電磁超聲無損檢測技術(shù)是一種電磁超聲換能技術(shù)

(ElectromagneticAcousticTransducer）

現(xiàn)有的超聲無損檢測方法通常采用壓電超聲檢測方法，但存在依賴聲耦合劑、檢測場合有限等問題，難以用于高溫、低溫、在線等檢測領(lǐng)域。

電磁超聲無損檢測技術(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損檢測技術(shù)。與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比，該技術(shù)具有無耦合劑、無接觸試件、無預(yù)處理試件表面的優(yōu)點，可方便生產(chǎn)各種超聲波，適用于無接觸檢測、高溫檢測、高速在線檢測等場合。電磁超聲技術(shù)顯著提高了超聲無損檢測技術(shù)的檢測精度、檢測效率、應(yīng)用范圍、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

典型的電磁超聲傳感器包括三個部分：線圈、磁鐵和試件。在非鐵磁材料中，EMAT的傳感機理是洛倫茲力機理；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。以洛倫茲力機理為例，簡要介紹了EMAT的工作原理（見圖1）：當(dāng)通過交變電流的導(dǎo)線(或線圈)放置在試件表面時，會在試件表面產(chǎn)生渦流；渦流與磁鐵產(chǎn)生的靜磁場相互作用會產(chǎn)生洛倫茲力；洛倫茲力會引起試件內(nèi)部質(zhì)點的高頻振動，以波的形式向外傳播，完成超聲波的發(fā)射；通過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)射的逆過程。

美國、德國、英國、日本等國家作為傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)的理想替代品，高度重視電磁超聲無損檢測技術(shù)，在財政支持和人員配備方面投入巨資。近年來，這些國家對該技術(shù)進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、板材、棒材等領(lǐng)域，部分產(chǎn)品已進入中國市場。我國電磁超聲無損檢測領(lǐng)域的研究起步較晚，目前關(guān)于電磁超聲無損檢測產(chǎn)品的報告相對較少。

電磁超聲和壓電超聲*大的區(qū)別在于產(chǎn)生的機制不同。壓電超聲波的超聲波是由壓電晶片在高壓激勵下產(chǎn)生的。超聲波只能通過延遲塊和耦合劑進入工件。高頻超聲波在空氣中會迅速衰減，因此無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，與耦合劑無關(guān)，因此可以提取、隔離和空耦合。電磁超聲的另一個優(yōu)點是它可以方便地刺激導(dǎo)波，這對埋地管道的檢測具有重要意義。

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，而壓電晶體被激勵后是上下振動，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，一個是橫波，另一個是縱波。

1.2.2 電磁超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

管道運輸作為我國五種運輸方式之一，不僅可以實現(xiàn)低損耗、高效的運輸，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，我國油氣管道運輸業(yè)發(fā)展迅速，總里程已達10.7萬公里。但由于工作環(huán)境惡劣，長期在線工作，管道容易出現(xiàn)裂縫、腐蝕等缺陷，造成**風(fēng)險。通過檢測缺陷并采取相應(yīng)措施，可以提高經(jīng)濟效益，避免事故。因此，定期在線管道無損檢測和長期在線監(jiān)測具有重要意義。

超聲波檢測技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用*廣泛的檢測技術(shù)。根據(jù)超聲波的類型，超聲波檢測分為體波檢測和導(dǎo)波檢測。與其他超聲檢測技術(shù)相比，導(dǎo)波檢測方法具有以下優(yōu)點： (1) 在傳播過程中，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，因此可以實現(xiàn)長距離檢測；(2) 與傳統(tǒng)的超聲逐點檢測方法相比，導(dǎo)波檢測采用線掃描方法，檢測效率高；(3) 導(dǎo)波的波結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以通過模式控制選擇相應(yīng)的波結(jié)構(gòu)來識別不同類型的缺陷。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)點的振動形式，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)波在傳播過程中，質(zhì)點沿管道周向振動，對縱向缺陷敏感，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。

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，適用于長距離管道缺陷檢測。在檢測靈敏度方面，磁致伸縮導(dǎo)波檢測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、磁致伸縮帶和被測構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低。在耦合方式上，壓電導(dǎo)波傳感器通過外力使傳感器與構(gòu)件緊密結(jié)合，耦合效率低；磁致伸縮導(dǎo)波傳感器通過粘結(jié)耦合使磁致伸縮帶與被測構(gòu)件緊密結(jié)合，耦合效率高。因此，磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)具有效率高、成本低的特點。

根據(jù)《GB/T28704-2012 磁致伸縮超聲導(dǎo)波無損檢測方法，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作用時尺寸和形狀的變化；反磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料的接收（長度方向）軸向外力時，其內(nèi)部磁場發(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)點的振動導(dǎo)致鐵磁材料的彈性變形，進而導(dǎo)致其內(nèi)部磁場的變化。

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。如圖2-1所示，在大功率交變脈沖的激勵下，線圈產(chǎn)生沿管道軸向分布的交變磁場。如果沿磁致伸縮帶的長度方向磁化，將獲得沿管道周向分布的直流偏置磁場，即交變磁場垂直于直流偏置磁場。在兩個磁場的共同作用下，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，即交變磁場與直流偏置磁場平行。在兩個磁場的共同作用下，磁致伸縮材料表面發(fā)生軸向變形，產(chǎn)生縱向?qū)Р?。在傳播過程中，導(dǎo)波會在介質(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。因此，與其他超聲技術(shù)相比，導(dǎo)波檢測技術(shù)的單點激勵可以對試件截面進行長距離檢測，檢測效率更高。磁致伸縮導(dǎo)波管缺陷檢測系統(tǒng)是一種基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，其傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，有效降低了檢測成本。其基本原理如圖2所示，通過配置專用管道探頭，實現(xiàn)管道缺陷的快速掃描和定位?？捎糜跇蛄弘娎|、換熱器、結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測、長油氣管道網(wǎng)絡(luò)、鐵路軌道在線監(jiān)測、高溫管道及伴熱管道、煉化工藝管網(wǎng)在線檢測、海洋鉆井平臺立管、工藝管道、加熱、鍋爐管道、供氣管道系統(tǒng)等的**檢測。

圖2 埋地管道電磁超聲導(dǎo)波檢測原理示意圖

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的檢測技術(shù)。在沒有法蘭的管道段，傳播距離可達數(shù)百米，對提高管廊管道檢測效率具有很強的現(xiàn)實意義。

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，探傷結(jié)構(gòu)，采用高速采樣，穿透力強（因為寬度可調(diào)雙極性方波激勵），可現(xiàn)場顯示波形特征，部分型號支持快速拆卸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場更換非常方便. 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，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)力檢測的精度完全足夠，汽車工業(yè)的螺栓應(yīng)力可以測量

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

(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，在自動化應(yīng)用中至關(guān)重要，可防止探頭撞擊

超聲波測厚儀原理介紹

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

一般精密計時有幾種原理

1、使用門電路計時，如用發(fā)射波啟動門計數(shù)，用回波關(guān)閉門計數(shù)，時間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，計時電路的精度為0.04μS。（TT100 300系列就是這個原理，MT150也是這個原理，MT200使用40MHz時鐘，所以精度會稍高一些)，測厚精度TT100系列為0.1mm，而MT200可以宣稱0.05mm就是這個道理。

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

3、使用計時芯片(TDC芯片)，*高精度可以達到PS(10負(fù)12次)水平，所以這個計時精度*高。(TT700、UT700、UT200都是這個原理)，精度可以很高，但由于前沿檢測造成的誤差，0.001mm已經(jīng)是瓶頸。

4、Dakota和Metrelink采用的時空互補精密計時技術(shù)是基于2，將精度細(xì)分為100-1000份。因此可以達到0.1μm分辨率。(EMUT20+)

UT200應(yīng)該是這個星球上*劃算的穿越涂層超聲波測厚儀。