电磁超声（通用6篇）
电磁超声 篇1
0 引言
目前,国内矿井大多采用基于无线电磁波通信的井下人员管理系统,实际定位误差均在5 m以上,且只能给出定位目标在巷道纵向上的信息,不能满足安全生产及应急救援的要求[1]。国内外很多文献针对使用无线信号实现煤矿井下移动目标位置监测进行了研究[2,3,4,5,6]。参考文献[7]利用无线电磁波信号强度实现了煤矿安全监测系统无线传感器网络节点间的自定位,并提出了提高定位精度的节点定位方法。参考文献[8]提出了井下超声定位系统,并用Matlab进行了仿真,证明其可对井下人员进行精确定位。以上研究均基于某一种无线介质,定位精度较低。本文提出一种井下电磁波超声联合定位方法,充分利用了电磁波测距距离远、实时性高和超声波测距误差低的优势,提高了井下定位精度。
1 电磁波、超声波测距原理
1.1 电磁波测距
电磁波传播速度极快,接近光速,传播时延极低,因此电磁波测距方法实时性高。
电磁波测距方法主要有基于接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)、基于到达时间(Time of Arrival,TOA)、基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)等[9]。TOA和TDOA方法对硬件的要求高,远距离测距效果好,近距离测距效果较差。RSSI方法最早应用于煤矿井下,相关研究较多,且硬件成本较低,所以井下应用时优先选择RSSI方法。但RSSI方法中无线信号传输损耗模型受环境影响较大,因此单纯使用RSSI方法难以实现高精度的实时定位。
常用的无线信号传输损耗模型有自由空间传播模型,对数距离路径衰减模型、对数-常态分布模型等[10]。对数-常态分布模型较适用于煤矿巷道,其表达式为
式中:PL(d)为电磁波传播距离d后的路径损耗,dB·m;d0为锚节点和参考节点之间的距离,一般取1m;δ为路径衰减因子,其值取决于无线信号的传播环境,是一个经验值;Xσ为标准差为σ的零均值正态分布随机变量,dB·m。
PL(d0)可根据自由空间模型求取。自由空间传播模型为
式中:LOSS为电磁波传播损耗,dB·m;f为载波工作频率,MHz。
设锚节点的发射功率为PT,移动节点接收到锚节点发射的电磁波信号强度为PR,则PL(d)=PT-PR。根据式(1)可获得锚节点与移动节点之间的距离为
1.2 超声波测距
超声波测距具有以下特点:
(1)超声波信号波速相对较小,且在空气中衰减较大,适合较短距离的测距,测距精度较高,达cm级[11]。
(2)超声波纵向分辨率较高,对光照度和电磁场不敏感,短距离内可适应井下恶劣环境。
(3)超声波传感器结构简单,体积小,成本低,信息处理简单可靠,易于小型化与集成化[12]。
(4)超声波测距只需设置发射装置,无需接收装置,即通过检测反射回波到达的时间即可实现精确测距。
超声波测距采用渡越时间(Time of Flight,TOF)法。其基本原理:超声传感器向外发射超声波,超声波遇到被测物体后形成反射回波;超声传感器接收反射回波,根据发射时间与接收时间的差值来计算被测物体的距离。测距公式:
式中:D为被测距离,m;c为超声波传播速度,m/s;t为渡越时间,s[13]。
由于温度变化会对超声波传播速度产生一定影响,为了得到较高的测量精度,可增加1个温度传感器采集实时温度,从而进行实时补偿。温度补偿公式:
式中:c0为0℃时的超声波传播速度,m/s;T为温度,℃[14]。
根据式(4)、式(5)可得到温度补偿的TOF测距公式:
2 电磁波超声联合定位方法
2.1 锚节点部署
图1为井下巷道内锚节点与移动节点分布。锚节点悬挂于巷道顶板,呈一字排开的链式部署,每个锚节点到两侧巷道壁的距离相等,相邻2个锚节点之间的距离不大于锚节点间无线通信距离,且不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径,保证相邻2个锚节点间能够通信,以及移动节点在巷道内任意位置,至少有2个锚节点能够接收到其发射的电磁波信号。
2.2 联合定位方法
电磁波超声联合定位方法如图2所示。移动节点可同时发射超声波和电磁波2种无线信号。移动节点周期性地向一侧巷道壁发射超声波信号并接收反射回波,测得移动节点在巷道内的横向坐标(x方向)。
记录发射超声波信号的时刻为tT,接收巷道壁反射回波的时刻为tR,则超声波渡越时间t=tR-tT。移动节点发射超射波信号时温度传感器检测到的温度为T,则根据式(6)可得移动节点在巷道内的横坐标为
移动节点在发射超声波信号的同时,向附近锚节点发射电磁波定位请求信号。接收到该定位请求信号的锚节点向移动节点发射电磁波定位响应信号。移动节点测得各电磁波定位响应信号的接收强度,选择强度最大的2个信号,抛弃其他信号,从而找到距其最近的2个相邻的锚节点,如图2中的锚节点1和锚节点2。
设移动节点接收到锚节点1、锚节点2发射的电磁波信号强度分别为PR1和PR2,移动节点到锚节点1、锚节点2的距离分别为d1和d2。通过仿真计算得Xσ对于计算结果的影响不大[15],因此采用简化模型逼近对数-常态模型[16],即省略Xσ。根据式(3)可得
由式(8)、式(9)可得
作移动节点到锚节点1与锚节点2连线的垂线,设垂线段长度为h,锚节点1、锚节点2到垂足的距离分别为l1,l2,则有
在煤矿井下,两巷道壁之间的距离很小,一般为3~5m,则h为1.5~2.5m。巷道延伸距离为数百米甚至更长,根据井下允许的电磁波发射功率,测距范围可达50m以上,即2个锚节点之间的距离可达50m以上。考虑到井下巷道目标定位精度要求为m级,设h与l1,l2相比可忽略,即
由式(10)和式(14)可得
则
规定巷道内以纵坐标(y轴方向)增大的方向为正方向,设图2中以向右为正方向,则锚节点2在锚节点1的正方向。设锚节点1的纵坐标为y1,锚节点2的纵坐标为y2,则锚节点1与锚节点2之间的距离为y2-y1,有
则移动节点的纵坐标为。移动节点的坐标为。
3 仿真实验
在Matlab7.0仿真平台对电磁波超声联合定位方法进行实验验证。
由于超声波测距的精度很高,且超声波测距受巷道电磁环境、光照度等影响较小,巷道横向测距误差很小,可以忽略,所以认为巷道内节点的横向测距是准确的。设井下采用2.4GHz电磁波进行测距,路径衰减因子δ=1.6,Xσ的标准差σ=4。巷道宽度为5m,在坐标(2.5,0)和坐标(2.5,100)处分别设置锚节点1和锚节点2。设移动节点的信号覆盖半径为100m,随机选取5个横向坐标值,纵向每隔5m取一个坐标值,选取的横、纵坐标值共组成200个移动节点位置。图3为δ在变化0.5时移动节点定位结果。图3忽略了横向定位误差,可看出电磁波超声联合定位效果较理想。
图4为定位误差的纵向分布。可看出定位误差小于5m,满足井下移动目标定位精度要求;纵向误差分布是规律变化的,在距离2个锚节点20m处,即纵坐标分别为20和80的位置,定位误差最大,在中间位置时定位误差最小,该规律可为优化校正研究提供参考。
需要指出的是,图2中的移动节点靠近巷道壁,同时纵向接近锚节点1或锚节点2时,式(14)误差较大。考虑到2个锚节点间距为100 m,而h不超过3m,该误差可接受。仿真结果表明,在所述位置的情况出现了明显的规律性特征,可根据该特征进行误差补偿。限于篇幅,本文不再赘述误差补偿算法,作为下一步的研究内容。
4结语
井下电磁波超声联合定位方法充分利用了电磁波、超声波定位的优势,算法简单,精度高,成本低。该方法为全新的井下精细定位方案,本文仅从可行性及实验角度对该方法进行了研究,下一步将完善设计方案,特别是对电磁波测距进行优化,对井下声场及超声波收发探头进行深入研究。
电磁超声 篇2
EMAT信号的发射和接收是基于电磁物理场与机械波动场之间的相互 转化,两个物理 场之间通 过力场联 系在一起。 EMAT的发射和接收有三种机制: 洛伦兹力机制、磁致伸缩力机制和电磁力机制[1]。在非铁磁性材料的检测过程中,洛伦兹力起主要作用,在铁磁性材料的检测过程中,还会受到磁致伸缩力和电磁力的作用。大多数情况下,电磁力的绝对值比前两者的绝对值小很多。根据EMAT的组成可以将其划分为三个相互联系的部分: 磁铁、线圈和被测试件,电磁超声的接收和发射可以看做是这三个部分之间的相互作用,其作用过程如图1所示。磁铁为被测试件提供稳定磁场,发射线圈和接收线圈通过电磁感应定律在被测试件中感生和接收涡流[2]。被测试件是场作用的主体,磁铁和线圈的感生场在被测试件中相互作用, 在被测试件中激发出电磁声,并利用电磁声对试件进行无损检测,试件既是检测对象,也可以被看做是电磁超声的声源。
1EMAT技术对不同材料的检测效果
化工及炼化企业中,生产及运行工况往往较为复杂而且危险系数较高。为了适应不同工况下的运行参数,压力管道通常由不同的材料组成。其中,最常用的包括碳素钢、合金钢和不锈钢。为了验证EMAT对不同材料的检测效果,实验过程中分别对20g、15Cr Mo、12Cr1Mo V、304不锈钢以及316不锈钢试板在不同温度下进行测厚。结果如表1 ~ 表5表示。
实验结果显 示,对于20g、15Cr Mo、12Cr1Mo V等材料, EMAT技术可以比较准确的测定试板在20 ~ 400 ℃ 内的厚度, 且误差在5% 以内; 对于316不锈钢,EMAT不锈钢只能检测出20 ~ 200 ℃ 内的试板 厚度,当温度高 于200 ℃ 时,应用EMAT技术则不能检测试板的厚度; 而对于304不锈钢,应用EMAT技术对任何温度下的试板厚度都不能进行检测。
根据超声波传播特性[3],不同材料对于超声波的传播特性具有重要的影响,对于高频率的横波,材料的微观晶粒的大小与排列结构是主要因素。
分别对上述5种材料进行金相检验,见表6。
图2 ~ 图6所示为不同材料的微观金相组织,给出了各个材料的金相组织及晶粒度。
经过对比发现,20g、15Cr Mo、12Cr1Mo V试板的晶粒均较细小,在8. 5 ~ 10级之间且排列较为整齐紧密,316不锈钢晶粒较为粗大 ( 最大为7. 5级) ,304不锈钢的晶粒是最大的,达到5级。根据国外研究超声波衰减规律的: P. palanichamy等[4]认为当材料的晶粒度越大,超声波横波在传播中的衰减特别巨大,有些甚至无 法探测到 一次回波。因此,20g、15Cr Mo、 12Cr1Mo V等低合金钢由于晶粒度较小,EMAT技术能够准确的检测试板厚度; 316不锈钢试板的晶粒度较大,横波在试板中存在一定程度的衰减,在常温下还能保证一定的检测可靠度与准确度,但当温度逐步升高到200 ℃ 以上时,就不能有效的316不锈钢对试板厚度进行测量; 而304不锈钢的晶粒是最大的,并且呈层状不规则排列,对超声波的衰减是最厉害的,在常温下用EMAT无法对试板进行检测。
2提离距离对EMAT技术的影响
EMAT探头采用电磁线圈铺设在铁探头的表面,由线圈经激励产生电磁超声对容器及压力管道进行厚度测量[5]。因此, 线圈是EMAT设备的主要超声激励元件,其能否正常运行直接关系到设备的使用。为了避免在高温状态下的长时间工作对电磁线圈造成损伤,探头部分采用了铁质保护套通过螺纹固定在探头前面部分。当拧紧保护套之后( 即发生提离) ,线圈则避免了直接与高温管壁接触,有效的保护了探头。但是,线圈激励的电磁超声的能量随着距离管壁越远,其能够有效传播到管壁中的能量也越小,而测量结果的有效性和准确性也降低。
因此,在能够保护线圈避免长时间直接接触高温介质的前提下,尽可能的缩短线圈与管壁之间的距离,能够有效的提高探头的提升力,进而确保EMAT技术的准确性和有效性。表8为提离距离从0 ~ 2 mm变化时,对比同一试件进行测厚所得数据。
表8中不同提离距离下的试件厚度可以清晰的表明,随着提离距离的增大,所测厚度逐渐减小。将提离距离 - 所测厚度数据进行曲线拟合,可得二者之间的线性关系如图7所示。
由图7可以更加直观的发现,随着提离距离的增加,所测厚度逐渐减小。这是因为,激励线圈中感生出的电磁场和电涡流场随着被测试件深度的增加而作指数衰减,衰减率由决定。同时,磁场的相位随着被测试件深度的增加而滞后,因此随着线圈与被测试件之间提离距离的增加,感生电磁场和电涡流场的幅值都会急剧下降。因此,在能够保证线圈有效避免直接接触高温介质的前提下,应该尽量缩短保护套与线圈之间的距离,提高探头的提升力。
经本次试验,发现当探头与被测试件表面提离1 mm时, 既不影响检测准确性,还能有效保护探头。
3结论
EMAT作为一种新型检测技术,具备一些传统检测方法所不具备的优点,如适用于高温工况、不需耦合剂的作用、无需去除包覆层等。但是,被检材料和提离距离对检测结果具有一定的影响,其结果如下:
( 1) 通过对比不同材质,发现20g、15Cr Mo、12Cr1Mo V等低合金钢EMAT技术能够准确的检测试板厚度; 316不锈钢试板到200 ℃ 以上时,就不能有效进行测量; 而304不锈钢用EMAT无法对试板进行检测。
( 2) 通过提离效应测试试验,发现当探头与被测试件表面提离1 mm时,既不影响检测准确性,还能有效保护探头。
摘要：电磁超声检测技术(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)是20世纪60年代发展起来的一种新型的无损检测技术,主要用于高温测厚以及无损探伤领域。相比于传统的无损检测方法,EMAT不仅能够适用于较高的工况温度(最高可达500℃),而且在使用过程中不需要耦合剂的作用,大大的提高了工作效率。本文立足实验对比作用,探究了材料和提离距离对EMAT检测技术的影响。
电磁超声 篇3
电站锅炉运行过程中的运行状况、水质、燃烧工况以及水循环状况等控制不良,容易造成锅炉水冷壁钢管的腐蚀[1]。定期的宏观检查可以发现水冷壁钢管外壁的腐蚀,却不能发现其内壁腐蚀。由于水冷壁钢管内壁的腐蚀会造成钢管厚度减薄及内壁的凹凸不平,因此,垂直于钢管外壁传播的超声波在凹凸不平的内壁界面发生散射,能够判断水冷壁钢管内的壁腐蚀状况。国内对锅炉水冷壁钢管内壁腐蚀状况的常规压电效应超声波检测技术在实际应用中存在一定的问题,所以,为了提高超声检测技术在实际工程应用中的检测效率,本文采用电磁超声检测技术对电站锅炉水冷壁钢管进行了内壁腐蚀检测实验,观察经水冷壁钢管内壁反射后超声波的衰减规律,分析了超声波衰减原因,判断出水冷壁内壁腐蚀状况,并通过实验验证了这种检测方法的可行性。
1 常规压电效应超声波检测技术存在的问题
目前,国内对锅炉水冷壁钢管内壁腐蚀状况的检测主要是采用常规压电效应超声波检测技术,在实际应用中,发现它们主要存在下述问题:
1) 检测时需要采用耦合剂进行耦合,耦合效果直接影响到检测结果的准确性。因此,对耦合剂的透声性及流动性等要求比较高。
2) 由于超声波无法穿透水冷壁钢管外壁上的灰焦和氧化物而进入工件,因此,采用压电超声检测水冷壁钢管前,须清理表面灰焦和打磨外壁氧化物,并要求露出钢管表面金属光泽,需要耗费大量的人力、物力。此外,打磨不当还可能对水冷壁钢管造成一定的损害,形成应力集中源。
3) 检测时,由探头发射出的超声波穿透耦合剂,再进入到工件中,能量损失比较大,导致检测灵敏度下降。
4) 由于受到探头与工件的接触面积以及耦合剂耦合效果的影响,扫查速度受到限制,检测效率低,不能实现快速检测。
2 电磁超声检测方法的优点
随着超声波电源控制能力和电磁超声转换效率的提高,电磁超声换能器体积的减小,克服了电磁超声波技术在工件内激发信号弱的问题,所以电磁超声检测技术在实际工程应用中得以迅速发展[2]。电磁超声检测技术是利用洛伦兹力或材料的磁致伸缩效应,以非接触的方式激发工件内部质点振动的一种超声波检测方法。电磁超声与常规压电超声的区别在于激发和接收超声波的方式不同。压电超声换能器靠压电晶片的压电效应激发和接收超声波,能量转换发生在压电晶片上,超声波进入工件需要耦合剂耦合;电磁超声靠电磁效应激发和接收超声波,能量转换在工件内直接进行,电磁超声不需要任何耦合介质[2,3,4,5]。由于在检测时不需要耦合介质进行耦合,这种在工件内部激发超声波的电磁超声检测技术在工程应用中的检测效率远高于常规压电超声波检测技术[6]。
3 检测实验
3.1 实验装置
实验装置及扫查方式如图1所示。本文采用的电磁超声检测装置包括电磁超声换能器、换能器连接线、波形显示器。
3.2 实验材料
两根相同材质、相同规格的水冷壁钢管(1根存在内壁腐蚀,另1根不存在内壁腐蚀),材质为20 G,规格为ϕ60×6 mm。
3.3 实验步骤
1) 校核仪器的扫描线性和垂直线性。这种检测方法是根据内壁多次反射回波的衰减规律来判断工件内壁的腐蚀状况,并以回波位置进行辅助判断,仪器的扫描线性和垂直线性是否准确对检测结果影响非常大。
2) 根据水冷壁钢管的规格,调整检测系统的扫描比例和扫查范围。为了能够清晰直观地观察水冷壁钢管内壁多次反射回波的衰减规律,调节波形显示器的显示范围,在可视范围内显示6～8次反射回波。
3) 调整仪器的检测灵敏度。将电磁超声换能器放置在无腐蚀的水冷壁管上,然后将一次反射回波调整至满屏的80%～90%作为检测灵敏度。检测壁厚较薄的水冷壁钢管时,一次反射回波容易被始波占宽覆盖,可以将二次反射回波调整至满屏的80%～90%作为检测灵敏度。
4) 不进行任何表面清理及打磨,将探头与水冷壁钢管接触或者在探头与水冷壁钢管之间放上一层耐磨材料,然后将换能器沿着水冷壁钢管外壁进行锯齿形扫查,观察多次反射回波的波幅变化规律。
5) 存储并记录数据。
4 实验结果与分析
4.1 无腐蚀水冷壁钢管扫查结果
无腐蚀水冷壁钢管检测结果波形如图2所示,显示屏中出现8次反射回波。由于始波占宽的原因,一次反射回波被始波覆盖,不易区分;二次反射回波波幅达到满屏的83%。具体反射次数对应反射波波幅如表1所示。以二次反射回波(即满屏83%)为基准波高,根据公式△=20 lg(P2/P1)=20 lg(H2/H1)[7],计算其余各次反射回波达到基准波高时仪器的增益值,计算结果如表1所示。绘制距离波幅曲线如图3所示。
从图2、图3可以看出,随着超声波在钢管内壁反射次数的增加,反射回波波幅逐渐降低,呈现出线性衰减的规律,其距离波幅曲线为一条直线。计算得出距离波幅曲线的斜率K=2.25,即超声波在钢管内壁每反射1次,反射回波衰减2.25 dB。此外,从图2中仪器显示深度可以看出,二次反射回波出现在12.2 mm处,即水冷壁钢管2倍壁厚处。
超声波在无腐蚀水冷壁钢管内传播如图4所示。由于工件的磁致伸缩效应,电磁超声换能器在工件中激发出垂直于工件表面传播的超声波。无腐蚀的水冷壁钢管内壁光滑平整且与外壁平行。当超声波传播到水冷壁钢管内壁界面时,其传播方向与工件内壁垂直,大部分能量将被反射回来,形成一次反射回波;一次反射回波遇上工件外壁界面,同样也会发生反射现象,反射回波与工件内壁垂直,内壁反射形成二次反射回波……,周而复始,从而形成多次反射回波。此外,一次反射回波、二次反射回波、三次反射回波……分别出现在1倍壁厚(T)、2倍壁厚(2T)、3倍壁厚(3T)……处。
超声波始终垂直于水冷壁钢管内外壁界面传播,反射率很高,其能量的衰减主要来自于扩散衰减,即超声波在传播过程中,由于声束的扩散能量逐渐分散,从而使单位面积内超声波的能量随传播距离的增大而减弱[7]。在远离声源的声场中,球面波的扩散衰减量会随着传播距离的增加而线性增大[7]。因此,超声波多次反射回波的波幅衰减非常有规律,呈线性衰减现象。
4.2 存在腐蚀的水冷壁钢管扫查结果
存在腐蚀的水冷壁钢管检测结果波形如图5所示。显示屏中只出现4次反射回波,一次反射回波因始波占宽而无法区分,二次反射回波波高为满屏70%,三次反射回波急剧下降至满屏15%,四次反射回波下降至满屏10%以下,很难与电噪声信号区分。从仪器显示深度可知,二次反射回波出现在2倍壁厚之前的位置10.4 mm处。因超声波垂直于水冷壁钢管内壁传播,超声波传播的距离可以反映出水冷壁钢管的剩余壁厚。从二次反射回波出现的位置可知,实验中水冷壁钢管内壁腐蚀坑处的剩余壁厚约为5 mm,从而可以估算出腐蚀坑的深度大约为1 mm。
有腐蚀情况下反射次数对应反射回波波幅如表2所示。由于水冷壁钢管内壁腐蚀坑的存在,超声波在水冷壁钢管内壁界面发生散射,可接收的反射回波次数只有4次。以二次反射回波(即满屏70%)为基准波高,根据公式△=20 lg(P2/P1)=20 lg(H2/H1)[7],可以计算其余各次反射回波达到基准波高时仪器的增益值,计算结果如表2所示。据此绘制的距离波幅关系图(如图6所示)显示反射回波衰减速度极快,高于4次的回波已经无法被接收识别。
超声波在有腐蚀水冷壁钢管内传播如图7所示,被腐蚀后的水冷壁钢管内壁存在很多凹凸不平的腐蚀坑,垂直于外壁传播的超声波遇上内壁凹凸不平的腐蚀坑,将在腐蚀坑界面发生散射现象,反射率很低,只有小部分能量被反射回去,并被换能器接收。因此,在检测仪器显示屏上显示的超声波反射回波的波高急剧下降,反射回波杂乱,衰减无规律,或者多次反射回波消失;腐蚀坑存在一定的深度,一次反射回波将在1倍壁厚之前的位置(T-△T)处出现。
将实验中的2根水冷壁钢管解剖,观察其内壁的腐蚀状况,并用测厚仪测量腐蚀处水冷壁钢管的剩余厚度,计算腐蚀坑的深度。解剖后的水冷壁钢管内壁截面图如图8所示。
由实验可知,存在腐蚀坑处的超声波反射回波与完好无损处的超声反射回波的衰减规律明显不同,检测出水冷壁钢管内壁1 mm深的腐蚀坑,说明其检测灵敏度较高。
通过观察水冷壁钢管内壁超声反射回波的衰减规律,可以判断电站锅炉水冷壁钢管内壁的腐蚀状况。采用电磁方式激发和接收超声波,不需要耦合剂进行耦合,不需要表面清理及打磨,可以提高实际工程应用中的检测效率。
5 结 论
1) 采用电磁超声检测技术对电站锅炉水冷壁钢管进行内壁腐蚀检测方法准确,能够快速地检测 出电站锅炉水冷壁钢管内壁的腐蚀状况。
2) 这种检测方法对工件表面条件要求低,不必进行表面清理、打磨,检测过程不用耦合剂耦合,操作方便,工作效率高,检测灵敏度高。
参考文献
[1]吕玉,丁旭生.富拉尔基发电总厂3号炉水冷壁管氢腐蚀爆管原因分析[J].黑龙江电力,2009,31(3):212-214.
[2]Masahiko Hirao,Hirotsugu Ogi.EMATS for science and industry:noncontacting ultrasonic measurements[M].London:KluwerAcademic Publishers,2003.
[3]李振才.电磁超声(EMA)技术的发展与应用[J].无损探伤,2006,30(6):13-14.
[4]张广纯.电磁声技术的进展与应用[J].无损检测,1990,12(4):103-105,111.
[5]许守平.ASTME816—96利用电磁声换能器(EMAT)技术进行超声检查的标准方法[J].无损探伤,2003,27(2):20-28.
[6]张勇,陈强.用于无损检测的电磁超声换能器研究进展[J].无损检测,2004,26(6):275-279.
电磁超声 篇4
关键词：电磁超声,探伤技术,车轮检测
在无损检测技术领域中, 对金属进行探伤的常规方法主要包括磁粉探伤与压电超声探伤的方式, 这两种方法虽然操作简单便捷, 但其在车轮探伤应用时也存在不足之处。随着我国科学技术水平的迅速提升, 无损检查中电磁超声技术正发挥着越来越重要的作用。[1]研究证明, 电磁超声技术的应用无需声耦合介质, 该特征十分适用于运行时列车车轮的检测, 同时通过该技术还能够充分满足探测车轮踏面表面、近表面的相关需求。
1 电磁超声表面波的探伤原理
1.1 电磁超声表面波激发及接收原理
通过借助洛伦兹力原理而激发出来的超声波称之为涡流超声。如果在金属表面线圈放上高频电流时, 其表面趋肤效应则能够对涡流进行感应, 并且在磁场作用下该涡流就会产生出等同于涡流频率的力, 这样一来金属中就会出现了超声波。通过分析线圈结构、磁铁在线圈中位置的改变, 从而可以获得表面波、横波以及纵波等各种声波, 并且还能利用电信号频率的不同改变声波传播方向, 以便进行波的自由选择。[2]电磁超声技术最大的优势就是借助不同线圈结构及磁铁的作用从而对不同波形的超声波进行激发与接收。如果利用图2中的线圈结构, 作用在图1中的式样上, 那么就会得出图3中的表面波。λ表示的是表面波波长, 其主要是由图2所示导线间的距离d决定的。
计算得出表面波的频率f=V/2d, V表示的是表面波波速。由于电磁超声表面波的接收与激发都是具有可逆性的, 因而研究中也是充分利用这一原理来接收表面波的。
1.2 电磁超声表面波进行车轮探伤的原理分析
通过洛伦兹力原理的应用来有效激发超声波, 这种超声波能够使电磁声换能器 (EMAT) 在车轮踏面表层将超声表面波激发出来, 从而使其表面波束会自动沿着踏面表层及近表层进行反复的周内传播, 最终使受检测区域得到全面的覆盖。[3对于处在不同位置的超声表面波来说, 当其遇到缺陷区域的时候, 就会自动激发出相应的缺陷回波。研究人员在而充分分析缺陷回波信号后, 就可以对列车车轮表面发生缺陷的大致或具体位置进行明确的探测。依据车轮前进速度小于表面波传播速度这一特点, 所以在列车车轮透过EMAT的一刹那, 其实电磁超声表面波已经顺着车轮表面开始了反复的传播。因此, 即使EMAT不进行踏面扫查, 依然可以对整个踏面区域中已经出现的裂纹状缺陷情况进行准确的探测。表面波探伤的工作原理见图4。
从表面波的传播原理能够看出, 由于表面波声速和横波、纵波有所不同, 其不但受到相关材料物理性质等因素的影响, 还受到材料的几何性质。如果材料状态为凸曲面, 那么曲率越大的话, 声速也是越大的;反之则相反。这也就意味着如果d值确定的话, 由于车轮不同所产生的声波频率也不相同, 然而波长的值是恒定的。[4]所以可以说d值是EMAT波长的本征参数。然而在实际使用的过程中, 激励源指的是包括数个周期的脉冲信号, 要想得到表面波最大的转换效率, 同时还要其他模式下的声波产生抑制, 就应当对激励源频率与d值进行合理选择, 从而激励源频率与获得的表面波频率保持对应, 最终获得很纯的激发表面波, 这样也能够有效保证接收到的表面波十分很纯。
2 采用回波信号对车轮缺陷位置进行分析
采用电磁超声表面波进行车轮探伤的过程中, 若表面波遇到缺陷, 则就会出现以下几个方面的变化:第一, 当其中一部分声波传播到缺陷所在位置时, 会以表面波的状态被反射出去, 并且该类声波会被EMAT接收。[5] (由于车轮表面的缺陷回波数代表着其具体的缺陷情况, 因而在下面的分析中笔者均将其假设为仅有一处缺陷。) ;第二, 部分声波传播到缺陷所在部位时, 依然会继续沿车轮表面传播, 该类声波会在车轮表面传播一周之后被EMAT接收;第三, 还有一部分声波会在遇到缺陷时转变为变形横波或是变形纵波, 从而其会在车轮内部继续传播, 电磁声换能器是不能接收这部分声波的。
我们所要研究的内容是被电磁声换能器所接收的存在时间间隔的两部分表面波。笔者首先在调解激发波与这两部分表面波外差之后, 将高频转变为地坪, 然后对激发波与这两部分表面波采取相应的处理措施, 就能将掺杂在其中的噪音有效去除, 并且能求出电磁声换能器在接收到这两部分表面波的具体时间T1、T2, 从而能够确定出发生缺陷的车轮所在位置L:
L表示的是缺陷距EMAT圆周半径;R表示的是车轮的半径。
结语:
文章主要研究的是通过电磁超声探伤技术进行车轮踏面近表面、表面宏观缺陷展开实时动态的探测原理, 并且分析了在探伤时如何选择相关重要参数, 这些参数对该系统的现实设计与应用意义重大。
参考文献
[1]戴立新, 韩激扬, 王泽勇, 王黎, 高晓蓉.车轮电磁超声探伤技术及自适应滤波算法研究[J].铁道学报, 2010, 04:114-118.
[2]朱晓恒, 高晓蓉, 王黎, 王泽勇, 周小红, 彭建平.超声探伤技术在无损检测中的应用[J].现代电子技术, 2010, 21:112-116.
[3]陈鹏, 韩德来, 蔡强富, 刘美全.电磁超声检测技术的研究进展[J].国外电子测量技术, 2012, 11:18-21+25.
[4]王雪梅, 倪文波, 王平.高速铁路轨道无损探伤技术的研究现状和发展趋势[J].无损检测, 2013, 02:10-17.
电磁超声 篇5
流体在任何形状、一定面积的截面内流动, 流过该截面的体积或质量对时间的比值称为流量。用流过的体积与时间的比值来表示流量时, 称为体积流量 (或容积流量) 。用流过的质量与时间的比值来表示流量时, 称为质量流量。流量的测量对象是管路、渠道和河流中的流体。所谓流体流量, 就是指流过一定截面的管路、渠道或河流的流量。
体积流量是过水断面的平均流速与断面积的乘积得到。当流体的过水断面一定时, 如何测得过水断面的平均流速是关键。测量流速的方法很多, 用它们来表示平均流速有一定差别。譬如比托管、多普勒超声波流量计、插入电磁、插入涡轮、插入涡街流量计等, 测量的过水断面中某一点流速来代表断面的平均流速;时差法超声波流量计、热线风速仪等是测量过水断面中某一条或几条线的流速来代表断面的平均流速;电磁流量计、节流装置等则可以直接测量过水断面的平均流速。从几何角度看, 真正能正确地测量体积流量的是测量面的平均流速, 线流速和点流速的测量只能是近似测量。也就是说, 用一个质点代表体积, 误差最大;用一条直线代表体积误差比较大;用一个面积去量度体积, 误差较小;用容积去量度体积, 最为准确。这就是说, 在体积流量测量中, 容积式流量计—刮板流量计、罗茨流量计、标准体积管等测量精度最高。可惜的是, 容积式流量计的体积大, 沉重, 压力损失大。一般只能在油品等贵重的流体计量和贸易交接中使用。于是, 在水流量测量中广泛地使用者电磁流量计和超声波流量计。这里, 就电磁流量计和超声波流量计测量原理上的差别作以比较。
通过研究可看出, 电磁流量计在工作磁场有效区域内, 测量管中电位积分产生的两电极间流量信号受流速分布的影响并不像其它流速式流量仪表那样敏感。这就是电磁流量计比其它如涡轮、涡街、超声、节流装置等流量仪表的优越之处。
实际上影响测量精度的主要因素是:被测介质电导率, 必须是大于10-3Ω·cm的导电液体;电磁干扰和工作电源波动;电磁流量计的转换器元件特性不稳定;振动源。
理论上影响测量精度的因素主要是测量管内径的变化。如果由于测量管内壁的磨损、附着、结垢、结疤等使得内径变化1%, 对于测量的影响也是1%。从原理上, 电磁流量计测量不受流体温度、粘度、压力以及电导率变化的影响。为流速式流量计对于测量管路内的流速分布要求较高。因此, 在具有弯头、阀门、收缩管、扩大管等容易改变流速分布及其对称性的管路中安装流量计, 不可避免地要提出前后直线段的问题。因为是面平均流速测量, 且有权重函数的位置关系, 在速度式流量仪表中, 电磁流量计的直线段要求最低。电磁流量计的直管段要求是前5DN后2DN。
2 超声波流量计的优缺点
超声波流量计和电磁流量计一样是无阻式流量计。它没有活动部件, 没有压力损失, 不改变管道的流体流动状态。而且不受介质的导电率大小的限制, 是电磁流量计一种弥补。在一定条件下, 超声波流量计安装可以夹持在管道外部, 成为非接触式流量计。常用以对其它流量计的测量作在线参照检查。
超声波流量计也具有测量流量范围宽、测量精度高。能够进行正、反方向流量测量的优点。但是, 超声波流量计较电磁流量计比较起来, 其最大的弱点在于电磁流量计测量原理告诉我们, 电极上测量的流量信号是电极过水断面平均流速, 在一定部位, 流速的变化对信号的产生不敏感。而传播速度差法超声波流量计所测量的是线平均流速, 要求流量测量必需对流速进行高斯积分。这就是说, 事实上超声波流量计是间接测量管道的平均流速进而测量流量。这样, 就存在原理上的误差。对于多普勒法超声波流量计误差就更大了, 因为这种流量计测得的是断面的点流速, 要计算流量还需进行面积分。
被测管道直径的变化 (直径测量误差, 内壁结垢等) 会对测量造成三倍的误差, 这比电磁流量计要大3倍。对于一些随机变化的影响量就更难以解决了。
如果要高精度测量, 必须要用多声道测量, 以达到尽量接近面平均流速的测量。但成本要大幅度增加, 安装起来比起电磁流量计要复杂得多。夹持安装型超声波流量计的换能器与管道外壁的偶合很重要, 长时间的暴露在大气中, 偶合剂失效降低, 降低信号的灵敏度和可靠性。所以, 需要定期维护, 以免造成测量精度的降低。
摘要：从测量原理上阐述电磁流量计和超声波流量计用于水流量测量时的优缺点及注意事项。
关键词：体积流量,电磁流量计,超声波流量计,平均流速,测量原理
参考文献
电磁超声 篇6
金属镁及其合金是迄今在工程应用中最轻的结构材料[1,2],镁合金具有质量轻、强度和刚度高、易回收、减振性好、导热性优良和机械加工方便等特点,广泛应用于交通、电子电信、国防军工等高技术领域,被誉为21世纪的“绿色”工程结构材料[3,4]。镁的晶体结构为密排六方结构,只有一个滑移面,独立的滑移系少,容易在晶界产生大的应力集中,塑性变形能力差,室温变形加工困难。由于镁的棱柱滑移面
近年来,研究人员分别研究了不同电磁场对AZ31、AZ61镁合金凝固组织的影响,发现在镁合金的凝固过程中施加电磁场能显著细化晶粒[6,7]。研究人员在AZ31B镁合金铸造过程中施加超声波能场,发现超声波能场能显著细化铸锭的晶粒组织,晶粒平均尺寸由不加超声波能场时的250~350μm减小至120μm左右;超声波处理还能促进第二相的析出,强化了基体相,提高了材料的强度[8]。本课题在AZ31B镁合金铸轧过程中引入超声波和电磁复合场,制备出了AZ31B镁合金板带坯,进行了力学性能检测,研究了超声波和电磁复合场对镁合金凝固组织和性能的影响,为镁合金超声波和电磁复合场双辊铸轧技术的工业应用奠定了基础。
1 超声电磁复合场铸轧试验
1.1 试验材料
试验所用AZ31B镁合金化学成分如表1所示。
1.2 试验设备
试验装置由以下几个部分组成:①铸轧机。铸轧机为水平式铸轧机,其加工尺寸为ϕ400mm×500mm,最大轧制力为2000kN,铸轧速度为0.5~20m/min,可铸轧厚度为2~8mm,可铸轧宽度为0~400mm。冷却方式为内部水冷,冷却水压力为0.7MPa。②电磁装置。变频电源的频率可变范围为0~50Hz,电流可变范围为0~12A;感应线圈为三相(每相580匝)或两相(每相870匝)。③超声波发生器。超声波发生器有19±0.5kHz、20±0.5kHz、21±0.5kHz三个频率挡位和5个功率挡位, 可以根据不同负载工况选择工作频率和功率;功率超声振动系统由三部分组成:压电陶瓷换能器,设计频率为19.8kHz; 阶梯形变幅杆,材质为45钢;工具杆,材质为钛合金。④电阻加热坩埚炉的容量为1.2m3。⑤浇注装置。流量控制系统采用单片机控制;前箱的外壳为普通钢板,内衬为不锈钢,中间配备加热装置;铸嘴为A1203+硅酸铝纤维十石棉烧制品,其内腔贴石墨片。⑥阻燃保护介质为氩气。镁合金超声电磁铸轧试验装置如图1所示。
1.熔炼炉 2.氩气管 3.前箱 4.超声波发生器 5.磁路导引装置 6.铸嘴 7.铸轧辊 8.夹送辊 9.剪切机 10.卷取机
1.3 试验方法
首先预热熔炼炉,使其温度达到120~150℃;将事先准备好的AZ31B合金料放入干燥炉中在300℃下烘烤1h后,投入电阻丝加热炉内进行熔炼,熔炼温度为710℃;对熔体进行充分搅拌。施加超声波、电磁场时,将已预热的超声波发生器导波工具杆插入铸嘴中的镁合金熔体中,启动超声波电磁感应器系统进行超声波电磁铸轧,铸轧速度为2~2.2m/min,铸轧带坯厚度为3.0~3.5mm,铸轧板带宽度为200mm,铸轧区长度为45~46mm。磁场形态为行波与脉振组合磁场,磁场强度为3.98×104~4.37×104A/m,励磁电流为11~12A,主磁场中心频率为13~15Hz。试验过程中,从熔炼炉和前箱处一直通氩气保护以防止镁熔体氧化和燃烧。分别从常规铸轧带坯和超声电磁复合铸轧带坯中心部位取样,将取得的试样经粗磨、细磨、抛光和腐蚀后,在Leica台式金相显微镜下进行金相观察,然后对试样作法向、纵截面和横截面的金相分析和对比。
2 试验结果与分析
2.1 微观组织对比
两种不同铸轧条件下镁合金板带中部金相组织如图2所示。从图2可以看出:AZ31B镁合金铸轧板带具有明显的加工、再结晶组织特征。普通铸轧镁合金板带的枝晶网胞比较发达,晶粒粗大;在超声波和电磁复合场作用下,枝晶网胞明显退化,部分枝晶剥落下来变成块状或球状,大部分呈菊花状,具有明显的半固态组织特征,平均晶粒尺寸(直径)约10~12μm。无超声波和电磁复合场作用下的常规铸轧板,枝晶网胞发达,晶粒粗大,二次枝晶间距约20~25μm ,AZ31B铸轧板的晶粒尺寸处于50~100μm之间,平均晶粒尺寸(直径)约60~70μm。由此可见,在AZ31B镁合金铸轧过程中引入超声波电磁复合场可以显著细化晶粒。
(e)常规铸轧横截面金相组织 (f)超声电磁复合场铸轧横截面金相组织
超声波作为一种外场导入到金属液中,对细化凝固组织、防止中心偏析、提高反应速度以及去除夹杂和气体等都具有明显的作用[9]。利用电磁场作用于金属熔体是一种经济环保的技术,利用高能超声波处理金属熔体也是一种新的环保且相对安全的技术[10],这两种能场结合运用于快速连铸技术中,国内外还少见报道,其对金属熔体作用的效果在本次试验中得到了验证:在铸轧区中施加组合交变电磁场,其脉冲磁场分量对晶体产生冲击破碎作用,行波磁场分量对晶体产生切割和搅拌作用[11],加上施加的超声波对晶体的破碎作用和过冷生核作用[12,13,14],即在超声电磁复合场的综合作用下,使初生晶的部分枝晶被破碎,演变成块状或球状晶体,而初生晶的一部分未碎断的枝晶产生一定的塑性变形,使晶体演变成菊花状,晶粒得到显著细化。
2.2 力学性能对比分析
将得到的厚3mm的铸轧板材制成符合国标的拉伸试样,在CSS-44100电子万能试验机上按照GB228-87试验标准沿轧制方向进行拉伸测试,测试结果如表2所示。表2结果表明:未加超声波电磁复合能场的铸锭热轧后得到的板材的抗拉强度σb平均值为216.364MPa,而加了超声波电磁复合能场的σb平均值为267.43MPa,抗拉强度提高了23.6%;屈服强度σ0.2平均值由117.051MPa增加到167.624MPa,增幅达43.2%;延伸率ε由1.53%增加到3.17%,提高了107.2%。因此,超声波电磁复合能场的导入显著提高了AZ31B镁合金板材的力学性能。抗拉强度和屈服强度的提高一方面是由于凝固时,在超声波电磁复合能场的作用下,晶粒得到细化形成了均匀、细小的等轴晶;另一方面是由于镁板带凝固前沿温度场均匀,抑制了晶粒的长大。
对试样进行显微硬度试验,在硬度试验机HV-1000上加载荷0.245N进行试验,其结果如表3所示。表3的结果表明:超声电磁复合场铸轧板试样的硬度值为57.6HV,比普通铸轧板试样的硬度值52.2HV提高了10%。这表明,超声电磁复合场的导入显著提高了板带坯的力学性能。板带坯强度和硬度的提高是由于在超声电磁复合场的作用下晶粒得到细化,变形抗力增大了。
3 结论
(1)在AZ31B镁合金铸轧过程中施加超声波电磁复合能场,能有效改善铸轧板凝固组织,使铸轧镁合金板带柱状晶被打碎,细化了晶粒。经超声波电磁复合能场处理后铸轧镁合金板带的晶粒尺寸由不加超声波电磁复合场的30~ 60μm减小至10~20μm。
(2)超声波电磁复合场能显著提高AZ31B镁合金铸轧板材的力学性能。经超声波电磁复合场铸轧生产的板带坯的抗拉强度、屈服强度、硬度和延伸率,分别由常规铸轧板材的216.364MPa、117.051MPa、52.2HV、1.53%提高到267.43MPa、167.624MPa、57.6HV、3.17%,分别提高了23.6%、43.2%、10%和107.2%。 ()