电磁超声检测技术国网河北电科院牛晓光

电磁超声检测技术国网河北电科院牛晓光 EMAT Electric Magnet Acoutic test

电磁超声检测技术 1 电磁超声的基本原理 2 电磁超声机理的研究 3 电磁超声数学模型的建立 4 电磁超声的数值模拟一、电磁铁表态磁场的仿真二、脉冲涡流的分布三、洛仑兹力的分布四、在洛仑兹力作用下超声的产生和在介质中的传播五、EMAT接线器对电磁超声的检测 5 EMAT探头的设计一、线圈的设计 Lamb波、纵波、横波、表面波二、线圈制作三、磁铁的设计与制作 6 EMAT电路系统 7 应用实例：一、探伤，二、测厚，三、非接触应力测量 8 研究展望

1 、电磁超声的基本原理

1、处于交变磁场的金属导体，其内部将产生涡流（右手定则）1、处于交变磁场的金属导体，其内部将产生涡流（右手定则）

2、同时任何电流在磁场中都受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波（左手定则）2、同时任何电流在磁场中都受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波（左手定则）

3、返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示（右手定则）3、返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示（右手定则）

1 电磁超声检测技术-基本原理

1 电磁超声检测技术-基本原理 处于交变磁场的金属导体，其内部将产生涡流；同时任何电流在磁场中都受到力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。如果把表面放有交变电流的金属导体放在一个固定的磁场内，则在金属的涡流透入深度σ内的质点将承受交变力。该力使透入深度σ内的质点产生振动，致使在金属中产生超声波。与此相反，由于此效应呈现可逆性。返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在这种方法中，换能器己不单单是通用交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。

电磁超声检测技术 电磁超声检测的特点： (1)电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质，所以不需要油、水之类的耦合剂； (2)通过改变磁铁的结构和形状，改变信号发射和接收线圈的排列方式，就可以分别产生纵波、横波和表面波等不同模式的波，特别是SH波； (3)可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测，因而可减轻工作量，节约能源。EMAT甚至能检测750℃的高温物体，常规超声无法做到； (4)由于不需要耦合剂，不存在接触压力变化问题，探伤灵敏变稳定； (5)不能用于非金属检测。

1 电磁超声检测技术-基本原理 涡流线圈贴于金属表面，磁铁如图放置，此时金属内的磁力线平行干金属表面。当线圈内通过高频电流时，将在金属表面感应出涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场作用下，涡流上将受一个力的作用。某一时刻的方向如图所示方向向上，半个周期后将受一个向下的力，这样，质点受交变力的作用，因此在作用力方向上产生一个弹性波。由干振动方向和波的传播方向一致，此波为超声纵波。纵波的激发和接收

1 电磁超声检测技术-基本原理 磁力线垂直于金属表面，当贴附于金属表面的涡流线圈通以交变电流时。将在金属表面感应出涡流，在外磁场作用下，涡流受力方向平行于金属表面。某一时刻的方向如图所示。方向向右，半个周期后质点将受一个向左的力。这样，质点在交变力的作用下产生一个与作用力方向相垂直的弹性波。横波的激发和接收

空气非铁磁性导电体或 2 电磁超声检测技术-机理研究 1 基本机理-非铁磁性导电体渗透深度电涡流密度洛仑兹力密度

2 电磁超声检测技术-机理研究 1 基本机理-铁磁性导体洛仑兹力磁致伸缩力磁性力

2 电磁超声检测技术-机理研究 1 基本机理-铁磁性导体 (1)径向偏振剪切波束螺线形EMAT，产生垂直于表面法向传播的径向剪切波，如图5(a)所示。 (2)纵向剪切偏振波束切向场EMAT，激励沿表面法向传播的平面偏振纵波，如图5(b)所示。 (3)平面剪切偏振波束法向场EMAT，激励沿表面法向传播的平面偏振剪切波，如图5(c)所示。 (4)纵向或垂直偏振剪切波束曲折线圈EMAT，激励斜向纵波或垂直偏振剪切波，瑞利波或制导模式板波，如图5(d)所示。 (5)以倾斜角传播的水平偏振剪切波速束间歇式永久磁铁EMAT，激励斜向传播，水平偏振剪切波或制导型水平偏振剪切波波，如图5(e)所示。

2 电磁超声检测技术-机理研究 2 电磁超声的等效模型在发射端，信号中的电缆中的电压、电流分别为当探头阻抗与线缆阻抗相匹配时在接头端电压透射系数

根据机电互易关系，若 为无缺陷时透压系数，为有缺陷时电压透射系数，则若缺陷是一个裂纹，由于材料表面应力的消失，可采取更简洁的形式，若裂纹的开口无限小，可选择恰好包含该裂纹，则有 2 电磁超声检测技术-机理研究 P为信号发生器的电功率

2 电磁超声检测技术-机理研究 ( 当忽略电路的串扰时，可采用时间门槛技术去除。在脉冲反射测量中，可采用相位技术去除由此可得：

2 电磁超声检测技术-机理研究

3 电磁超声检测技术-数学模型 1基本方程在EMAT系统中，检测材料(铁磁材料或非铁磁材料)被一个静态磁场和一个动态磁场所磁化。动态磁场的频率很高，幅值很小麦克斯韦方程组的微分形式

3 电磁超声检测技术-数学模型 在电磁超声换能器中，对于实际线圈阵列的典型激发电流频率很少超过几兆赫兹，因而对于时间的求导项可以忽略，同时假设没有体电荷密度存在。则式子(6-3)和(6-5)可以简化为: 根据电磁超声换能器理论，多个动态场之间的耦合关系可以由下面的连续方程描述

3 电磁超声检测技术-数学模型 磁致伸缩场矢量其中，e3x6和S6x1分别是磁致伸缩矩阵和由超声波导致的应变列矩阵。磁致伸缩矩阵应变列矩阵动态磁通密度

3 电磁超声检测技术-数学模型 将公式(6-9)的两边同取旋度符号将式子(6-2)两边去除旋度操作符后可以得到其中，Es为一个未知的常量。将(6-17)带入(6-8)中可以得到

3 电磁超声检测技术-数学模型 涡电流密度洛仑兹力电流密度磁化电流密度磁致伸缩电流密度磁致伸缩场强度矢量考虑EMAT的二维模型，则

3 电磁超声检测技术-数学模型 2激发过程模式方程在激发模式中，动态磁场是由工件上放置的载流线圈产生的。这一电流在EMAT线圈导体中提供源电流密度Jsz,。前面曾提及在式子(6-8)和(6-9)中涉及u和S的项相对于其他项很小，仅在接收模式中考虑。由于JLz，JMz，JMz含有u和S，这些电流密度相对于其他项很小，可以忽略。源电流密度Jsz可以用第k个导体的整个电流ik(t)和Az表示将(6-27)带入(6-26)中，可以得到下面的微积分方程

3 电磁超声检测技术-数学模型 根据牛顿定律对于各向异性固体的非均匀弹性波方程，电动力密度可以得出总力密度可以分解表面牵引力密度和体力密度体力密度可以分解成

3 电磁超声检测技术-数学模型

3 电磁超声检测技术-数学模型 将式子(6-40)的带入(6-31)可以得到将式子(6-30)带入(6-41)得电磁超声换能器激发模式位移矢量的求解方程。

3 电磁超声检测技术-数学模型 3接收过程模式方程在接收模式中，声波在静态磁场的作用下会产生一个动态的磁场。这个动态的磁场会在工件上放置的开环提取线圈中感应出一个电压。由于提取线圈都是开环的，因而线圈导体中的总电流ik(t)应为零。则式子(6-27)可以简化为结合式子(6-26)和(6-43)可以得到根据法拉第定律和斯托克定理求解提取线圈中的感应电压

4 电磁超声检测技术-数值模拟 1建立模型在激励线圈中根据公式(6-29)通以激励电流，设有窗的声脉冲信号包含有5个周期，信号的幅值为100安培，信号的频率为500kHz

4 电磁超声检测技术-数值模拟 瞬态激励电流

4 电磁超声检测技术-数值模拟 2电涡流的趋肤效应

4 电磁超声检测技术-数值模拟 3电涡流分布的影响因素分析

4 电磁超声检测技术-数值模拟

4 电磁超声检测技术-数值模拟 4 EMAT超声激发的数学仿真

4 电磁超声检测技术-数值模拟 感应电涡流受到静磁场的作用，根据公式(6-49)受到了x方向的洛仑兹力计算得到的洛仑兹力在时间和空间的分布即作为弹性动力，在被测件中激发出超声。根据惠更斯原理，对于各向同性的固体，位于被测件表面离散辐射点源所产生的体波场的辐射角由下式计算。

4 电磁超声检测技术-数值模拟 5 EMAT超声接收的数学仿真 EMAT物理原理上是一个可逆的换能器，当有超声回波经过EMAT下方的被测导体时，超声波促使金属晶格振动，这种振动与偏置磁场相互作用感生出电涡流场，或者由于逆磁致伸缩效应将在金属外界的空气中产生矢量磁位，这一矢量磁位在接收线圈上产生瞬变电压或电流，EMAT就是根据接收到的感生电压或电流信号来探测超声回波的。

5 电磁超声检测技术-探头设计 1 线圈的设计

5 电磁超声检测技术-探头设计

5 电磁超声检测技术-探头设计 2 线圈制作

5 电磁超声检测技术-探头设计 3 磁铁的设计与制作

6 电磁超声检测技术-电路设计

电磁超声检测技术-应用

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