電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種電磁超聲換能技術(shù)

(ElectromagneticAcousticTransducer）

現(xiàn)有的超聲無(wú)損檢測(cè)方法通常采用壓電超聲檢測(cè)方法，但存在依賴聲耦合劑、檢測(cè)場(chǎng)合有限等問(wèn)題，難以用于高溫、低溫、在線等檢測(cè)領(lǐng)域。

電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種電磁超聲換能技術(shù)(Electromagnetic Acoustic Transducer，以EMAT為核心的新型超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比，該技術(shù)具有無(wú)耦合劑、無(wú)接觸試件、無(wú)預(yù)處理試件表面的優(yōu)點(diǎn)，可方便生產(chǎn)各種超聲波，適用于無(wú)接觸檢測(cè)、高溫檢測(cè)、高速在線檢測(cè)等場(chǎng)合。電磁超聲技術(shù)顯著提高了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、應(yīng)用范圍、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

典型的電磁超聲傳感器包括三個(gè)部分：線圈、磁鐵和試件。在非鐵磁材料中，EMAT的傳感機(jī)理是洛倫茲力機(jī)理；在鐵磁材料中，洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力將共同完成超聲波的發(fā)射和接收。以洛倫茲力機(jī)理為例，簡(jiǎn)要介紹了EMAT的工作原理（見(jiàn)圖1）：當(dāng)通過(guò)交變電流的導(dǎo)線(或線圈)放置在試件表面時(shí)，會(huì)在試件表面產(chǎn)生渦流；渦流與磁鐵產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力；洛倫茲力會(huì)引起試件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的高頻振動(dòng)，以波的形式向外傳播，完成超聲波的發(fā)射；通過(guò)控制線圈和磁鐵的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以方便地刺激各種類型的超聲波。電磁超聲的接收是發(fā)射的逆過(guò)程。

美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家作為傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)的理想替代品，高度重視電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在財(cái)政支持和人員配備方面投入巨資。近年來(lái)，這些國(guó)家對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并成功地應(yīng)用于冶金、焊接、列車軌道、管道、橋梁、飛機(jī)、板材、棒材等領(lǐng)域，部分產(chǎn)品已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。我國(guó)電磁超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究起步較晚，目前關(guān)于電磁超聲無(wú)損檢測(cè)產(chǎn)品的報(bào)告相對(duì)較少。

電磁超聲和壓電超聲*大的區(qū)別在于產(chǎn)生的機(jī)制不同。壓電超聲波的超聲波是由壓電晶片在高壓激勵(lì)下產(chǎn)生的。超聲波只能通過(guò)延遲塊和耦合劑進(jìn)入工件。高頻超聲波在空氣中會(huì)迅速衰減，因此無(wú)法穿越松散的腐蝕層、空氣和分離。

電磁超聲是在工件的皮膚層產(chǎn)生的，超聲只在工件內(nèi)部傳播，與耦合劑無(wú)關(guān)，因此可以提取、隔離和空耦合。電磁超聲的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以方便地刺激導(dǎo)波，這對(duì)埋地管道的檢測(cè)具有重要意義。

從這張圖中可以看出，工件內(nèi)的感應(yīng)電流(虛擬線圈)是側(cè)向的，所以產(chǎn)生的超聲波是剪切波，也叫橫波，而壓電晶體被激勵(lì)后是上下振動(dòng)，所以產(chǎn)生的波是縱波(壓縮波)，這就是為什么鋼中電磁超聲的聲速通常是3240m/S, 常規(guī)壓電超聲的聲速為5920m/S，一個(gè)是橫波，另一個(gè)是縱波。

1.2.2 電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

管道運(yùn)輸作為我國(guó)五種運(yùn)輸方式之一，不僅可以實(shí)現(xiàn)低損耗、高效的運(yùn)輸，而且不受天氣等因素的影響，廣泛應(yīng)用于能源和化學(xué)領(lǐng)域。到2014年，我國(guó)油氣管道運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅速，總里程已達(dá)10.7萬(wàn)公里。但由于工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期在線工作，管道容易出現(xiàn)裂縫、腐蝕等缺陷，造成**風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)檢測(cè)缺陷并采取相應(yīng)措施，可以提高經(jīng)濟(jì)效益，避免事故。因此，定期在線管道無(wú)損檢測(cè)和長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。

超聲波檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用*廣泛的檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)超聲波的類型，超聲波檢測(cè)分為體波檢測(cè)和導(dǎo)波檢測(cè)。與其他超聲檢測(cè)技術(shù)相比，導(dǎo)波檢測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 在傳播過(guò)程中，導(dǎo)波受到介質(zhì)邊界的約束，沿傳播路徑的能量衰減減小，因此可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)；(2) 與傳統(tǒng)的超聲逐點(diǎn)檢測(cè)方法相比，導(dǎo)波檢測(cè)采用線掃描方法，檢測(cè)效率高；(3) 導(dǎo)波的波結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以通過(guò)模式控制選擇相應(yīng)的波結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別不同類型的缺陷。本課題研究的波導(dǎo)是具有自由邊界條件的各向同性管結(jié)構(gòu)。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)形式，管道中的導(dǎo)波可分為縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)。其中，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)沿管道周向振動(dòng)，對(duì)縱向缺陷敏感，低模扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波具有非分散特性，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)波管缺陷檢測(cè)。

壓電超聲技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)和電磁超聲技術(shù)都能激勵(lì)管道中的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。目前階段，壓電導(dǎo)波傳感器和磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器是典型的激勵(lì)和接收扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的傳感器。與電磁超聲傳感器相比，這兩種傳感器具有更高的換能效率，適用于長(zhǎng)距離管道缺陷檢測(cè)。在檢測(cè)靈敏度方面，磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)方法具有較高的靈敏度。在結(jié)構(gòu)上，壓電導(dǎo)波傳感器需要夾具，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本高；磁致伸縮導(dǎo)波傳感器由線圈、磁致伸縮帶和被測(cè)構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低。在耦合方式上，壓電導(dǎo)波傳感器通過(guò)外力使傳感器與構(gòu)件緊密結(jié)合，耦合效率低；磁致伸縮導(dǎo)波傳感器通過(guò)粘結(jié)耦合使磁致伸縮帶與被測(cè)構(gòu)件緊密結(jié)合，耦合效率高。因此，磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有效率高、成本低的特點(diǎn)。

根據(jù)《GB/T28704-2012 磁致伸縮超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)方法，磁致伸縮效應(yīng)包括正磁致伸縮效應(yīng)和反磁致伸縮效應(yīng)。其中，正磁致伸縮是指鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用時(shí)尺寸和形狀的變化；反磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料的接收（長(zhǎng)度方向）軸向外力時(shí)，其內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化。

管道中磁致伸縮導(dǎo)波的刺激是基于正磁致伸縮效應(yīng)，即在外加磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料表面產(chǎn)生彈性變形，在介質(zhì)中以導(dǎo)波的形式傳播。因此，磁致伸縮導(dǎo)波的接收是基于反向磁致伸縮效應(yīng)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)導(dǎo)致鐵磁材料的彈性變形，進(jìn)而導(dǎo)致其內(nèi)部磁場(chǎng)的變化。

根據(jù)材料的變形方式，管道中的導(dǎo)波分為彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和縱向模態(tài)。由于彎曲模態(tài)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不用于管道缺陷檢測(cè)。如圖2-1所示，在大功率交變脈沖的激勵(lì)下，線圈產(chǎn)生沿管道軸向分布的交變磁場(chǎng)。如果沿磁致伸縮帶的長(zhǎng)度方向磁化，將獲得沿管道周向分布的直流偏置磁場(chǎng)，即交變磁場(chǎng)垂直于直流偏置磁場(chǎng)。在兩個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下，磁致伸縮材料表面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，刺激扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。相應(yīng)地，如果沿磁致伸縮帶寬度方向磁化，將獲得沿管軸方向分布的直流偏置磁場(chǎng)，即交變磁場(chǎng)與直流偏置磁場(chǎng)平行。在兩個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下，磁致伸縮材料表面發(fā)生軸向變形，產(chǎn)生縱向?qū)Р?。在傳播過(guò)程中，導(dǎo)波會(huì)在介質(zhì)界面之間反射多次。由于介質(zhì)界面的引導(dǎo)，能量集中，傳播距離長(zhǎng)。因此，與其他超聲技術(shù)相比，導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的單點(diǎn)激勵(lì)可以對(duì)試件截面進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè)，檢測(cè)效率更高。磁致伸縮導(dǎo)波管缺陷檢測(cè)系統(tǒng)是一種基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，其傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，有效降低了檢測(cè)成本。其基本原理如圖2所示，通過(guò)配置專用管道探頭，實(shí)現(xiàn)管道缺陷的快速掃描和定位。可用于橋梁電纜、換熱器、結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)油氣管道網(wǎng)絡(luò)、鐵路軌道在線監(jiān)測(cè)、高溫管道及伴熱管道、煉化工藝管網(wǎng)在線檢測(cè)、海洋鉆井平臺(tái)立管、工藝管道、加熱、鍋爐管道、供氣管道系統(tǒng)等的**檢測(cè)。

圖2 埋地管道電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖

電磁超聲（磁致伸縮）導(dǎo)波是一種特別適合埋地管道缺陷檢測(cè)的檢測(cè)技術(shù)。在沒(méi)有法蘭的管道段，傳播距離可達(dá)數(shù)百米，對(duì)提高管廊管道檢測(cè)效率具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

我們的電磁超聲分為以下系列：

（1）EMUT10系列，以筆、便攜性為主要特點(diǎn)，探傷結(jié)構(gòu)，采用高速采樣，穿透力強(qiáng)（因?yàn)閷挾瓤烧{(diào)雙極性方波激勵(lì)），可現(xiàn)場(chǎng)顯示波形特征，部分型號(hào)支持快速拆卸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)更換非常方便. 配備了高溫探頭、小管徑探頭、B掃描車。

(2)EMUT20系列以分體、高精度為特點(diǎn)，其中EMUT20+將厚度分辨率提高到0.1 μm，傳統(tǒng)超聲波100M采樣率只能區(qū)分為0.03mm，精度提高了300倍。如果消除噪聲影響，螺栓應(yīng)力檢測(cè)的精度完全足夠，汽車工業(yè)的螺栓應(yīng)力可以測(cè)量

(3)EMUT30系列，以小型化、超低功耗為主要特點(diǎn)，主要用于廣泛的管道腐蝕監(jiān)測(cè)。

(4)EMUT40系列采用脈沖電磁代替永磁，具有通電有磁、斷電退磁的特點(diǎn)，在自動(dòng)化應(yīng)用中至關(guān)重要，可防止探頭撞擊

超聲波測(cè)厚儀原理介紹

超聲波測(cè)厚的本質(zhì)是測(cè)量超聲波在工件中的傳播時(shí)間，電磁超聲螺栓應(yīng)力檢測(cè)的本質(zhì)也是飛行時(shí)間的測(cè)量（Time of Filght）。說(shuō)到這里，你應(yīng)該能想到TOFDD（Time of Flight Diffraction)，是的，垂直焊縫可以通過(guò)衍射聲時(shí)法進(jìn)行探傷。通過(guò)測(cè)量直通波、上端波和下端波的飛行時(shí)間，可以測(cè)量焊縫的大致形狀。那么如何測(cè)量這個(gè)時(shí)間是一個(gè)很大的知識(shí)。

一般精密計(jì)時(shí)有幾種原理

1、使用門電路計(jì)時(shí)，如用發(fā)射波啟動(dòng)門計(jì)數(shù)，用回波關(guān)閉門計(jì)數(shù)，時(shí)間T=方波脈沖周期T*數(shù)N，如果方波頻率為25mHz，則T=0.04μS，也就是說(shuō)，計(jì)時(shí)電路的精度為0.04μS。（TT100 300系列就是這個(gè)原理，MT150也是這個(gè)原理，MT200使用40MHz時(shí)鐘，所以精度會(huì)稍高一些)，測(cè)厚精度TT100系列為0.1mm，而MT200可以宣稱0.05mm就是這個(gè)道理。

2、采用高速ADC采樣，其精度是采樣率的倒數(shù)，如100MHz采樣，其計(jì)時(shí)精度為0.01μS，原則上可以達(dá)到0.03mm以內(nèi)，平均可以提高到0.015mm或更低，但不能無(wú)限提高。帶A掃描的測(cè)厚儀大概就是這個(gè)精度。

3、使用計(jì)時(shí)芯片(TDC芯片)，*高精度可以達(dá)到PS(10負(fù)12次)水平，所以這個(gè)計(jì)時(shí)精度*高。(TT700、UT700、UT200都是這個(gè)原理)，精度可以很高，但由于前沿檢測(cè)造成的誤差，0.001mm已經(jīng)是瓶頸。

4、Dakota和Metrelink采用的時(shí)空互補(bǔ)精密計(jì)時(shí)技術(shù)是基于2，將精度細(xì)分為100-1000份。因此可以達(dá)到0.1μm分辨率。(EMUT20+)

UT200應(yīng)該是這個(gè)星球上*劃算的穿越涂層超聲波測(cè)厚儀。