电磁超声传感器机理的理论分析

　　1　电磁超声检测时铁磁性材料中质点的受力情况

　　在用电磁超声检测铁磁性材料过程中,工件上方的传感器曲折线圈中通以交变电流,其表面在交变磁场作用下感生涡流,在另一恒定磁场作用下,构成涡 流回路的质点受到洛仑兹力作用,曲折线圈的输入电流频率为500~1 000 kHz,因此材料中产生的波为超声波。同时有磁致伸缩力作用。

　　如果交变电流是随时间变化的正弦函数,质点受到的洛仑兹力FL也是时间的正弦函数。由于磁场恒定,磁致伸缩力FM也是恒定的。则质点受到的合外力如图1所示,其矢量表达式为

　　F=FL+FM(1)

　　电磁超声传感器在铁磁性材料内产生超声波的

　　原理如图2所示。图中λ为相邻同相线圈的间距,B为铁磁性材料的磁感应强度。

　　2　洛仑兹力产生的分子振动幅值的确定

　　在洛仑兹力作用下,分子振动的幅值为^[1,2]

　　式中　ξ———由洛仑兹力产生的分子振动的幅值,m

　　μr———磁介质的相对磁导率

　　I_^lion———曲折线圈的最大通电电流,A

　　a———曲折线圈与铁磁性材料的距离,m

　　ρ———铁磁性材料的密度,kg/m³

　　S———剪切波波速,m/s

　　ω———曲折线圈通电电流的角频率,rad/s

　　q———声波数

　　δ———集肤层深度,m

　　Bx———外磁场对铁磁性材料产生的水平方向的磁感应强度,T简化为

　　式中k1为系数。

　　3　磁致伸缩产生的分子振动幅值的确定

　　为得出磁致伸缩产生的幅值(形变),采用试验方法测定铁磁性材料的磁致伸缩量。

　　3.1　试验系统构成

　　测量磁致伸缩参数的方法有干涉仪法、光杠杆和机械杠杆联合使用法及形变电阻法^[3]。形变电阻磁致伸缩参数测量装置是由 单片计算机作主控单元,集电磁铁电源和特斯拉计于一体的智能化测量仪器,其原理框图见图3。它通过标准RS22322C接口受计算机的控制和管理,将测试 数据传送给计算机处理,应变仪的模拟输出与数字电压表相连,从而可得到磁致伸缩量与磁场的关系曲线,并可记录特斯拉计和电压表的读数。磁致伸缩量的分辨率 由应变仪决定,由四位半数字显示。

　　笔者对30CrMo无缝钢管进行测量,得到的磁致伸缩曲线如图4所示。北京科技大学金属材料国家重点实验室对其进行了B-H试验,得到的试验曲线如图5所示,磁化强度的单位emu/g称为电磁单位每克^[4]。由下式得到30CrMo磁化曲线离散点的计算结果(表1)