电磁超声换能器(EMAT)的应用技术研究

　　0 引言

　　在无损检测技术中，超声无损检测占据着重要的地位。作为无损检测技术的一支新军，EMA技术以及无耦合特性代表了超声检测的发展方向。特别是进入21世纪后，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逐步发展到焊缝检测、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。

　　1 电磁超声换能器的基本原理

　　EMA技术的核心是电磁超声换能器(Elec-tromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)。E-MAT是一种新型超声发射接收装置。该器件与传统的压电超声换能器的本质区别在于其发射接收方式不同。压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应来发射和接收超声波，其能量转换是在晶片上进行的，它是可将机械能与电能相互转换的一种装置。这种装置在检测中有诸多的局限性，如需要耦合介质、接触检测等等。而EMAT则是靠电磁效应发射和接收超声波，其能量转换是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的，所以不需要与工件接触并且不需要任何耦合介质。

　　EMAT根据使用目的的不同可以有多种形式，但其中主要组成部分只有三个：一是用来提供外加磁场的永久磁铁或电磁铁，二是用于产生高频激发磁场高频线圈，三是检测对象，也是EMAT不可缺少的一部分。图1所示是EMAT的基本结构原理图。

　　当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时，将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，从而形成超声波波源。而接收超声波时，就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，这就是EMAT的基本原理。

　　2 电磁超声换能器的波模

　　产生电磁超声的基本要素是磁场和涡流，接收超声信号的要素是磁场和工件表面的微观粒子的振动。因此， 在产生磁场的电磁铁和产生涡流的线圈的不同组合形式下，电磁超声换能器可以产生纵波、横波、瑞利波和Lamb波等。实际上，外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁超声换能器产生的波模的类型。

　　2.1 纵波

　　当涡流线圈贴于工件表面，并将磁铁如图2所示放置时，工件内的磁力线平行于工件表面。这样，当线圈内通过高频电流时，将在工件表面感应出涡流，且涡流平面与磁力线平行，同时，在磁场作用下，涡流上将受一个力的作用。其某一时刻的方向如图2所示，方向向上，此后，在半个周期后又将受到一个向下的力，这样，质点受交变力的作用， 在作用力方向上将产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致，因而此波为超声纵波。