Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ультразвуковой преобразователь (UT) EMAT показан с обычным пьезоэлектрическим UT.

Электромагнитный акустический преобразователь ( ЭМАП ) - это преобразователь для бесконтактной генерации и приема акустических волн в проводящих материалах. Его действие основано на электромагнитных механизмах, которые не нуждаются в непосредственной связи с поверхностью материала. Благодаря отсутствию контактной смазки, ЭМАП особенно полезны в суровых, например, горячих, холодных, чистых или сухих условиях. ЭМАП подходят для генерации всех видов волн в металлических и / или магнитострикционных материалах. В зависимости от конструкции и ориентации катушек и магнитов, режим объемных поперечных горизонтальных (SH) волн (нормальный луч или угловой луч), поверхностная волна, пластинчатые волны, такие как SH и волны Лэмба, и всевозможные другие объемные и волноводные моды могут быть возбуждены. [1] [2] [3] После десятилетий исследований и разработок, ЭМА нашла свое применение во многих отраслях промышленности , таких как первичный металл производства и переработки, автомобильная, железная дорога, трубопровод, котлы и сосуды под давлением промышленность, [3] , в котором они обычно используются для неразрушающего контроля (NDT) металлических конструкций.

Основные компоненты [ править ]

Датчик EMAT состоит из двух основных компонентов. Один представляет собой магнит, а другой - электрическую катушку. Магнит может быть постоянным магнитом или электромагнитом , который создает статическое или квазистатическое магнитное поле. В терминологии EMAT это поле называется магнитным полем смещения. Электрическая катушка приводится в действие электрическим сигналом переменного тока (AC) на ультразвуковойчастота, обычно в диапазоне от 20 кГц до 10 МГц. В зависимости от потребностей приложения сигнал может быть непрерывной волной, импульсным импульсом или тональным пакетом. Электрическая катушка с переменным током также генерирует переменное магнитное поле. Когда исследуемый материал находится близко к ЭМАП, в исследуемом материале генерируются ультразвуковые волны за счет взаимодействия двух магнитных полей.

Механизм трансдукции [ править ]

Есть два механизма генерации волн за счет взаимодействия магнитного поля. Один из них - сила Лоренца, когда материал является проводящим. Другой - магнитострикция, когда материал ферромагнитен.

Сила Лоренца [ править ]

Переменный ток в электрической катушке генерирует вихревой ток на поверхности материала. Согласно теории электромагнитной индукции, вихревой ток распространяется только в очень тонком слое материала, называемом глубиной скин-слоя. Эта глубина уменьшается с увеличением частоты переменного тока, проводимости и проницаемости материала. Обычно при возбуждении переменным током 1 МГц глубина скин-слоя составляет лишь доли миллиметра для таких первичных металлов, как сталь, медь и алюминий. Вихревой ток в магнитном поле испытывает силу Лоренца. В микроскопическом представлении сила Лоренца действует на электроны в вихревом токе. С макроскопической точки зрения сила Лоренца применяется к поверхностной области материала из-за взаимодействия между электронами и атомами. Распределение силы Лоренца в первую очередь контролируется конструкцией магнита и конструкцией электрической катушки, и на него влияют свойства испытуемого материала, относительное положение между датчиком и испытуемой деталью, а также сигнал возбуждения для датчика. Пространственное распределение силы Лоренца определяет точную природу упругих возмущений и то, как они распространяются от источника. Большинство успешных приложений EMAT основано на механизме силы Лоренца. [4]

Магнитострикция [ править ]

Ферромагнитный материал будет иметь изменение размеров при приложении внешнего магнитного поля. Этот эффект называется магнитострикцией . Магнитное поле магнита расширяется или сжимается в зависимости от расположения ферромагнитного материала, имеющего индуцирующее напряжение в катушке, и величина изменения зависит от величины и направления поля. [5] Переменный ток в электрической катушке индуцирует переменное магнитное поле и, таким образом, вызывает магнитострикцию на ультразвуковой частоте в материале. Возмущения, вызванные магнитострикцией, затем распространяются в материале в виде ультразвуковой волны.

В поликристаллическом материале магнитострикционный отклик очень сложен. На него влияют направление поля смещения, направление поля от электрической катушки переменного тока, сила поля смещения и амплитуда переменного тока. В некоторых случаях может наблюдаться один или два пика отклика при увеличении поля смещения. В некоторых случаях отклик можно значительно улучшить за счет изменения относительного направления между подмагничивающим магнитным полем и переменным магнитным полем. Количественно магнитострикция может быть описана в математическом формате, аналогичном пьезоэлектрическим постоянным. [5] Эмпирически требуется большой опыт, чтобы полностью понять явление магнитострикции.

Эффект магнитострикции использовался для генерации волн как SH-типа, так и типа Лэмба в стальных изделиях. В последнее время из-за более сильного магнитострикционного эффекта в никеле, чем в стали, были разработаны магнитострикционные датчики с использованием никелевых накладок для неразрушающего контроля стальных изделий.

Сравнение с пьезоэлектрическими преобразователями [ править ]

Как метод ультразвукового контроля (UT), EMAT имеет все преимущества UT по сравнению с другими методами неразрушающего контроля. Так же, как пьезоэлектрические зонды UT, зонды EMAT могут использоваться в конфигурациях импульс-эхо, шаг-захват и сквозная передача. Зонды EMAT также могут быть собраны в зонды с фазированной решеткой, обеспечивая возможности фокусировки и управления лучом. [6]

Преимущества [ править ]

По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями, датчики ЭМАП имеют следующие преимущества:

  1. Связующее вещество не требуется. Основываясь на механизме трансдукции EMAT, связующее вещество не требуется. Это делает EMAT идеальным для проверок при температурах ниже точки замерзания и выше точки испарения жидких связующих. Это также делает его удобным в ситуациях, когда работа со связующим веществом нецелесообразна.
  2. EMAT - это бесконтактный метод. Хотя близость предпочтительна, физический контакт между датчиком и испытуемым образцом не требуется.
  3. Сухой осмотр. Поскольку связующее вещество не требуется, ЭМАП-контроль можно проводить в сухой среде.
  4. Менее чувствителен к состоянию поверхности. В контактных пьезоэлектрических преобразователях испытательная поверхность должна быть гладко обработана для обеспечения сцепления. При использовании EMAT требования к гладкости поверхности менее жесткие; единственное требование - удалить окалину и тому подобное.
  5. Легче развертывать датчик. При использовании пьезоэлектрического преобразователя угол распространения волны в исследуемой части зависит от закона Снеллиуса . В результате небольшое изменение в размещении датчика может вызвать значительное изменение угла преломления.
  6. Легче генерировать волны SH-типа. При использовании пьезоэлектрических преобразователей SH-волна трудно передать на испытуемую деталь. EMAT представляет собой удобное средство генерации объемных SH-волн и волноводных SH-волн.

Проблемы и недостатки [ править ]

Недостатки ЭМАП по сравнению с пьезоэлектрическим УЗИ можно резюмировать следующим образом:

  1. Низкая эффективность трансдукции. Преобразователи ЭМАП обычно вырабатывают необработанный сигнал меньшей мощности, чем пьезоэлектрические преобразователи. В результате необходимы более сложные методы обработки сигналов, чтобы изолировать сигнал от шума.
  2. Ограничено металлическими или магнитными изделиями. НК пластика и керамики не подходит или, по крайней мере, неудобно для использования с ЭМАП.
  3. Ограничения по размеру. Хотя есть преобразователи EMAT размером с пенни, обычно используемые преобразователи имеют большие размеры. Низкопрофильные проблемы EMAT все еще находятся в стадии исследования и разработки. Из-за ограничений по размеру фазированную решетку ЭМАП также сложно изготовить из очень мелких элементов.
  4. Следует соблюдать осторожность при обращении с магнитами вокруг стальных изделий.

Приложения [ править ]

EMAT использовался в широком спектре приложений и может быть использован во многих других. Ниже приводится краткий и неполный список.

  1. Измерение толщины для различных применений [7]
  2. Дефектоскопия в стальных изделиях
  3. Проверка дефектов ламинирования пластин
  4. Обнаружение расслоения клееной конструкции [8] [9]
  5. Лазерный контроль сварных швов автомобильных компонентов
  6. Контроль сварных швов соединений змеевиков, труб и труб [10]
  7. Инспекция трубопровода в процессе эксплуатации [11] [12]
  8. Железнодорожный рельс и осмотр колес
  9. Контроль аустенитных сварных швов для энергетики [6]
  10. Характеристики материала [13] [14]

В дополнение к вышеупомянутым приложениям, которые подпадают под категорию неразрушающего контроля , ЭМАП использовались в исследованиях для ультразвуковой связи , где они генерируют и принимают акустический сигнал в металлической конструкции. [15] Ультразвуковая связь особенно полезна в областях, где нельзя использовать радиочастоты. Это включает в себя подводную и подземную среду, а также герметичную среду, например, связь с датчиком внутри резервуара высокого давления.

Ссылки [ править ]

  1. ^ РБ Томпсон, Физические принципы измерений с датчиками ЭМАП, Ультразвуковые методы измерения, Физическая акустика Том XIX, под редакцией Р. Н. Терстона и Аллана Д. Пирса, Academic Press, 1990
  2. ↑ BW Maxfield, A. Kuramoto, JK Hulbert, Evaluating EMAT Designs for Selected Applications, Mater. Eval. , Том 45, 1987, стр. 1166
  3. ^ a b Innerspec Technologies
  4. ^ BW Maxfield и Z. Wang, 2018, Электромагнитные акустические преобразователи для неразрушающей оценки, в Справочнике ASM, том 17: неразрушающая оценка материалов , под ред. А. Ахмад и Л.Дж. Бонд, ASM International, Materials Park, OH, стр. 214–237.
  5. ^ a b Масахико Хирао и Хироцугу Оги, EMATS для науки и промышленности, Kluwer Academic Publishers, 2003
  6. ^ a b Гао, Х. и Б. Лопес, "Разработка одноканальных ЭМАП и ЭМАП с фазированной решеткой для контроля аустенитных сварных швов", Оценка материалов (ME), Vol. 68 (7), 821-827, (2010).
  7. ^ М. Гори, С. Джамбони, Э. Д'Алессио, С. Гиа и Ф. Чернуски, «Преобразователи EMAT и определение толщины старых котельных труб», Ultrasonics 34 (1996) 339-342.
  8. ^ Диксон С., Эдвардс С. и Палмер С.Б. «Анализ адгезионных связей с использованием электромагнитных акустических преобразователей», Ultrasonics Vol. 32 № 6, 1994.
  9. ^ Х. Гао, С.М. Али и Б. Лопес, «Эффективное обнаружение расслоения в многослойных структурах с использованием ультразвуковых волноводных ЭМАП» в NDT & E International Vol. 43 июня 2010 г., стр: 316-322.
  10. ^ Х. Гао, Б. Лопес, С.М. Али, Дж. Флора и Дж. Монкс (Innerspec Technologies), «Поточные испытания трубок для ВПВ с использованием ультразвуковых волноводных ЭМАП» в 16-м Национальном конгрессе США по теоретической и прикладной механике (USNCTAM2010- 384), Государственный колледж, Пенсильвания, США, 27 июня - 2 июля 2010 г.
  11. ^ M Hirao и H Ogi, 'Методика EMAT SH-волн для проверки газопроводов', NDT & E International 32 (1999) 127-132
  12. ^ Stéphane Sainson, инспекции EN Ligne де трубопроводы: Principesдр méthodes, Ed. Лавуазье 2007 '
  13. ^ Х. Оги, Х. Ледбеттер, С. Ким и М. Хирао, "Бесконтактная мод-селективная резонансная ультразвуковая спектроскопия: Электромагнитно-акустический резонанс", Журнал ASA, вып. 106, стр. 660-665, 1999.
  14. ^ MP da Cunha и JW Jordan, «Улучшенный продольный датчик ЭМАП для упругой постоянной экстракции», в Proc. IEEE Inter. Freq. Contr. Symp, 2005, стр. 426-432.
  15. ^ X. Хуанг, Дж. Сани, С. Бахтиари и А. Хейфец, «Проектирование системы ультразвуковой связи с использованием электромагнитного акустического преобразователя», на Международном симпозиуме по ультразвуковому оборудованию IEEE (IUS) 2018 г., стр. 1–4.

Кодексы и стандарты [ править ]

  • Стандартное руководство ASTM E1774-96 для электромагнитных акустических преобразователей (EMAT)
  • ASTM E1816-96 Стандартная практика ультразвуковых исследований с использованием технологии электромагнитных акустических преобразователей (EMAT)
  • ASTM E1962-98 Стандартные методы испытаний для ультразвукового исследования поверхности с использованием технологии электромагнитного акустического преобразователя (EMAT)

Внешние ссылки [ править ]