基于Halbach原理的电磁超声换能器永磁铁设计*

唐东林,侯 军

(西南石油大学 机电工程学院,成都 610500)

在现代工业发展中,无损检测[1]NDT(nondestructive testing)的地位显得越来越重要。盛行的无损检测方法包括超声波检测、射线检测、漏磁检测、涡流检测和渗透检测。其中压电式超声波检测[2]PET(Piezoelectric Transducer)由于其方向性好、穿透能力强、能量高、对人体无伤害等优点被广泛应用在金属材料的厚度测量、缺陷检测等领域。PET是由电压激励压电陶瓷或压电晶体产生超声波,此波作用于被检测材料并发生反射,并通过接收处理回波信号来实现测厚。PET的优点是检测效率高,操作方便,探头体积小,然而,它最大的缺点是必须使用声耦合剂,这就限制了它在一些恶劣检测环境(如高温、高速、腐蚀环境)中的应用。由于EMAT具有无需声耦合剂、试件不需要进行检测前处理、波形转换灵活等优点,因此EMAT具有更广阔的应用前景[3-5],但是和PET相比,EMAT的低信噪比限制了它在工业领域的应用[6],因此研究如何提高其信噪比是研究的重点。

国内外学者对如何提高EMAT转换效率做了大量研究。张闯等用最大电流幅值为2 600 A的电流去激发电磁超声的发射试验,得出了电磁超声发射信号的幅值、能量及频谱特征随加载电流的幅值、脉冲宽度以及加载历史等参数的变化规律[7]。贾晓娟等用两个内外嵌套的永磁铁和一个双螺旋线圈对EMAT进行了改进,仿真与实验结果显示,新型EMAT的信噪比大约是传统结构的1.96倍[8]。李鹏等设计出了一种功率可调节的电源,解决了EMAT功率大的问题,适用于钢板或钢管的缺陷检测[9]。庞炜涵等研制出了一种电磁超声传感器,其高频脉冲使用UCC3895作为信号源,IR2110作为全桥可逆电路驱动芯片。通过实验验证,该装置可以很好地在铝板上激发超声波并能够接收到信号[10]。

电磁超声传感器的主要部件是线圈和磁铁,采用电磁感应原理通过发射探头在试件表面产生超声波,并通过接收探头接收回波完成对试件的测厚。然而,由于EMAT的转换效率低,进而导致整个系统的信噪比低,这严重影响了电磁超声传感器的实际应用。利用式(1)可以有效分析影响电磁超声换能器信噪比的相关因素,从而采取相应的措施,其公式如下[11-14]:

(1)

式中,VEMAT是接收线圈接收到的电压信号(V),Vnoise是接收线圈接收到的噪音信号(V),P0是EMAT的功率(W),N是单位长度线圈的轧数,B是磁感应强度(T),A是检测范围的面积(m2),ZS是超声波的声阻抗(Ω),K是一个常数,T是检测温度(K),β是带宽(Hz),REMAT是线圈的电阻(Ω),α是几何形状因子,h是线圈与被检测物体之间的提离距离(m),D是线圈直径(m)。

Paul D[15]提出了一个全方位的导波传感器,它由16个内部环形阵列的发射器和32个外部环形阵列的接收器组成,通过仿真与实验验证,此模型明显提高了接收信号的幅度。Dhayalan R[16]用蛇形线圈在薄铝板上激发兰姆波,并研究了兰姆波在槽型缺陷上面的耦合方式,通过实验与仿真对比,新型结构能够提高接收信号的幅度和信噪比。Hong Min seung[17]设计了一个新型模型,它由两个环形磁铁嵌套和一组径向缠绕的线圈组成,通过理论计算、有限元仿真、实验验证,优化出了最合理的结构并提高了接收信号的幅度。除此之外,学者们对EMAT的参数的影响及其优化方面也做了大量工作,比如磁铁的尺寸、线圈的几何特征、提离距离的影响等[18-19]。然而,在上述方法中,增大电流强度虽然可以增大接收信号的幅度,但是同时也带来了极大的安全隐患。比如在检测大型储油罐时,强大的静电可能造成爆炸,甚至造成人员伤亡。

然而,直到现在,几乎没有文献用基于Halbach原理阵列的永久磁铁方法来对EMAT的永久磁铁部分进行改进,在要求探头结构紧凑的同时,磁场强度对转换效率起着不可替代的作用。

图1 充磁方向

这篇文章提出一种新型永久磁铁结构来增强偏置磁场的强度,提高接收信号的幅度。图1(a)包含了新型EMAT外形结构,包括由6个方形永久磁铁组成的Halbach阵列。由式(1)可以得出,信噪比与磁感应强度的平方成比例,因此本论文主要对永久磁铁结构进行选择及尺寸优化。

1 新型EMAT的外形结构和大量仿真

这一部分,将对传统的EMAT和改进的EMAT永久磁铁结构尺寸做出详细说明,传统的EMAT只包括两个条形永磁铁拼接,而改进的EMAT是基于Halbach阵列的6个边长为10 mm的永久磁铁。为了验证新型结构设计的合理性,采用了Comsol Multiphysics有限元仿真软件。由于3-D仿真模型对电脑的性能要求高和仿真时间过长,因此本次仿真采用了2-D仿真模块。通过大量的仿真图形分析和计算,新型的结构能够明显提高结构的磁感应强度,并且具有明显的单边效应[20],从而提高整个换能器的信噪比。

1.1 基于Halbach原理的电磁超声换能器永久磁铁设计

由图2所示,对激发线圈施加一个高频脉冲电流,试件的表面感应出大小相同、方向相反的涡流,此涡流在外部偏置磁场的作用下产生洛伦兹力,周期变化的洛伦兹力促进试件晶粒的高频振动从而产生超声波。此过程完成了电磁超声波的激发,接收过程是其逆过程。新型结构包括一个基于Halbach原理的永磁铁阵列,各个磁铁的充磁方向如图1(a)所示。电磁超声检测包含3种机制,洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力机制,检测铁磁性材料时3种机制都起作用,非铁磁性材料的检测只包含洛伦兹力机制。这里,由于选择了铝板作为被检测材料,所以将忽略磁致伸缩力和磁化力机制的作用。

图2 EMAT探头剖面简图

1.2 基于静态磁场的理论计算

这一部分,将对传统的永磁铁和基于Halbach阵列永久磁铁结构的磁感应强度做出理论计算与仿真。

在永久磁铁区域,有以下关系式:

×H=0

(2)

这里将H表示为一个标量函数的梯度,有如下关系:

H=-φm

(3)

由静态磁场强度和静态磁感应强度的本构关系:

B=μH+μ0M0=μH+Br

(4)

式中,μ是磁媒介质的磁导率;μ0为真空磁导率;M0为剩余磁化强度;B为磁感应强度;Br为永磁体内的剩余磁感应强度。

联合麦克斯韦方程:

·B=0

(5)

可以化简得到如下方程:

μ2φm=-μ0·M0

(6)

由于有限大小的永磁铁在空间产生的磁场可以看做是按某种规律分布的磁荷在空间产生的磁场的叠加,即可将有限大小的永磁体等效为按一定规律分布的磁荷,得到如下方程:

ρm=-μ0·M0

(7)

ρm是体磁荷密度;对于基于Halbach原理充磁的永久磁铁,M0为常量,因此得到:

ρm=0

(8)

因此,式(5)化简为:

μ2φm=0

(9)

图3 两种永久磁铁结构仿真图

1.3 基于静态磁场的仿真

为了更好的比较两个磁铁的性能的差别,采用了控制变量法。使两个永久磁铁的体积相同,第1个永久磁铁使用的是10 mm×10 mm×30 mm的两个小磁铁拼接而成,第2个是基于Halbach原理的永久磁铁采用边长为10 mm的6个正方形磁铁拼接而成。被检材料采用长和宽均为100 mm,高为10 mm的铝板,其尺寸参数见表1。

表1 磁铁与被检测件的尺寸参数

用Comsol Mutiphysics软件的二维仿真模块对模型进行仿真,充磁方式如图1(a)、1(b)所示,其探头整体结构如图2所示。

如图3显示了两种情况下永磁铁的磁场强度分布,箭头代表磁场的方向,实线代表磁铁下册1 mm处的磁感应强度,虚线则代表磁铁上侧1 mm处的磁感应强度。由图3(a)、3(c)可以看出,磁铁1的磁场强度曲线主要分布在磁铁的中间和两端,中间出现了两个峰值,磁感应强度达到1.2 T,这是由于磁感应线在此形成了闭合回路,其平均磁感应强度在磁铁下表面1 mm处为0.66 T,上表面1 mm处的平均磁感应强度为0.75 T,下表面1 mm处的平均磁感应强度为上表面相同位置上的88%。基于Halbach原理的磁铁2由图3(b)、3(d)得到,磁铁出现6个明显的峰值,最大磁感应强度甚至达到2.1 T,其磁铁下侧1 mm 处的平均磁感应强度为0.92 T,然而其磁铁上侧1 mm处的磁感应强度却只有0.5 T。强磁侧的磁感应强度是弱侧的1.84倍,具有很好的单边效应。通过对比分析,磁铁1和磁铁2都可以提升磁铁磁感应强度,但是磁铁1没有很好的单边效应,磁铁2恰好具有这一优点,这对提高电磁超声换能器的转换效率是非常有利的。

值得注意的是,磁铁的充磁均为1.42 T,从图3(c)、3(d)可以并通过平均计算得出,磁铁2在下侧1 mm出的平均磁感应强度是0.66 T、0.92 T。对比表格如表2所示。

表2 磁铁特性的对比

由式(1)可以看出,在保证其他参数不变的情况下,信噪比与磁感应强度的平方成比例,理论计算新型结构的信噪比是传统换能器的1.9倍。因此,新型的永磁铁结构能够明显的提高电磁超声传感器的转换效率。

图4 永久磁铁的提离距离测试实验

2 新型EMAT的提离优化

基于以上分析,可以得出基于Halbach原理的永久磁铁阵列可以达到很好的效果。因此这一部分主要对永久磁铁阵列提离距离进行研究,选取了单个永磁铁的厚度范围为0～5 mm以1 mm的步长递增,用特斯拉计测试了10 mm×10 mm×10 mm的磁铁的提离特性,观察其磁感应强度随着提离距离的变化,测试方法如图4所示。

由图5可以得出,磁感应强度随着磁铁高度的增大而减弱,当提离距离为2 mm后,磁感应强度为300 mT,适合EMAT的磁场激励。通过MATLAB的计算,得出误差的平方和为3.22×103,实验测试的提离效应与仿真曲线有所偏离,是因为磁铁的工作面磁场分布不均匀导致的,检测位置有所偏差都会带来一定的影响。而且磁铁边缘都会有边界效应,也会对结果造成一定的误差。当提离为2 mm的时候,再次增大提离距离就会导致磁感应强度过小,而过小的提离距离又会导致EMAT的信号不稳定,因此选定2 mm作为合适的提离距离。

图5 磁场强度随提离距离的变化曲线

选择边长为10 mm的永久磁铁仿真,提离距离为2 mm,可以看出图像中磁铁的强磁侧有4个峰值,磁铁的单边效应明显,其最大磁感应强度达到0.95 T,符合实际检测的需求,证明新型的改进是合理的。

3 实验验证

本实验用RAM-5000作为信号的激励源,如图6所示。用螺旋线圈为激发线圈,采用基于Halbach原理的永久磁铁阵列,其参数与仿真的数据一致,采用铝板作为被测试件,实验数据如图7所示。

图6 电磁超声激发设备RAM-5000

图7 传统结构和改进结构的接收信号

通过图7(a)、7(b)对比可以看出,接收信号很好的反映了铝板的厚度,改进模型的信噪比是传统结构的1.77倍。仿真和实验的误差为6.8%,产生的原因在于实验时磁铁与线圈的相对位置以及提离距离不准确。

4 结论

本文选择了两种磁铁对EMAT的永久磁铁进行改进,通过对比发现基于Halbach原理的永久磁铁更符合设计的需求。最后选择了基于Halbach的永久磁铁并对其进行优化,磁铁的提离距离从0 mm～5 mm 以1 mm的步长递增变化,通过MATLAB曲线拟合与实验验证,发现当提离距离为2 mm的时候,设计模型的磁感应强度满足探头磁场需求和体积小的要求。通过有限元软件Comsol Multiphysics的大量仿真与结构优化,结果显示,新型永久磁铁的EMAT结构能够有效提高接收信号的幅度,信噪比是传统EMAT结构的1.9倍,实验很好的验证了仿真的结果,两者的误差为6.8%,证明了新型结构的可行性与合理性。