電磁超聲無損檢測技術是一種電磁超聲換能技術

(ElectromagneticAcousticTransducer）

現有的超聲無損檢測方法通常采用壓電超聲檢測方法，但存在依賴聲耦合劑、檢測場合有限等問題，難以用于高溫、低溫、在線等檢測領域。

電磁超聲無損檢測技術是一種電磁超聲換能技術(Electromagnetic Acoustic Transducer，以EMAT為核心的新型超聲無損檢測技術。與傳統的壓電超聲技術相比，該技術具有無耦合劑、無接觸試件、無預處理試件表面的優點，可方便生產各種超聲波，適用于無接觸檢測、高溫檢測、高速在線檢測等場合。電磁超聲技術顯著提高了超聲無損檢測技術的檢測精度、檢測效率、應用范圍、環境適應性、經濟性和環保性。

典型的電磁超聲傳感器包括三個部分：線圈、磁鐵和試件。在非鐵磁材料中，EMAT的傳感機理是洛倫茲力機理；在鐵磁材料中，洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力將共同完成超聲波的發射和接收。以洛倫茲力機理為例，簡要介紹了EMAT的工作原理（見圖1）：當通過交變電流的導線(或線圈)放置在試件表面時，會在試件表面產生渦流；渦流與磁鐵產生的靜磁場相互作用會產生洛倫茲力；洛倫茲力會引起試件內部質點的高頻振動，以波的形式向外傳播，完成超聲波的發射；通過控制線圈和磁鐵的結構和參數，可以方便地刺激各種類型的超聲波。電磁超聲的接收是發射的逆過程。

美國、德國、英國、日本等國家作為傳統壓電超聲技術的理想替代品，高度重視電磁超聲無損檢測技術，在財政支持和人員配備方面投入巨資。近年來，這些國家對該技術進行了廣泛而深入的研究，并成功地應用于冶金、焊接、列車軌道、管道、橋梁、飛機、板材、棒材等領域，部分產品已進入中國市場。我國電磁超聲無損檢測領域的研究起步較晚，目前關于電磁超聲無損檢測產品的報告相對較少。

電磁超聲和壓電超聲*大的區別在于產生的機制不同。壓電超聲波的超聲波是由壓電晶片在高壓激勵下產生的。超聲波只能通過延遲塊和耦合劑進入工件。高頻超聲波在空氣中會迅速衰減，因此無法穿越松散的腐蝕層、空氣和分離。

電磁超聲是在工件的皮膚層產生的，超聲只在工件內部傳播，與耦合劑無關，因此可以提取、隔離和空耦合。電磁超聲的另一個優點是它可以方便地刺激導波，這對埋地管道的檢測具有重要意義。

從這張圖中可以看出，工件內的感應電流(虛擬線圈)是側向的，所以產生的超聲波是剪切波，也叫橫波，而壓電晶體被激勵后是上下振動，所以產生的波是縱波(壓縮波)，這就是為什么鋼中電磁超聲的聲速通常是3240m/S, 常規壓電超聲的聲速為5920m/S，一個是橫波，另一個是縱波。

1.2.2 電磁超聲導波檢測技術

管道運輸作為我國五種運輸方式之一，不僅可以實現低損耗、高效的運輸，而且不受天氣等因素的影響，廣泛應用于能源和化學領域。到2014年，我國油氣管道運輸業發展迅速，總里程已達10.7萬公里。但由于工作環境惡劣，長期在線工作，管道容易出現裂縫、腐蝕等缺陷，造成**風險。通過檢測缺陷并采取相應措施，可以提高經濟效益，避免事故。因此，定期在線管道無損檢測和長期在線監測具有重要意義。

超聲波檢測技術是無損檢測領域應用*廣泛的檢測技術。根據超聲波的類型，超聲波檢測分為體波檢測和導波檢測。與其他超聲檢測技術相比，導波檢測方法具有以下優點： (1) 在傳播過程中，導波受到介質邊界的約束，沿傳播路徑的能量衰減減小，因此可以實現長距離檢測；(2) 與傳統的超聲逐點檢測方法相比，導波檢測采用線掃描方法，檢測效率高；(3) 導波的波結構比較復雜，可以通過模式控制選擇相應的波結構來識別不同類型的缺陷。本課題研究的波導是具有自由邊界條件的各向同性管結構。根據質點的振動形式，管道中的導波可分為縱向模態、扭轉模態和彎曲模態。其中，扭轉導波在傳播過程中，質點沿管道周向振動，對縱向缺陷敏感，低模扭轉導波具有非分散特性，廣泛應用于導波管缺陷檢測。

壓電超聲技術、磁致伸縮技術和電磁超聲技術都能激勵管道中的扭轉導波。目前階段，壓電導波傳感器和磁致伸縮扭轉導波傳感器是典型的激勵和接收扭轉導波的傳感器。與電磁超聲傳感器相比，這兩種傳感器具有更高的換能效率，適用于長距離管道缺陷檢測。在檢測靈敏度方面，磁致伸縮導波檢測方法具有較高的靈敏度。在結構上，壓電導波傳感器需要夾具，結構復雜，體積大，成本高；磁致伸縮導波傳感器由線圈、磁致伸縮帶和被測構件組成，結構簡單，體積小，成本低。在耦合方式上，壓電導波傳感器通過外力使傳感器與構件緊密結合，耦合效率低；磁致伸縮導波傳感器通過粘結耦合使磁致伸縮帶與被測構件緊密結合，耦合效率高。因此，磁致伸縮導波檢測技術具有效率高、成本低的特點。

根據《GB/T28704-2012 磁致伸縮超聲導波無損檢測方法，磁致伸縮效應包括正磁致伸縮效應和反磁致伸縮效應。其中，正磁致伸縮是指鐵磁材料在外磁場作用時尺寸和形狀的變化；反磁致伸縮效應是指鐵磁材料的接收（長度方向）軸向外力時，其內部磁場發生變化。

管道中磁致伸縮導波的刺激是基于正磁致伸縮效應，即在外加磁場的作用下，鐵磁材料表面產生彈性變形，在介質中以導波的形式傳播。因此，磁致伸縮導波的接收是基于反向磁致伸縮效應，質點的振動導致鐵磁材料的彈性變形，進而導致其內部磁場的變化。

根據材料的變形方式，管道中的導波分為彎曲模態、扭轉模態和縱向模態。由于彎曲模態導波結構復雜，一般不用于管道缺陷檢測。如圖2-1所示，在大功率交變脈沖的激勵下，線圈產生沿管道軸向分布的交變磁場。如果沿磁致伸縮帶的長度方向磁化，將獲得沿管道周向分布的直流偏置磁場，即交變磁場垂直于直流偏置磁場。在兩個磁場的共同作用下，磁致伸縮材料表面產生扭轉變形，刺激扭轉導波。相應地，如果沿磁致伸縮帶寬度方向磁化，將獲得沿管軸方向分布的直流偏置磁場，即交變磁場與直流偏置磁場平行。在兩個磁場的共同作用下，磁致伸縮材料表面發生軸向變形，產生縱向導波。在傳播過程中，導波會在介質界面之間反射多次。由于介質界面的引導，能量集中，傳播距離長。因此，與其他超聲技術相比，導波檢測技術的單點激勵可以對試件截面進行長距離檢測，檢測效率更高。磁致伸縮導波管缺陷檢測系統是一種基于磁致伸縮效應的超聲導波檢測系統，其傳感器結構簡單，安裝方便，有效降低了檢測成本。其基本原理如圖2所示，通過配置專用管道探頭，實現管道缺陷的快速掃描和定位。可用于橋梁電纜、換熱器、結構健康在線監測、長油氣管道網絡、鐵路軌道在線監測、高溫管道及伴熱管道、煉化工藝管網在線檢測、海洋鉆井平臺立管、工藝管道、加熱、鍋爐管道、供氣管道系統等的**檢測。

圖2 埋地管道電磁超聲導波檢測原理示意圖

電磁超聲（磁致伸縮）導波是一種特別適合埋地管道缺陷檢測的檢測技術。在沒有法蘭的管道段，傳播距離可達數百米，對提高管廊管道檢測效率具有很強的現實意義。

我們的電磁超聲分為以下系列：

（1）EMUT10系列，以筆、便攜性為主要特點，探傷結構，采用高速采樣，穿透力強（因為寬度可調雙極性方波激勵），可現場顯示波形特征，部分型號支持快速拆卸結構，現場更換非常方便. 配備了高溫探頭、小管徑探頭、B掃描車。

(2)EMUT20系列以分體、高精度為特點，其中EMUT20+將厚度分辨率提高到0.1 μm，傳統超聲波100M采樣率只能區分為0.03mm，精度提高了300倍。如果消除噪聲影響，螺栓應力檢測的精度完全足夠，汽車工業的螺栓應力可以測量

(3)EMUT30系列，以小型化、超低功耗為主要特點，主要用于廣泛的管道腐蝕監測。

(4)EMUT40系列采用脈沖電磁代替永磁，具有通電有磁、斷電退磁的特點，在自動化應用中至關重要，可防止探頭撞擊

超聲波測厚儀原理介紹

超聲波測厚的本質是測量超聲波在工件中的傳播時間，電磁超聲螺栓應力檢測的本質也是飛行時間的測量（Time of Filght）。說到這里，你應該能想到TOFDD（Time of Flight Diffraction)，是的，垂直焊縫可以通過衍射聲時法進行探傷。通過測量直通波、上端波和下端波的飛行時間，可以測量焊縫的大致形狀。那么如何測量這個時間是一個很大的知識。

一般精密計時有幾種原理

1、使用門電路計時，如用發射波啟動門計數，用回波關閉門計數，時間T=方波脈沖周期T*數N，如果方波頻率為25mHz，則T=0.04μS，也就是說，計時電路的精度為0.04μS。（TT100 300系列就是這個原理，MT150也是這個原理，MT200使用40MHz時鐘，所以精度會稍高一些)，測厚精度TT100系列為0.1mm，而MT200可以宣稱0.05mm就是這個道理。

2、采用高速ADC采樣，其精度是采樣率的倒數，如100MHz采樣，其計時精度為0.01μS，原則上可以達到0.03mm以內，平均可以提高到0.015mm或更低，但不能無限提高。帶A掃描的測厚儀大概就是這個精度。

3、使用計時芯片(TDC芯片)，*高精度可以達到PS(10負12次)水平，所以這個計時精度*高。(TT700、UT700、UT200都是這個原理)，精度可以很高，但由于前沿檢測造成的誤差，0.001mm已經是瓶頸。

4、Dakota和Metrelink采用的時空互補精密計時技術是基于2，將精度細分為100-1000份。因此可以達到0.1μm分辨率。(EMUT20+)

UT200應該是這個星球上*劃算的穿越涂層超聲波測厚儀。