電磁超聲檢測

電磁超聲(Electromagnetic Acoustic Transducer,以下簡稱EMAT)，是無損檢測領域出現的新技術，該技術利用電磁耦合方法激勵和接收超音波。與傳統的超聲檢測技術相比，它具有精度高、不需要耦合劑、非接觸、適於高溫檢測以及容易激發各種超音波形等優點。在工業套用中，電磁超聲正越來越受到人們的關注和重視。

基本介紹

• 中文名：電磁超聲檢測
• 外文名：Electromagnetic Acoustic Transducer
• 所屬學科：工學
• 套用領域：石油化工、核工業、機械、航空

工作原理

超音波是頻率高於20000Hz的機械波，由於超音波頻率高、波長短，因此具有良好的方向性和穿透能力，且由於超音波能量大，方便檢測，因此可以用來實現無損檢測。具體工過程分為以下幾個過程：

1. 聲源產生超音波，採用一定的方式使超音波進入試件；
2. 超音波在試件中傳播並與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特徵被改變；
3. 改變後的超音波通過檢測設備被接收，並可對其進行處理和分析；
4. 根據接收的超音波的特徵，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。

一般來說，為保證充分的聲耦合，在檢測時需要有耦合劑（機油或水等）填充檢測探頭和被檢查表面之間的空隙。

產生機理

處於交變磁場中的金屬導體，其內部將產生渦流，同時由於任何不平行磁場的電流在磁場中受到洛倫茲力的作用，而金屬介質在交變應力的作用下將產生應力波，頻率在超音波範圍內的應力波即為超音波。與此相反，由於此效應呈現可逆性，返回聲壓使質點的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發生變化，因此可以通過接收裝置進行接收並放大顯示。我們把用這種方法激發和接收的超音波稱為電磁超聲。在上述方法中，換能器已經不單單是通交變電流的渦流線圈以及外部固定磁場的組合體，金屬表面也是換能器的一個重要組成部分，電和聲的轉換是靠金屬表面來完成的。電磁超聲只能在導電介質上產生，因此電磁超聲只能在導電介質上獲得套用。

基本結構

電磁超聲檢測裝置主要由高頻線圈、外加磁場、試件本身三部分組成，電磁超聲基本結構值得一提的是，產生電磁超聲的有兩種效應，洛倫茲力效應和磁致伸縮效應。高頻線圈通以高頻激勵電流時就會在試件表面形成感應渦流，感應渦流在外加磁場的作用下會受到洛倫茲力的作用產生電磁超聲；同樣，強大的脈衝電流會向外輻射一個脈衝磁場，脈衝磁場和外加磁場的複合作用會產生磁致伸縮效應，磁致伸縮力的作用也會產生不同波形的電磁超聲。洛倫茲力和磁致伸縮力兩種效應具體是哪種在起著主要作用，主要是由外加磁場的大小、激勵電流的頻率決定。

優勢缺點

電磁超聲的優點

相對於常規超音波檢測，電磁超聲具有以下優點：

1. 非接觸檢測，不需要耦合劑，可透過包覆層等。EMAT的能量轉換，是在工件表面的趨膚層內直接進行得。因而可將趨膚層看成是壓電晶片，由於趨膚層是工件的表面層，所以EMAT產生的超音波不需要任何耦合介質。
2. 產生波形形式多樣，適合做表面缺陷檢測。EMAT在檢測的過程中，在滿足一定的激發條件時，會產生表面波、SH波和Lamb波。如果改變激勵電信號頻率滿足一定公式，則聲波能以任何輻射角θ向工件內部傾斜輻射。即在其它條件不變的前提下，只要改變電信號頻率，就可以改變聲的輻射角，這是EMAT的又一特點。由於這一特點的存在，可以在不變更換能器的情況下，實現波形模式的自由選擇。
3. 適合高溫檢測。隨著國家在能源、動力企業的投入和發展，各種高溫壓力管道逐漸增多。作為特種設備的壓力管道，一旦出現事故，損失將非常嚴重。對此，國家有相關政策法規強制檢測，以實現最小的事故發生率。這就使得高溫壓力管道檢測成為一個急需解決的問題。而電磁超聲正是解決這個問題的最好選擇。電磁超聲相對於常規超聲一個最大的優點就是其非接觸性。熱體在空間輻射的溫度場是按指數衰減的，探頭離檢測試件表面每提離一段距離，其探頭環境溫度就有顯著的下降，所以，電磁超聲可以用於高溫管道檢測。
4. 對被探工件表面質量要求不高。EMAT不需要與聲波在其中傳播的材料接觸,就可向其發射和接收返回的超音波。因此對被探工件表面不要求特殊清理,較粗糙表面也可直接探傷。
5. 檢測速度快。傳統的壓電超聲的檢測速度，一般都在10米/分鐘左右，而EMAT可達到40米/分鐘，甚至更快。
6. 聲波傳播距離遠。EMAT在鋼管或鋼棒中激發的超音波，可以繞工件傳播幾周。在進行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時，探頭與工件都不用旋轉，使探傷設備的機械結構相對簡單。
7. 所用通道與探頭數量少。在實現同樣功能的前提下，EMAT探傷設備所用的通道數和探頭數都少於壓電超聲。特別在板材EMAT探傷設備上就更為明顯，壓電超聲要進行板面的探傷需要幾十個通道及探頭，而EMAT則只需要四個通道及相應數量的探頭就可以了。
8. 發現自然缺陷的能力強EMAT對於鋼管表面存在的摺疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準確發現。

電磁超聲的缺點

1. 它的換能效率要比傳統壓電換能器低20-40dB。當然，這個缺點可以用精心設計與製造電子發射機與接收機、換能器來彌補。
2. 高頻線圈與工件間隙不能太大。線圈從工件表面每提高一個繞線波長的距離，聲信號幅度就要下降107dB和96dB。

套用領域

電磁超聲的工業套用電磁超聲的工業套用很多：可以套用於測厚，探傷，材料晶格結構檢測，材料應力檢測等。

1. EMAT測厚。電磁超聲測厚是電磁超聲檢測技術工業套用的一個重要方面。可用於測厚的超音波有體波和SV波。通過檢測超音波在試件中傳播時延就可以折算出檢測試件的厚度。傳統壓電探頭的測厚精度易受耦合介質的影響，故EMAT在此方面尤其獨特優點。EMAT測厚的關鍵是波模純、聲束窄、脈衝窄（但要有足夠的幅度）及消除工件電、磁、聲性能的變化對測量的影響。由於EMAT採用垂直入射的橫波，故縱向分辨力要比壓電換能器高出一倍。在這方面的典型套用是無縫鋼管的檢測。在冶金工業中無縫鋼管是由鋼錠控制成形的，因此鋼管壁厚的均勻程度是評定鋼管質量的重要指標。傳統的檢測方法是利用尺規測量鋼管的頭尾尺寸，因無法得知中間部分的數據，所以無法有效控制產品的質量。套用電磁超聲技術，通過測量鋼管上不同位置的壁厚，得知其壁厚的均勻程度，從而為控制產品質量提供了一種可靠的檢測手段。
2. 金屬探傷。金屬探傷是無損檢測領域中一個重要組成部分。電磁超聲技術通過觀察缺陷的回波與物體底面的回波來確定物體中缺陷的位置和大小。套用電磁超聲的原理在被測物體(導體)中激發超音波。此超音波就在被測物體中傳播，當遇到聲阻抗不同的物體時發生反射，利用渦流線圈來接收這個反射波，通過計量此超音波在物體中的傳播時間，就可以計算出被測物體的厚度值及缺陷所在位置。國內最早將電磁超聲用於金屬探傷研究的是北京鋼鐵研究總院的張廣純等。他們通過發射機發射出大功率脈衝信號，在厚度為18mm的鋼板中產生Lamb波檢測缺陷。發射機功率＞50kW。為消除檢測的盲區，該技術採用了兩個線圈同時進行檢測。航天工業總公司第二研究院研製了一套熱鋼板線上自動化電磁超聲探傷系統。系統採用電磁超聲換能器在鋼板中激發出體波，數十個探頭同時在鋼板上探傷。可對500℃以下的鋼板進行線上檢測，可確定缺陷的類別、大小及位置，測量鋼板厚度可達40mm。