电磁超声(EMA)技术的发展与应用

　　1　电磁超声(EMA)技术在国内外的发展

　　无损检测技术的发展已历经一个世纪,其重要性在全世界已得到公认。作为无损检测技术的一支新军,EMA技术也越来越受到人们的青睐,它代表了超声检测的发展方向(无耦合),这一点在2000年第15届世界无损检测会议上得到了充分肯定。EMA技术在国际上是从60年代末开始崛起的,70年代中后期开始迅速发展,英、美、俄、德、日都相继进行了声波的EMA理论与实验,从而大大扩展了EMA技术革新的应用范围,70年代末西德Hosch钢厂研制出高分辨率的用于中厚板内部探伤及螺旋弹簧内部探伤的仪器设备,与此同时德国无损检测研究所也成功地研制并转产了火车轮动态EMA探伤装置。而80年代初,英国、日本也先后研制成功了高温EMA探伤及测厚装置,进入21世纪,经过了近50年的不懈努力,EMA技术已逐步进入了工业应用阶段。其应用领域从最初的中厚板、火车轮检测及高温测厚,发展到焊缝检测、钢棒检测、钢管检测、铁路钢轨检测、复合材料检测等众多领域。

　　我国EMA技术的研究,始于70年代。主要代表是冶金钢铁研究总院张广纯教授等,经过30几年的深入研究与不断完善,从理论研究的水平看,与国际的EMA技术研究基本同步,而在实际应用方面的某些领域,与国外尚存在一定差距。但在钢管管体及管端的自动化探伤方面我们则走在了国际前列。

　　2　EMA技术的基本原理和主要特点

　　EMA与传统的压电超声同属于超声范畴,其本质区别就在于换能器不同,即发射接收方式不同,压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超声波的,其能量转换是在晶片上进行的。而EMAT则是靠电磁效应发射和接收超声波的。其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的,所以它不需要任何耦合介质。由此可见,要了解EMA技术,首先就要掌握EMAT的基本原理。EMAT的物理结构如图1所示由三部分组成。

　　高频线圈:用于产生高频激发磁场。磁铁:用来提供外加磁场,可以是永久磁铁或直流电磁铁,也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁。工件:检测对象,是EMAT的一部分。(简称EMAT三要素)但工件的材质必须具有导电性或铁磁性,或导电性和铁磁性都具有。EMAT作为一种超声发生器,其基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时,它要在工件的趋肤层内产生涡流(或感应磁场,相当于电动机的转子)此涡流在外加磁场(相当于电机定子磁场)的作用下,会像电动机那样受到机械力作用而产生高频振动,形成超声波波源。接收超声波时,如同发电机转子在定子磁场中旋转,会在转子中产生感应电流一样,工件表面的振荡也会在外加磁场力的作用下,在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。因此,存在于上述机制中的这些相互作用就构成了检测全过程。图2给出了激发EMAT的各种机制(力)以及它们的方向。