石文澤，吳運新, 3，龔海, 3，張濤，譚良辰, 韓雷

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非鐵磁性金屬材料螺旋線圈電磁超聲換能器接收效率場路耦合分析

石文澤1, 2，吳運新1, 2, 3，龔海1, 2, 3，張濤1, 2，譚良辰1, 2, 韓雷1, 3

(1. 中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083;3. 中南大學有色金屬先進結構材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙， 410083)

針對電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer, EMAT)接收信號十分微弱的問題，建立包括螺旋線圈EMAT換能過程和接收等效電路的場路耦合有限元模型；分析阻抗匹配參數(shù)、線圈導線直徑、前置放大器的輸入阻抗和銅背底至線圈間距對EMAT接收效率的影響規(guī)律。研究結果表明：當線圈導線直徑為0.25 mm，前置放大器輸入阻抗為1 kΩ，銅背底至線圈距離為0.5 mm時，實驗接收橫波信號幅值可以提高3倍以上；場路耦合分析方法能夠綜合考慮接收電路的輸出增益和接收EMAT的換能效率，可以更準確地指導EMAT系統(tǒng)設計。

電磁超聲換能器；螺旋線圈；場路耦合；接收效率；有限元方法

電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer, EMAT)可以在金屬材料中通過電磁耦合非接觸的方式發(fā)射和接收超聲波，與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測技術相比，它具有無接觸性、環(huán)保性和較強環(huán)境適應性等突出特點，因而廣泛應用于石油管道、鍋爐、列車輪軌、金屬板材連鑄、斜拉索橋等高溫、高速、在線等惡劣環(huán)境中[1?3]。然而，電磁超聲存在換能效率低的問題，特別是接收EMAT對環(huán)境噪音極為敏感，信噪比低，極大限制了電磁超聲技術的廣泛應用。為了提高電磁超聲接收信號的信噪比，國內(nèi)外研究者進行了大量工作，主要包括：1) 從EMAT換能機理出發(fā)，建立電磁超聲檢測過程的數(shù)學模型和有限元模型，用于提高EMAT的換能效率，如KALTENBACHER等[4?5]重點研究了EMAT的換能原理，通過解析法和數(shù)值分析法建立了EMAT檢測過程模型；KANG等[6?7]建立了曲折線圈EMAT發(fā)射過程的二維和三維有限元模型，并采用正交試驗設計方法對其進行優(yōu)化設計；劉素貞等[8]建立了三維曲折線圈EMAT檢測過程有限元模型，并側重對其聲場特性進行了分析；黃鳳英等[9?10]從永磁鐵磁路設計出發(fā)，對靜偏磁場進行了優(yōu)化設計；DUTTON等[11]對偏置磁場的形式進行了設計，顯著提高了EMAT的換能效率。2) 從電路硬件設計和降噪算法上提高接收超聲信號的信噪比，如：BOONSANG等[12]設計了低噪音前置放大器，用EMAT來實現(xiàn)位移測量；HIRAC等[13]設計了阻抗匹配網(wǎng)絡，用于提高激發(fā)功率和線圈的接收效率；劉素貞等[14?15]設計了相應的電磁抗干擾電路和噪音抑制算法，用于抑制電磁噪音。3) 從場路耦合的角度建立電磁超聲檢測過程模型，用于對EMAT進行優(yōu)化設計，如JIAN等[16]結合激勵充放電電路，建立了表面波發(fā)射EMAT模型，分析了用于產(chǎn)生超聲的電磁耦合機制。關于EMAT，國內(nèi)外學者主要側重于對其結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，以提高其開路感生電壓。例如，王淑娟等[1, 17]通過有限元計算和實驗方法研究了接收線圈形式和參數(shù)對線圈開路感生電壓的影響。目前國內(nèi)外學者很少考慮接收線圈的等效阻抗、阻抗匹配參數(shù)等因素對電磁超聲接收電路的影響，并很少在此基礎上對接收EMAT系統(tǒng)進行場路耦合分析和設計。接收EMAT的開路感生電壓與線圈的等效阻抗存在一定的關系。接收線圈的等效阻抗隨著導線直徑的減小而增大，開路感生電壓也隨之而增加，但增大的線圈等效阻抗必然影響電磁超聲接收電路的輸出特性，因此，有必要結合線圈等效阻抗對電磁超聲接收電路的影響，對接收EMAT系統(tǒng)進行參數(shù)分析和設計。同時，在實際檢測過程中，由于提離距離(探頭與被測試樣之間的距離)、激勵頻率和被測試樣的電學參數(shù)的影響，接收線圈的等效阻抗會發(fā)生改變，給阻抗匹配元件參數(shù)的實時調(diào)整帶來困難，很難使阻抗完全匹配[18]，因此，有必要分析阻抗不匹配對EMAT系統(tǒng)接收效率的影響。為此，本文作者以非鐵磁性金屬材料鋁作為對象，建立基于螺旋線圈EMAT換能過程和電磁超聲接收等效電路的場路耦合有限元模型，分析阻抗匹配參數(shù)、線圈導線直徑、前置放大器輸入阻抗和銅背底至線圈距離對EMAT系統(tǒng)接收效率的影響規(guī)律，并采用實驗結果進行驗證。

1 接收EMAT場路耦合建模

1.1 場路耦合建模流程

接收EMAT場路耦合有限元建模流程如圖1所示，包括接收EMAT換能過程有限元模型和電磁超聲接收等效電路模型。首先，采用COMSOL軟件建立接收EMAT換能過程有限元模型，計算不同EMAT幾何參數(shù)時接收線圈的開路感生電壓和等效阻抗，然后，將上述2個參數(shù)聯(lián)合阻抗匹配元件參數(shù)和前置放大器輸入阻抗等參數(shù)作為電磁超聲接收等效電路模型的輸入量，最后經(jīng)計算得出等效電路的輸出電壓即前置放大器輸入端的取樣電壓。

圖1 接收EMAT場路耦合建模流程

1.2 接收EMAT換能過程有限元建模

1.2.1 接收EMAT換能機理及其控制方程

常見的接收EMAT主要由永磁鐵或者電磁鐵、線圈和待測試樣組成。對于非鐵磁性金屬材料，EMAT的工作機理為洛侖茲力。螺旋線圈EMAT的接收過程示意圖如圖2所示。當激勵EMAT在試件表面產(chǎn)生橫波并沿厚度方向傳播至底面時，由于聲阻抗突變而發(fā)生超聲波反射，沿著相反的方向傳播；當?shù)竭_試件表面時，會引起試樣表面粒子的振動，在永磁鐵提供的軸向靜偏磁場相互作用下，在試件的表面產(chǎn)生動態(tài)電流密度s。動態(tài)電流密度會在試件上方產(chǎn)生動態(tài)磁場，從而在接收線圈中感生出電動勢V，作為超聲信號被接收。

圖2 螺旋線圈電磁超聲換能機理示意圖

永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場為1個有源無旋度的量，為此可以用1個標量函數(shù)的梯度表示：

式中：m為標量磁位。麥克斯韋方程和永磁體的本構關系可表示為[19]

式中：為磁媒介的相對磁導率；為磁感應強度；r為磁體內(nèi)的剩余磁感應強度。聯(lián)立式(1)，(2)和(3)可得

對于被均勻磁化的永磁體，體磁荷密度為0，面磁荷密度可以利用m表示，永磁體表面與其他媒介的分界面的邊界條件為[20]

式中：s為試樣表面切割磁感線形成的動態(tài)電流密度；為被測試樣的電導率；為被測試樣中內(nèi)部粒子運動的速度。

被測試樣和接收線圈區(qū)域應該滿足的控制方程為[21]

式中：為試樣表面等效面積；k為試樣表面截面區(qū)域。在對于接收線圈s=0、永磁鐵或銅背底、空氣等無源電流輸入?yún)^(qū)域中，滿足的控制方程為

線圈中的導體內(nèi)感生電場強度為

通過對導體內(nèi)感生電場強度進行線積分，可以求解線圈中某一點的導體上的電壓：

式中：為接收線圈的長度。則EMAT接收線圈上輸出的電壓可通過對上述求導得到的點導體上的電壓求解平均值得到，有

式中：為接收線圈的截面區(qū)域。

1.2.2 接收EMAT換能過程有限元建模

以接收線圈的開路感生電壓和等效阻抗為研究對象，并以此作為電磁超聲接收等效電路的輸入量，考慮線圈導線直徑和銅背底至線圈距離作為影響因素，二維軸對稱EMAT結構參數(shù)示意圖如圖3所示。

接收EMAT主要參數(shù)取值如表1所示。針對脈沖回波式EMAT，為了提高接收超聲信號的信噪比，銅背底可以用于隔離磁鐵中產(chǎn)生的超聲信號，避免干擾有用接收的超聲信號。

圖3 接收EMAT幾何參數(shù)示意圖

表1 接收EMAT探頭的主要參數(shù)

根據(jù)式(6)，將靜偏磁場求解所得靜態(tài)磁感應強度和被測試樣磁導率以及質(zhì)點的振動速度的乘積作為試樣表面的源電流密度。如圖3所示，在試樣表面區(qū)域給定1個隨時間變化的源電流密度信號，用來模擬超聲橫波傳播到集膚層時引起試樣內(nèi)部振動，在外加偏置磁場作用下形成動態(tài)電流，可以采用下式表示：

在EMAT接收過程有限元模型中，在鋁試樣、永磁鐵、線圈和空氣域采用最大尺寸為0.3 mm的網(wǎng)格單元。對于試樣或者銅背底、線圈導線和磁鐵相應的集膚層必須進行網(wǎng)格細化，在3倍集膚深度內(nèi)采用9個網(wǎng)格單元。為了保證計算穩(wěn)定性，相鄰單元尺寸增長率設為1.2。當默認相對容差和絕對容差分別為0.010和0.001時，最大計算時間步長1×10?8s，有限元計算結果收斂。永磁鐵、銅線圈、銅背底和鋁試樣的電學參數(shù)如表2所示。

表2 模型中材料電學參數(shù)

1.3 電磁超聲接收等效電路模型

考慮傳輸導線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(包括電容或電感)的等效電阻L，電磁超聲接收等效電路如圖4所示。接收線圈被等效成具有內(nèi)阻抗E的電壓源，i為接收線圈的開路感生電壓。由于接收線圈的等效電抗相對其等效電阻不可忽略，因此，很難保證接收線圈能夠?qū)h(huán)境中感生獲取的電場能量完全轉(zhuǎn)移到前置放大器輸入端，需要在接收線圈與前置放大器之間構造1個L型阻抗匹配網(wǎng)絡，可以使前置放大器輸入端獲取接收最大功率。針對能量傳輸最大化傳輸?shù)囊?，通常采用共軛匹配這種阻抗匹配方式。

圖4 電磁超聲接收等效電路

其中，j為復數(shù)單位。在通常情況下，前置放大器的輸入阻抗虛部可以忽略不計，即p≈0，則接收等效電路的輸出增益為

式中：a和b為阻抗匹配元件的阻抗；E和E為線圈等效阻抗的實部和虛部；p為前置放大器輸入阻抗的實部；L為傳輸導線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(包括電容或電感)的等效電阻。

其共軛阻抗匹配條件為

根據(jù)共軛匹配條件，阻抗匹配元件參數(shù)為

此處，定義為

當在接收線圈和前置放大器之間加入的阻抗匹配網(wǎng)絡為完美阻抗匹配時，在前置放大器輸入端能夠獲取最大的功率輸入，接收等效電路的輸出增益幅值為

2 實驗驗證

2.1 實驗方案

為了評價EMAT系統(tǒng)的接收效率，所搭建的EMAT實驗系統(tǒng)框圖如圖5所示。由RPR4000電磁超聲主機為激勵EMAT探頭提供大功率促發(fā)音驅(qū)動信號，激勵端阻抗匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)低阻抗激勵線圈與高阻抗功放輸出端之間的阻抗匹配，保證脈沖功放的輸出功率盡可能轉(zhuǎn)移到激勵線圈上。接收端阻抗匹配網(wǎng)絡用于實現(xiàn)低阻抗接收線圈與前置放大器的高阻抗輸入端之間的匹配。接收線圈接收到的微弱超聲信號經(jīng)過前置放大器和窄帶濾波器進行信號放大和降噪，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡中轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并送入安裝有LabVIEW的計算上進行信號分析和處理。

3）落實地方責任。鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府是組織開展農(nóng)村危房改造工作的責任主體，負責本行政區(qū)域內(nèi)危房改造工作的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、督促指導和負責具體實施。

以非鐵磁性鋁板(長×寬×高為400 mm×400 mm×100 mm)作為檢測對象，采用一發(fā)一收模式，接收EMAT探頭和激勵EMAT探頭分別放置在鋁板的兩端，并按照中心線對齊。在整個實驗過程中，激勵EMAT探頭的幾何參數(shù)(線圈外徑為20 mm，線圈導線直徑為0.25 mm)、激勵端阻抗匹配參數(shù)(匹配電感和電容分別為0.7 μH和11.5 nF)、功率參數(shù)(均方根峰值功率為5 kW，激勵頻率為1 MHz)和提離距離(0.1 mm)均保持不變。其中，傳輸導線和阻抗匹配網(wǎng)絡的等效電阻L為0.5 Ω。根據(jù)接收線圈的計算等效阻抗，利用式(17)和式(18)，并?。?，計算最佳阻抗匹配參數(shù)，然后繞制相應的電感和選擇相應的匹配電容，并保證偏差在10%以內(nèi)。

圖5 EMAT接收效率分析的實驗設計

為了分析前置放大器輸入阻抗對實驗接收超聲信號的影響，采用南京鴻賓微弱信號檢測中心生產(chǎn)的低噪音、高頻電壓性前置放大器HB-842，在0.5~2.0 MHz頻率范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)增益1 000倍的信號放大功能。信號輸入端對應的輸入電阻可以分別設置為50 Ω和1 kΩ。

接收EMAT場路耦合有限元模型由接收EMAT換能過程有限元模型和電磁超聲接收等效電路模型組成，因此，需要采用實驗方法分別對兩者的準確性進行驗證。

2.2 接收EMAT換能過程有限元模型驗證

為了驗證有限元方法求解接收線圈感生電壓的準確性，采用阻抗分析儀測量導線直徑為0.35 mm的接收線圈在磁鐵和試樣存在時的等效阻抗，如表3所示(其中，i為復數(shù)單位)。從表3可知：線圈等效阻抗的仿真值與測量值之間相對誤差的絕對值不超過10%。

表3 不同頻率下接收線圈等效阻抗ZE的仿真值與實測值

2.3 電磁超聲接收等效電路模型驗證

當保證接收EMAT的結構參數(shù)不變時，通過調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡中的匹配電容，比較歸一化的電磁超聲接收等效電路的輸出增益與EMAT實驗接收橫波幅值的變化趨勢，可以驗證等效電路的準確性。當線圈導線直徑為0.25 mm，并將前置放大器輸入阻抗設為50 Ω，阻抗匹配電感調(diào)整為0.7 μH時，改變匹配電容，所得輸出增益和橫波幅值變化曲線如圖6所示。由圖6可見：輸出增益和橫波幅值隨匹配電容的變化趨勢較吻合。

圖6 接收等效電路輸出增益和實驗接收橫波幅值隨匹配電容的變化趨勢

3 結果與討論

3.1 阻抗匹配參數(shù)對接收效率的影響

針對不同匹配電感b，調(diào)整匹配電容a，所得電磁超聲等效電路輸出增益如圖7所示。從圖7可見：當匹配電感為最佳值0.8 μH且不采用匹配電容時，接收等效電路的輸出增益降為最佳匹配時的36%；當匹配電感偏離其最佳匹配值時，需要重新匹配電容才能獲取最大輸出增益；當實際匹配電感偏小或偏大時，相應的匹配電容應該調(diào)小或調(diào)大，才能獲得最佳輸出增益。因此，實現(xiàn)接收線圈與前置放大器輸入端之間的精確阻抗匹配，可以有效提高EMAT系統(tǒng)的接收 效率。

Lb/μH：1—0.2；2—0.4；3—0.8；4—1.2；5—1.6。

根據(jù)與50 Ω輸入阻抗的前置放大器進行阻抗匹配的要求，采用式(17)和式(18)計算不同導線直徑線圈所需的阻抗匹配參數(shù)，并結合實驗條件，選定對應導線直徑為0.25，0.35和0.5 mm的線圈最佳匹配電容分別為11.0，17.5和23.5 nF，由于對應的匹配電感相差不大，故統(tǒng)一匹配電感為0.7 μH。按照一定的比例(0～200%)調(diào)節(jié)匹配電容，得到不同導線直徑線圈所接收到的橫波幅值如圖8所示。從圖8可見：精確的阻抗匹配參數(shù)有利于提高EMAT系統(tǒng)的接收效率。匹配電容過大或過小都會導致接收效率降低。例如，對于導線直徑為0.35 mm的接收線圈，無匹配電容時接收到的橫波幅值僅為最佳匹配時的41%。

dc/mm：1—0.25；2—0.35；3—0.50。

3.2 線圈導線直徑和放大器輸入阻抗對接收效率的影響

在精確阻抗匹配條件下，線圈導線直徑和前置放大器輸入阻抗對EMAT系統(tǒng)的接收效率的影響如表4所示。從表4可知：隨著接收線圈導線直徑增大，接收線圈的等效阻抗和開路感生電壓單調(diào)減小。這是因為當線圈外徑一定時，線圈的匝數(shù)隨著導線直徑減小而增加，使得用于感應空氣中動態(tài)磁場的導線長度增加，從而有利于增大接收線圈的開路感生電壓，但線圈導線直徑減小將導致電磁超聲接收等效電路的輸出增益減小，因此，有必要綜合考慮接收線圈的開路感生電壓和接收等效電路的輸出增益這一矛盾，選取合適的導線直徑。隨著線圈導線直徑增大，等效電路的輸出電壓先增加后減小，拐點出現(xiàn)在直徑0.15 mm處。當導線直徑大于0.15 mm時，接收等效電路的輸出電壓呈現(xiàn)下降趨勢。其原因是：一方面，導線直徑增加導致磁鐵遠離鋁試樣，從而使試樣表面的磁場強度減??；另一方面，線圈等效阻抗隨導線直徑增大而減小，而傳輸導線(同軸電纜)和阻抗匹配網(wǎng)絡(包括電容、電感和導線)的等效電阻L一定，導致L消耗的功率增大，從而接收等效電路的輸出電壓減小。

表4 線圈導線直徑和前置放大器輸入阻抗對EMAT系統(tǒng)接收效率的影響

從表4可見：適當增加前置放大器的輸入阻抗可以提高接收等效電路的輸出電壓；當前置放大器輸入阻抗由50 Ω增加到1 kΩ時，等效電路的輸出電壓可以提高3.5倍左右。

表5所示為接近精確阻抗匹配的條件下，當線圈導線直徑和前置放大器輸入阻抗不同時，EMAT實驗接收的橫波幅值。從表5可知：當線圈導線直徑從 0.50 mm到0.25 mm依次減小時，EMAT系統(tǒng)的接收效率逐步提高；當前置放大器輸入阻抗由50 Ω提高到1 kΩ時，EMAT系統(tǒng)的接收橫波幅值可以提高1～2倍，與表4所示計算結果存在一定偏差。其原因是：無法按照式(17)和式(18)的計算結果精確繞制匹配電感或選擇匹配電容，導致實驗過程中無法實現(xiàn)阻抗精確匹配；在接收線圈與磁鐵的相對位置存在一定偏差。

當EMAT系統(tǒng)工作于低頻時，傳輸導線的阻抗?頻率特性對整個EMAT接收系統(tǒng)的影響較小，因此，可以適當提高前置放大器的輸入阻抗以增大EMAT接收系統(tǒng)的接收效率。但當EMAT系統(tǒng)工作于高頻時，由于傳輸導線的阻抗不匹配可能引入較大的反射功率，導致整個EMAT接收效率降低；當前置放大器輸入阻抗(實部)過大時，將給阻抗匹配元件選擇或制造帶來困難，導致EMAT接收系統(tǒng)電流過小。因此，需要根據(jù)EMAT的工作頻率，適當提高前置放大器輸入阻抗。

表5 導線直徑和前置放大器輸入阻抗對EMAT實驗接收橫波幅值As的影響

當前置放大器輸入阻抗(實部)過大時，對由式(17)和式(18)(＞0)計算得到的匹配電容和匹配電感需要相應增大，才能滿足阻抗匹配的要求，將可能導致傳輸導線和阻抗匹配元器件的線路內(nèi)阻增大，從而使該部分消耗的功率增大，同時，將給大電感或大電容的阻抗匹配元件的選擇或制造帶來困難，因此，需要根據(jù)EMAT的工作頻率適當提高前置放大器輸入阻抗。與導線直徑為0.5 mm、前置放大器輸入阻抗為50 Ω相比，當導線直徑為0.25 mm，前置放大器輸入阻抗為 1 kΩ 時，電磁超聲接收橫波幅值可提高3.6倍左右。

3.3 銅板至線圈距離對接收效率的影響

當線圈導體直徑0.25 mm、前置放大器輸入阻抗為1 kΩ和精確阻抗匹配時，銅背底至線圈距離對與EMAT接收效率相關的參數(shù)影響如圖9所示。從圖9可知：線圈等效電阻隨著銅背底至線圈距離的增大而增大；當銅背底至線圈距離增大到一定程度后，線圈的等效電阻便不再增大，但電磁超聲接收等效電路的輸出增益隨著線圈等效電阻的增大而減小。接收線圈的開路感生電壓和接收等效電路的輸出電壓隨著銅背底?線圈距離的增大，呈先增加后減小的趨勢。若不考慮偏置磁場，則開路感生電壓應該隨著線圈等效電阻的增大而增大，但由于試樣表面的偏置磁場隨著銅背底至線圈距離的增大而減小，導致開路感生電壓在銅背底至線圈距離為0.5 mm或1.0 mm時出現(xiàn)拐點。接收等效電路輸出電壓在銅背底至線圈距離為0.5 mm時獲得最大值；當銅背底至線圈距離為0.10 mm時，其降為最大值的78%；在銅背底至線圈距離為2.0 mm時，則降為82%。

在前置放大器輸入阻抗為1 kΩ和精確阻抗匹配條件下，銅背底至線圈距離對不同導線直徑接收線圈的橫波影響如圖10所示。從圖10可知：當銅背底至線圈距離為0.5 mm和1.0 mm時，EMAT接收系統(tǒng)可以獲得最大的橫波幅值；而當銅背底至線圈距離為 0.1 mm和3.0 mm，EMAT接收橫波幅值分別降為83%和77%。線圈導線直徑為0.25 mm和0.35 mm的接收橫波幅值隨著銅背底至線圈距離的變化趨勢基本一致；當提離距離為0.1 mm時，0.5 mm的銅背底至線圈距離有利于提高EMAT接收系統(tǒng)的接收效率。銅背底至線圈距離過小或者過大均不利于提高EMAT的接收效率。

1—開路電壓Vi；2—阻抗實部RE；3—輸出增益G；4—輸出電壓Vout。

dc/mm：1—0.35；2—0.50。

4 結論

1) 采用場路耦合模型，綜合考查接收EMAT的開路感生電壓和電磁超聲接收等效電路的輸出增益這2個指標，能夠準確地指導EMAT優(yōu)化設計。

2) 阻抗匹配參數(shù)是制約接收EMAT系統(tǒng)接收效率的重要因素，有必要準確計算或測量接收線圈的等效阻抗，從而進行精確阻抗匹配網(wǎng)絡的設計，從而提高接收EMAT系統(tǒng)的接收效率。

3) 適當增加前置放大器的輸入阻抗可以提高EMAT接收系統(tǒng)的換能效率。當前置放大器輸入阻抗由50 Ω提高至1 kΩ時，可以將接收橫波幅值提高1.5倍以上。

4) 在提離距離為0.1 mm以及激勵頻率為1 MHz等條件下，當線圈導線直徑為0.15 mm且銅背底至線圈距離為0.5 mm時，接收EMAT系統(tǒng)可以獲得最大接收效率。

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(編輯 陳燦華)

Circuit-field coupled analysis of receiving efficiency of spiral coil electromagnetic acoustic transducer in non-ferromagnetic metal material

SHI Wenze1, 2, WU Yunxin1, 2, 3, GONG Hai1, 2, 3, ZHANG Tao1, 2, TAN Liangchen1, 2, HAN Lei1, 3

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3. Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials andManufacturing Cooperative Innovation Center, Changsha 410083, China)

Considering that the receiving signals of an electromagnetic acoustic transducer (EMAT) are extremely weak, a circuit-field coupled finite element model based on the receiving progress of a spiral coil EMAT and a reception equivalent circuit was established. The influence patterns of impedance matching parameters, coil conductor diameter, input resistance of pre-amplifier and backplate?to?coil distance were investigated with respect to the receiving efficiency. The results show that the amplitude of the receiving shear wave from experiments can be enhanced by at least 3 times when coil conductor diameter is 0.25 mm, input impedance of the pre-amplifier is 1 kΩ, and the backplate?to?coil distance is 0.5 mm. The circuit-field coupled analysis method, which takes the output gain of the reception circuit and the conversion efficiency of the receiving EMAT into consideration, can be used to guide the design of the receiving EMAT system more accurately.

electromagnetic acoustic transducer; spiral coil; circuit-field coupling; receiving efficiency; finite element method

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.009

TB552

A

1672?7207(2017)12?3200?09

2016?12?10；

2017?01?28

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2014BAF12B01); 國家自然科學基金資助項目(51405520); 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB619505) (Project (2014BAF12B01) supported by the National Science & Technology Pillar Program during the “Twelfth Five-year” Plan Period; Project (51405520) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012CB619505) supported by National Basic Research Program(973 Program) of China)

吳運新，博士，教授，從事構件應力分析與測試、電磁超聲無損檢測研究；E-mail：wuyunxin@csu.edu.cn