电磁声无损检测技术

中国特种设备检测研究院ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute电磁声无损检测技术ElectromagneticAcousticNon-destructiveTesting报告人郑阳时间2013年9月13日中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute内容提纲概述1研究与挑战2理论模型与求解3仪器系统及传感器4典型工业应用与前景5目前开展的研究6中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute内容提纲概述1研究与挑战2理论模型与求解3仪器系统及传感器4典型工业应用与前景5目前开展的研究6中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——1.电磁声检测电磁超声传感器（EMAT,ElectromagneticAcousticTransducer）是一种通过将电磁能转化为超声波的换能器。它是一种与压电传感器并列的超声波激励接收换能器。电磁声？电磁超声？电磁导波？中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——1.电磁声检测中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——2.基本原理MotorGenerator激励过程接收过程磁铁线圈涡流电磁场固置磁场洛仑兹力磁致伸缩力（铁磁性）磁化力（铁磁性）加载瞬态交变信号中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——3.可产生的超声波模式AnglebeamshearwaveSurfaceWaveGuidedWaveinpipeorrodsLambWave(especiallysuitableforsymmetricmode)SHguidedWave中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——4.主要优点压电传感器需斜入射经波型转换后形成SV波；EMAT无需波型转换，可在结构中直接产生横波（SV/SH）。压电传感器需斜入射产生Lamb波，难产生对称模态，难产生单一模态；EMAT特别容易产生单一对称模态Lamb波。可产生独特的波模式中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——4.主要优点EMAT检测无需耦合剂指标压电传感器EMAT重复测量稳定性一般好阵列检测时传感器一致性难易保证很好保证非接触式测量无法（空气耦合探头除外）可以检测时打磨材料表面需要无需高温检测难（常规探头小于60ºC，高温探头一般小于300ºC）可大于300ºC中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——5.存在问题目前存在的主要问题转换效率相比压电较低•需要宽带、大功率、线性的激励电路•需要大增益、高信噪比的采集电路•需要对传感器的激励、接收性能做大量优化设计理论尚不完备•是一个多场耦合的问题•对详细作用机制认识尚不完全中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute概述——6.可执行的检测对于导体材料，几乎所有采用压电传感器执行的超声检测，均可采用EMAT传感器作为执行传感器。如：测厚由于EMAT自身的特点具有优势的应用场合，如：隔防锈漆层进行测量A型脉冲探伤斜入射探射TOFD检测相控阵检测板波检测管道导波检测管、板自动化在线检测高温检测宜于产生约10º~80º的SV斜入射声束，特别适用于奥氏体焊缝等粗晶材料检测采用单一S0或SH0模态的板或管检测中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute内容提纲概述1研究与挑战2理论模型与求解3仪器系统及传感器4典型工业应用与前景5目前开展的研究6中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute研究与挑战——1.研究关于EMAT应用于无损检测的最早文献R.H.Randall,F.C.RoseandC.Zener,PhysicalReview,56,p.343,(1939).关于EMAT应用于超声无损检测的最早的专利J.R.Houck,etal,UltrasonicTransducer,Patent3,460,063,Aug.9,1969.J.R.Houcketal,NDTofConductiveObjectsPatent3,583,213,June8,1971.CornellUniversity北京钢铁研究院探伤组.电磁声探伤实验.物理学报(1977).中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute研究与挑战——1.研究关于EMAT的早期应用管道猪火车钢轨检测无缝钢管检测钢板生产线中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute研究与挑战——1.研究EMAT研究SCI论文时间分布（1976-2012）主要研究内容多场耦合模型及电磁声作用机理1系统方程的有限元及解析求解2仪器系统的设计与开发3传感器的设计与开发4测量系统的电学模型5激励接收性能的优化6检测影响因素分析7应用研究8中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute研究与挑战——2.挑战提高EMAT的转换效率•激励、接收性能优化•大功率激励电路的实现•大增益高信噪比的前置放大器理论模型的完备•更多材料作用机理的认识•多场耦合模型的完整求解工业应用与推广•检测标准化•检测的适用性设计GB20935.1-2007-T金属材料电磁超声检验方法第1部分：电磁超声换能器指南GBT20935.2-2009金属材料电磁超声检验方法第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法GB20935.3-2009-T金属材料电磁超声检验方法第3部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute内容提纲概述1研究与挑战2理论模型与求解3仪器系统及传感器4典型工业应用与前景5目前开展的研究6中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute理论模型与求解——1.理论模型多场耦合模型磁铁固置磁场线圈声场边界条件体力1、由线圈及固置磁场求解材料内部的电磁场Maxwell方程tDHJtBE（安培定律）（法拉弟定律）欧姆定律JE本构关系0BHM激励过程2、由电磁场求解材料内部的体力洛仑兹力磁力磁致伸缩力0LefJB*()MfMH铁磁性材料Sf中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute理论模型与求解——1.理论模型3、由体力求解产生的声场22ijiijuftx接收过程1、由固体中的弹性波在固定磁场中产生产生电磁场0()tuJEB对于铁磁性材料，考虑逆磁致伸缩效应。2、振动表面边界条件求解出空气中的电磁场3、求解线圈处的电磁场3000000()()()'()VVVVutnEEBBnHHnHH中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute理论模型与求解——2.求解有限元方法纵波横波表面波中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute理论模型与求解——3.电学模型简易等效电路模型-Jian,X.,S.Dixon,etal.(2006).CouplingmechanismofanEMAT.Ultrasonics44:E653-E656.-Jian,X.,S.Dixon,etal.(2006).Couplingmechanismofelectromagneticacousticaltransducersforultrasonicgeneration.JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica119(5):2693-2701.-Jian,X.,S.Dixon,etal.(2006).AmodelforpulsedRayleighwaveandoptimalEMATdesign.SensorsandActuatorsA:Physical128(2):296-304.中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute内容提纲概述1研究与挑战2理论模型与求解3仪器系统及传感器4典型工业应用与前景5目前开展的研究6中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute仪器系统与传感器——1.仪器系统上位机控制分析软件任意函数产生模块功率放大模块多通道自动切换模块多通前置放大器多通道数据采集模块EMAT阵列双工器双工器中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute仪器系统与传感器——2.传感器超声波传感器环形线圈蝶形线圈蛇形线圈•弧形线圈•立体线圈中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute仪器系统与传感器——2.传感器S0模态传感器50100150200250300-100-95-90-85-80-75-70-65频率(kHz)dB离面位移测量的A0模态频率响应曲线面内位移测量的S0模态频率响应曲线00.050.10.150.2-5051015202530354045Time(ms)Voltage(V)00.050.10.150.2-2024681012141618Time(ms)Voltage(V)-郑阳等.超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性.机械工程学报.2013,49(4):6-12.-郑阳等.采用超声导波阵列技术研究板类结构大面积检测.声学学报.2013,38(1):72-79.-何存富，郑阳等.基于激光测振仪的Lamb波离面和面内位移检测研究．机械工程学报，2012，48(8)：6-11．中国特种设备检测研究院|无损检测技术中心ChinaSpecialEquipmentInspection&ResearchInstitute仪器系统与传感器——2.传感器SH0模态EMATS.H.Cho,etal.,