的尺寸为16 mm×16 mm×2 mm时，仿真计算得到的磁场分布如图5所示。由本文中电磁超声的激励原理可知，横波的产生是静态磁场的垂直分量与线圈在被测件中感应涡流相互作用的结果，所以传感器接收的信号强度大小主要取决于磁通密度的垂直分量By。因为线圈感应的涡流主要在被测件表面的集肤深度内，所以本节中传感器工作区域为线圈覆盖的铝板近表面区域，取深0.1 mm处的磁通密度作为研究对象，如图5中红线所示。

图5 电磁超声横波传感器磁场仿真结果

为了研究导磁性材料及导磁性材料的尺寸对于传感器磁场分布的影响，对以下三种情况进行了仿真：采用塑料板作为线圈背板；采用羰基铁粉板作为线圈背板，羰基铁粉板的长度等于磁铁的长度，为30 mm；采用羰基铁粉板作为线圈背板，羰基铁粉的长度等于线圈工作区域的长度，为 16 mm。仿真模型如图6所示，其中提离距离为2 mm。因为塑料板的相对磁导率与空气相同，所以采用塑料板作为线圈背板时不需考虑其长度尺寸对于磁场分布的影响。

图6 分别采用三种线圈背板的EMATs仿真模型

三种仿真模型的仿真结果如图7所示，Bx代表磁通密度的水平分量，By代表磁通密度的垂直分量。由图7(a)和7(b)可得，当线圈背板的尺寸与磁铁相当时，By沿x轴方向逐渐减小，采用塑料背板时,By值约为0.71 T，比采用羰基铁粉时By值略大；而由图7(c)可以看出，当采用羰基铁粉作为线圈背板且尺寸与线圈相当时，传感器工作区域的By值约为0.84 T，并且工作区域的磁通密度保持恒定。因此，在传感器封装时应选用与线圈工作区域相同尺寸的羰基铁粉背板，可以显著增大线圈工作区域的磁通密度从而增强传感器的信号。

图7 分别采用三种线圈背板的EMATs仿真结果

2.3 线圈背板优化后传感器性能验证

基于前两节的优化结果，对如图8所示的两种不同线圈背板的传感器进行比较。其中，线圈工作区域的尺寸为16 mm×16 mm，线圈背板分别采用塑料板和羰基铁粉板，尺寸均为16 mm×16 mm×2 mm。选用的钕铁硼磁铁的尺寸为30 mm×30 mm×40 mm，在磁铁表面贴厚度为0.2 mm的铜箔，以防止线圈在磁铁中感应出涡流。

图8 传感器结构的分解示意图

分别采用以上两种传感器对厚度为25 mm的铝板进行测厚，通过测厚信号的质量比较两种传感器的性能。当工作提离距离为2 mm时，两种传感器测得的信号如图9所示。从图中可以看出，一次回波和二次回波的时间间隔约为15.5 μs，从而计算出波速为3 225 m/s，这与横波的波速相符。采用羰基铁粉背板和塑料背板相比，传感器获得的一次回波和二次回波幅值分别增大了约50%和100%，而两种传感器的噪声水平相当。因此，采用优化后的羰基铁粉背板能够显著改善电磁超声横波传感器的信噪比。

图9 分别采用优化前后传感器的回波信号

传感器的工作提离距离大小是衡量其应用能力的直接指标，对以上两种传感器在不同提离距离下的信号进行分析，如图10所示为两种传感器一次回波随提离距离的变化规律。从图中可以看出，随着提离距离的增大，信号幅值急剧下降，这与文献[24]的结论一致，但采用羰基铁粉作为线圈背板时，传感器的信号随着提离距离增加的衰减速度变慢。本实验中采用羰基铁粉背板的传感器工作提离距离可以达到4.8 mm，比采用塑料板作为线圈背板时增加了约1 mm。

图10 分别采用优化前后传感器的提离距离

3 结论

为了提高电磁超声横波传感器的信噪比和工作提离距离，本文提出采用羰基铁粉作为线圈背板材料并对其进行了优化设计。结果表明，优化后的线圈背板能够显著增加横波传感器的信噪比和工作提离距离，对于推动电磁超声技术的工业应用具有重要意义。