电磁声换能器的设计与应用

　　换能器是将一种形式的能量与另一种形式的能量相互转换的装置。在常规超声波检测中所用的换能器是一种压电材料做成的压电晶体,它是将机械能与电能相互转换的装置。然而,常规超声波检测在检测中有诸多的局限性,如需要耦合介质、接触检测等等。电磁声换能器(Elector-magnetic AcousticTransducer-EMAT)是一种新型的超声发射接收装置。它具有非接触检测、不需要耦合介质、可应用于自动、高速检测、远距离危险环境下的检测、高温状态的检测等特点。因此,研究电磁声换能器对于实际检测工作具有十分重大的意义。

　　1　EMAT的基本原理

　　如图1所示,洛仑兹力(Lorentz)式EMAT基本原理:通有高频电流的线圈放置在金属物体附近,金属物体表层产生感生电流,若在同一时间施加一强磁场,与涡流相互作用后产生交变洛仑兹力。金属原子在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动,当振动以一定方式传播出去就可以产生超声波。该过程的逆效应过程就是利用EMAT接收超声的原理。通过改变外加偏转磁场的大小和方向、高频电流的大小和频率、线圈的形状和尺寸可以控制EMAT产生超声的类型、强弱、频率及传播方向等参数。

　　2　EMAT的设计

　　2.1　EMAT线圈的设计

　　EMAT线圈设计的原则:首先,提高线圈的转换效率;其次,产生在金属导体中沿一定方向传播的超声波或沿金属表面传播的表面波或板波。因此,EMAT线圈的设计可采用直导线、折回线圈、螺旋状线圈、“回”形线圈和“吕”形线圈等,具体采用什么形状的线圈主要取决于需要产生什么形式的超声波。

　　整体检测就是应用体波对试样的整体进行检测。图2所示是设计能产生体波的各种EMAT线圈/磁场的外形,工作方式同传统的超声波检测一样既可以是脉冲反射式也可以是一收一发式,由一个射频(RF)脉冲来提供线圈激励,磁感应或平行或垂直于被检试样表面,这主要由产生的波形来决定。

　　2.2　EMAT磁铁的设计

　　EMAT磁铁设计的原则:首先,能产生高强度磁场;其次,使EMAT的设计结构变得紧凑。因此,EMAT磁铁的设计为了在介质表面和近表面形成强偏转磁场,需要采用高强磁铁。既可采用永磁铁又可采用电磁铁。采用永磁铁的优点是磁铁体积小,可使整个EMAT换能器的设计变得结构紧凑。一般采用永磁铁形式有柱状、马蹄形和磁铁对等,也可采用永磁铁组来提供偏转磁场。[2]

　　3　EMAT线圈的激励

　　需要一个大功率、特殊的射频(RF)发生器来为线圈提供激励。如果该特殊EMAT线圈是回折式的,射频(RF)脉冲就激励为若干周期的纯正弦波脉冲。如果应用螺旋形线圈,就要求大功率敲击脉冲或短周期的纯正弦波脉冲。