基于有限元仿真的电磁超声参数优化分析

齐光峰，王安泉，杨 超，王 凯，王凯月

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000）

体波EMAT 不仅可以方便地激发出超声横波，而且可以在高温、高速条件下实现板材的高速、在线检测。然而，体波EMAT 存在电磁超声信号弱和波型转换引入干扰波的不利影响[1]。信号强弱影响缺陷的检测能力，干扰波信号会影响缺陷回波的判断[2]。因此，在对体波EMAT 进行优化设计时，需要综合考虑这2 方面因素。

为比较干扰波信号的强弱，定义接收电压中横波-纵波信号比和横波-转换波信号比分别为：

式（1）（2）中：ηS，P为横波-纵波信号比；ηS，（SP）为横波-转换波信号比；ASSmax为横波信号最大值，ASSmin为横波信号最小值；APPmax为纵波信号最大值，APPmin为纵波信号最小值；APSmax+ASPmax为转换波信号最大值，APSmin+ASPmin为转换波信号最小值（SP 是横波转纵波、PS 是纵波转横波）。

根据式（1）和式（2），可以计算出蝶形线圈EMAT 接收信号中的各比值分别为ηS，P=21.93、ηS，（SP）=11.69。ηS，P和ηS，（SP）越大，干扰波信号影响越小。本文在所建有限元模型基础上，分析不同换能器参数的影响并对其进行优化设计，在保证横波信号强度前提下，减小干扰波信号，提高体波EMAT 缺陷检测能力。

1 正交实验设计

对蝶形线圈EMAT 进行优化设计时采用正交试验设计方法。考虑换能器加工工艺、检测需求等影响，蝶形线圈EMAT 的参数包括导线宽度wC、数目nC、厚度hC和导线间距dC，永磁铁宽度wM、厚度hM，线圈提离距离d1，永磁铁与试件距离d2，驱动电流频率f。仿真结果表明，导线厚度hC和间距dC对转换波信号影响很小，因此将这2 个参数设为固定量，hC=0.035 mm和dC= 0.3 mm。其他参数为可控参数，取值范围为wC=0.1～0.2 mm，nC=15～25，wM=5～15 mm，hM=10～30 mm，d1=0.1～0.5 mm，d2=1～2 mm，f=2～6 MHz。各参数分别取3 个值，得到体波EMAT 因素水平表，如表1 所示。

表1 体波EMAT 因素水平表

2 结果与讨论

按表1 中设计的参数修改有限元模型中对应的体波EMAT 结构参数，需进行18 组仿真，计算得到不同参数组合情况下的ηS，P、ηS，（SP）和接收横波电压VSS，如表2 所示。由正交试验仿真结果可计算出各因素在相同水平下ηS，P、ηS，（SP）和VSS的算术平均值ki，从而获得各因素水平对接收干扰波和横波的影响（i表示各因素水平序号，i=1，2，3）。根据ki可计算出各因素极差R，如表3 所示。极差最大的因素影响最大，是影响接收体波EMAT 性能的关键参数。根据表3 中各因素水平和对应的算术平均值，可绘制ηS，P、ηS，（SP）和VSS随各因素变化趋势图，如图1 所示。体波EMAT各参数对ηS，P和ηS，（SP）影响规律相似。在所取参数范围内，导线数目、永磁铁宽度和驱动电流频率具有显著影响，减小导线数目、增大永磁铁宽度均可显著减小干扰波信号。永磁铁厚度、线圈提离距离和永磁铁与试件距离也有明显的影响，导线宽度影响较小。

表2 体波EMAT 正交试验表

表3 体波EMAT 正交试验结果分析

图1 ηS，P、ηS，（SP）、VSS 随体波EMAT 参数变化趋势图

使体波EMAT 干扰波信号最小的换能器参数组合为：导线宽度0.2 mm，导线数目15，永磁铁宽度15 mm，永磁铁厚度20 mm，线圈提离距离0.1 mm，永磁铁与试件距离1 mm，驱动电流频率4 MHz。导线数目减小时，线圈所在区域主要为垂直磁场，可产生水平洛伦

兹力，发射时主要产生横波，降低纵波分量。蝶形线圈EMAT 产生的反射横波和波型转换横波都是垂直方向的，入射纵波和波形转换纵波均有一定的角度，减少导线数目可减小纵波的接收面积。永磁铁宽度增大时，会导致线圈正下方区域水平磁场减小，垂直磁场分布更加均匀，发射时主要产生水平振动而接收时也主要接收水平振动。因此，减少导线数目、增大永磁铁宽度从发射和接收过程都可减小干扰波信号。随着驱动电流频率的增加，入射波的入射角和扩散角都减小，导致反射波扩散角减小。随着入射角减小，波型转换波的反射系数减小，模式转换波信号减小。但是反射纵波和模式转换纵波扩散角减小，会导致体波EMAT 接收更多的纵波信号。这些影响共同作用使得驱动电流频率为4 MHz 时，干扰波信号最小。

对于接收横波信号大小而言，导线数目、驱动电流频率和永磁铁与试件距离具有显著影响，增大导线数目和驱动电流频率、减小永磁铁与试件距离均可显著增强接收横波信号。永磁铁宽度和导线宽度也有明显的影响，永磁铁厚度和提离距离的影响相对较小。使横波信号最强的换能器参数组合为：导线宽度0.1 mm，导线数目25，永磁铁宽度10 mm，永磁铁厚度20 mm，线圈提离距离0.1 mm，永磁铁与试件距离1 mm，驱动电流频率6 MHz。导线数目增加，发射过程洛伦兹力作用区域和接收过程有效接收面积都增加，能够明显提高接收横波强度。随着驱动电流频率的增加，入射横波的扩散角减小，反射横波扩散角减小，横波能量更加集中，能够被更多地接收。减小永磁铁与时间距离可增强磁场强度，减小提离距离可提高换能效率，产生更强的横波信号。

以降低干扰波信号为目标和增强横波信号为目标，得到的体波换能器参数中永磁铁厚度、线圈提离距离和永磁铁与试件距离一致，而其他参数不同。对体波EMAT 进行优化设计时，应在保证横波信号强度前提下，减小干扰波信号。综合以上分析，使横波信号强和干扰波小这两个目标较优的体波换能器参数组合为：导线宽度0.1 mm，导线数目25，永磁铁宽度15 mm，永磁铁厚度20 mm，线圈提离距离0.1 mm，永磁铁与试件距离1 mm，驱动电流频率4 MHz。这组参数不存在于正交试验表中，重新修改有限元模型参数，计算得到该组参数组合下体波EMAT 感应电压中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。与优化前相比，这组参数获得了更强的发射横波信号，同时削弱了干扰波信号。

在正交试验设计中，受因素水平限制，试验中体波EMAT 结构参数不能涵盖所有实际取值。本文得到的体波EMAT 优化结果为所取参数范围内的最佳组合。如果需要进一步优化，可以在已获得最佳参数附近范围内设定新的试验水平，采用正交试验设计方法选取最佳EMAT 参数组合。

系统发射模块工作频率范围为250 kHz～10 MHz，输出tone-burst 信号频率成分单一，最大输出功率为5 kW；接收模块为宽带低噪声接收器，工作频率范围250 kHz～80 MHz，最高增益88 dB。匹配网络由电容和电感串并联构成LC 选频网络，发射阻抗匹配网络用于匹配RITEC 发射模块和发射EMAT 之间的阻抗，使发射EMAT 线圈获得最大能量；接收阻抗匹配网络用于匹配接收EMAT 和前置放大器之间的阻抗，使得接收EMAT 线圈能量最大传输给放大电路。双工器用于切换发射和接收状态，使得体波EMAT 工作于收发一体模式。前置放大器用于放大微弱的接收信号，输入阻抗为50 Ω。示波器采集放大后感应电压传送至上位机进行信号处理。

3 结论

本文基于有限元仿真方法，在保证横波信号强度前提下，减小电磁超声检测干扰波信号，优化后的参数组合为：导线宽度0.1 mm，导线数目25，永磁铁宽度15 mm，永磁铁厚度20 mm，线圈提离距离0.1 mm，永磁铁与试件距离1 mm，驱动电流频率4 MHz；计算得到该组参数组合下体波EMAT 感应电压中ηS，P=70.897，ηS，（SP）=40.186，VSS=9.3868×10-4V。与优化前相比，获得了更强的发射横波信号，削弱了干扰波信号。