电磁声裂纹检测虚拟仪器系统的研究

　　现代工业自动化程度的提高, 迫切需要一种技术可以针对原材料和生产过程中半成品的质量和安全性进行在线自动无损检测, 以提高检验速度和减少人为因素的影响, 确保产品质量. 目前, 无损检测的常用方法有: 磁粉法、渗透法、射线法、电涡流检测法、超声波检测法和近年来逐步成为实用技术的声发射法, 电磁超声和激光全息摄影检测等方法. 其中, 针对裂纹检测这一领域, 电磁声技术凭借其环境适应能力强、环保、扫查速度快、兼有电涡流的非接触性和超声波灵敏度高、穿透力强等优点, 逐步受到重视并很快成为研究热点[ 1] .

　　1 电磁声的发射和接收原理

　　电磁超声波就是通过电磁耦合产生的超声波,它的产生和接收利用的是电磁感应原理.

　　如果在金属表面放置一个通有交变电流的线圈( 发射线圈) , 那么这个线圈会产生一个交变磁场, 而金属表面相当于一个整体导电回路, 在交变磁场的作用下, 金属表面将感应出电流, 即涡流, 涡流的变化频率同线圈中电流的变化频率相一致. 此时如果在外界再施加一个偏置磁场, 涡流在这个固定磁场中会受到洛仑兹力的作用, 而金属介质在交变的洛仑兹力的作用下将产生应力波, 频率在超声波范围内的应力波即为超声波[ 2] .

　　与此相反, 由于此效应呈现可逆性, 返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈( 接收线圈) 两端的电压发生变化, 因此可以通过接收装置进行接收并放大显示. 我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声. 如图1 所示, 外加偏置磁场B 的方向若平行于工件表面, 则洛仑兹力F 垂直于表面, 其结果是产生沿z 轴方向传播的纵波和沿x 轴两个方向传播的表面波. 磁场B 的方向若垂直于工件表面, 沿z 轴方向传播的则为横波, 沿x 轴方向掠过界面的纵波退化为表面波[ 3] . 图中的K为波长, D为涡流透入深度, H x 为外磁场强度矢量, Jy 为涡流密度矢量.

　　产生磁场的磁铁和产生涡流的感应线圈的不同组合形式可以产生不同方向的洛仑兹力, 从而形成不同型式的超声波, 可以形成纵波、横波( 包括SV 波、SH 波) 、表面波、板波、棒波、管波等. 本系统选择块状永磁铁和折线形线圈的组合来发射和接收表面波, 图2 即为设计制作完成的电磁声换能器的结构图.

　　2 硬件电路原理

　　所研制的电磁声探伤系统的电路原理如图3. 首先, 由低频多谐振荡器产生一定占空比的脉冲, 由高频多谐振荡器产生占空比为50%的高频脉冲, 这两个信号经相位控制电路将二者相位差锁定, 再经逻辑控制电路, 产生两列幅值相等, 占空比皆为0. 3%, 频率相等, 相位相反的脉冲串, 由功率放大电路放大后使之达到所需要的输出功率, 成为图中所示的两列波a 和b. 再经匹配网络耦合至发射探头, 从而按电磁声转换机理在工件表层产生超声波. 当脉冲串a 为高电平, b 为低电平时, 电磁声传感器的发射线圈中电流为正向; 当脉冲串a 为低电平, b 为高电平时, 电磁声传感器的发射线圈中电流则为反向. 接收探头将端部或裂纹反射的超声波拾取出来, 经接收电路放大后,由数据采集电路将其送入计算机显示.