第四节 电磁超声

钢管精整线中管端电磁超声介绍

第四节 电磁超声（简称：EMA）：

一、电磁超声探伤简介：

我们国家的电磁声技术是从二十世纪六十末开始进行研究和开发的，通过近30多年的不懈努力，在电磁换能器的设计，仪器与换能器的匹配等关键环节上都取得了重大突破。所谓EMAT技术，实质上就是电磁超声换能器技术，压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超声波的，而电磁换能器（国际上通常用英文缩写EMAT称之）则是靠电磁效应发射和接收超声波的，由此可见要了解电磁声，首先就要了解电磁声换能器（EMAT），这是掌握电磁声技术的关键环节。电磁声换能器的工作机制大致有三种，①罗仑兹力机制；②磁滞伸缩机制；③磁性力机制。

罗仑兹力机制是指：在金属表面电磁超声与传统的压电超声的本质区别是换能器不同，趋肤深度层内感生涡流，在外磁场作用下产生的罗仑兹力所激发的超声振动及其反过程。

磁滞伸缩力机制是指铁磁性材料在线圈的高频磁场及外磁场共同作用下产生的宏观形变所激发的超声振动及其反过程。

磁性力机制是指铁磁性材料中的磁偶极子在不均匀磁场中所受的磁性力（如同磁粉在磁场中受到的磁性力一样）所激发的超声振动及其反过程。

总之，这三种力的机制都是微观的物理过程，在宏观上可将之比喻为电动机——发电机的工作过程，而EMAT的接收类似于发电机的工作过程。而实际使用中，将这三种力的机制应用于EMAT，究竟哪个占优势，则要由外磁场的大小，外磁场与高频线圈的配置方式及频率等因素来决定。EMAT的物理结构如下图所示。

EMAT主要由三部分组成（见下图2.11）：1：高频线圈，用于产生高频感应磁场；2：磁铁，用来提供外磁场，可以是直流电磁铁、永久磁铁、交流电磁

钢管精整线中管端电磁超声介绍

平磁场形式，图（B）称作垂直磁场形式。一般前者以罗仑兹力或磁性力机制为主，后者以磁滞伸缩力机制为主。

EMAT的工作过程可简述如下：当置于电导体或磁导体上的高频线圈①通过高频电流时，它要在工件③的趋肤层内产生涡流（或高频感应磁场）。此涡流相当于电动机的转子，涡流在磁场（相当于电动机的定子磁场）作用下，也会象电动机那样受到机械力的作用，而产生高频振动，这就是超声振动源，因而可将趋肤层看成超声晶片，由于趋肤层是工件的表面层，所以EMAT所产生的超声就不需要耦合介质，这就避开了压电超声换能器的最大弊端。

EMAT的接收过程就象发电机的转子，在定子的磁场中旋转，会在转子中产生感生电流一样，当超声波射到EMAT的高频线圈下的工件表面上时，声振动也会在外磁场作用下，在高频线圈中感应出电势而被一起接收。

我们知道压电超声换能器是在晶片上进行的，因此它必须用传声流体作声耦合介质，才能将声波传入被检工件中，而EMAT则是电磁效应直接在被检工件表面的趋肤层内换能的，所以它不需要声耦合介质，也使EMAT具有一系列压电超声所无法取代的特点，EMAT的主要特点（与压电超声相比较）：

1. 由于声耦合介质在粗糙表面上难以实现均匀的声耦合层，带氧化皮工件

的表面氧化皮传声很困难，因此必须清除氧化皮并打磨工件后，才能进行压电超声检测，而EMAT则不要求清理工件表面便可直接检测。

2. 在水浸压电超声检测中，作为耦合剂的水，常常含有尘埃和气泡，会严

重干扰检测时的信噪比，在温度较低的环境中甚至无法实施检测而EMAT则无此弊端。

3. 在水浸压电超声检测设备中，被检工件例如在钢管中传播的声波很快被

水衰减掉，所以必须旋转工件或探头，这就会使声耦合不稳定，介面波游动及产生电火花干扰等等。因此设备的稳定性和可靠性难以保证。而EMAT则可在管中很容易地激发出几周乃至几十周的声波，这就无需旋转管或探头即可实现稳定可靠的纵向检测。

4. 压电超声检测速度难以达到20米/分以上，其原因是声耦合在较高速度

下不稳定，而EMAT则可在20米/分以上的速度下检测甚至可达到40米/分。

如此种种，压电超声在许多方面自受到限制，而EMA探伤则在各个方面弥补了压电超声的不足。可以预言，在不久的将来，EMA探伤将逐步取代压电超声探伤，在无损检测的领域内占有一席重要之地。

二、设备及工艺简介：

管端电磁超声探伤设备是光管线第二道工序，在线检测的设备由于有延时等因素在检测的钢管端部都有一部分不能被稳定的检测。所以有必要再由管端电磁超声探伤设备对钢管端部详细检测。负责对平头无缝钢管管端部分的缺陷进行检测和评价，下面简述一下其工艺过程。

两台管端电磁超声探伤设备，分列在步进式台架两边，而每台管端电磁超声