高温激光-仅线圈式表面波EMAT优化设计及应用

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31970

材料工程与机械制造

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高温激光-仅线圈式表面波EMAT优化设计及应用

董利飞¹^,², 邓子辰¹, 卢超²(), 石文泽², 何盼², 陈巍巍²

^1.西北工业大学航空学院，西安 710082
^2.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063

收稿日期:2025-03-12 修回日期:2025-03-31 接受日期:2025-07-03 出版日期:2025-07-16 发布日期:2025-07-15
通讯作者: 卢超 E-mail:luchaoniat@163.com
基金资助:
中央军民融合专项转移支付项目(GT202408141);国防基础科研计划(JCKY2022401C005);江西省主要学科学术和技术带头人培养计划——青年人才项目(20225BCJ23023);江西省杰出青年基金(20212ACB214010)

Optimal design and application of high-temperature laser coil-only Rayleigh wave EMAT

Lifei DONG¹^,², Zichen DENG¹, Chao LU²(), Wenze SHI², Pan HE², Weiwei CHEN²

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710082，China
^2.Key Laboratory of Nondestructive Testing，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China

Received:2025-03-12 Revised:2025-03-31 Accepted:2025-07-03 Online:2025-07-16 Published:2025-07-15
Contact: Chao LU E-mail:luchaoniat@163.com
Supported by:
Central Military-civil Integration Special Transfer Payment Project(GT202408141);National Defense Basic Research Projects(JCKY2022401C005);Training Program for Academic and Technical Leaders of Major Disciplines in Jiangxi Province(20225BCJ23023);Jiangxi Province Founds for Distinguished Young Youths(20212ACB214010)

摘要/Abstract

摘要：

针对传统永磁体式/含液冷永磁体型电磁超声换能器（EMAT）体积大、永磁体高温易消磁、难以持续耐高温检测等问题，提出了一种可用于高温持久在线监测的激光-仅线圈式表面波（RW）EMAT检测方法。建立了基于表面约束机制的铝合金激光-仅线圈式RW EMAT检测过程的场路耦合分析有限元模型，采用正交试验法，分析了仅线圈式RW EMAT励磁线圈等关键设计参数对RW检测幅值、波包宽度的影响，据此获取了仅线圈式RW EMAT最佳设计参数组合并进行了实验验证。研制了激光-仅线圈式RW EMAT高温在线检测系统，并进行了20~500 ℃高温铝合金表面裂纹缺陷在线检测实验。结果表明，接收线圈（曲折线圈）的导线分裂数、线圈匝数分别对仅线圈式RW EMAT接收信号幅值、波包宽度起主要影响，优化后的仅线圈式RW EMAT接收幅值提高1.67倍；进一步地，应用差分电路装置并将激光线光源宽度与仅线圈RW EMAT曲折线圈匝间距匹配后能实现500 ℃高温铝合金表面裂纹缺陷的在线检测。所提方法为激光-仅线圈式RW EMAT高温在线无损检测与监测提供了理论支撑、技术指导。

关键词: 高温检测, 激光, 仅线圈式RW EMAT, 表面约束, 场路耦合, 正交试验

Abstract:

Aimed at the problems of traditional permanent magnet or liquid-cooled permanent magnet type ElectroMagnetic Acoustic transducer （EMAT）， such as large volume， easy demagnetization of permanent magnet at high temperature and difficulty in sustained high temperature detection， a laser coil-only Rayleigh Wave （RW） EMAT detection method for high-temperature-sustained on-line monitoring is proposed. A finite element model for field-circuit coupling analysis of the aluminum alloy laser coil-only RW EMAT detection process based on the surface constraint mechanism was established， and the effects of key design parameters such as the excitation coil of the coil-only RW EMAT on the amplitude and wave packet width of the RW detection were analyzed by using orthogonal experimental method， according to which， the optimal design parameter combinations of the coil-only RW EMAT was obtained and verified by experiments. The laser coil-only RW EMAT high-temperature on-line detection system was developed， and the on-line detection experiment of surface crack defects of high-temperature aluminum alloy at 20-500 ℃ was carried out. The results show that the number of wire splitting and coil turns of the receiving coil （meander coil） have a major influence on the received signal amplitude and wave packet width of the coil-only RW EMAT， respectively. The receiving amplitude of the optimized coil-only RW EMAT is increased by 1.67 times. Furthermore， the on-line detection of surface crack defects of 500 ℃ high-temperature aluminum alloy can be realized by using the differential circuit device and matching the width of the laser line light source with the turn spacing of the coil-only RW EMAT coil. The proposed method provides theoretical support and technical guidance for laser coil-only RW EMAT high-temperature on-line non-destructive testing and monitoring.

Key words: high-temperature detection, laser, coil-only RW EMAT, surface constraint, field-circuit coupling, orthogonal test

中图分类号:

V261.3

董利飞, 邓子辰, 卢超, 石文泽, 何盼, 陈巍巍. 高温激光-仅线圈式表面波EMAT优化设计及应用[J]. 航空学报, 2026, 47(3): 431970.

Lifei DONG, Zichen DENG, Chao LU, Wenze SHI, Pan HE, Weiwei CHEN. Optimal design and application of high-temperature laser coil-only Rayleigh wave EMAT[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(3): 431970.

图/表 27

图 1

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表1

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参考文献 33

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值	参数	数值
试样高度h_s/mm	30	跑道线圈空腔间隔c_r2/mm	3
试样宽度w_s/mm	120	曲折线圈提离h_g/mm	0.2
磁轭高度h_m/mm	2	励磁-接收距离h_c/mm	0.1
曲折线圈导线宽度a/mm	0.10~0.25	跑道线圈-磁轭距离h_l/mm	0.05
曲折线圈导线高度b/mm	0.175~0.070	激励-接收距离d_c/mm	70
曲折线圈导线间距c/mm	0.3	跑道线圈-磁轭左/右端距离c_r3/mm	2
曲折线圈匝间距d/mm	1.5	电磁趋肤深度k/mm	0.1
曲折线圈导线分裂数S_p	1~4	水膜宽度w_f/mm	12
曲折线圈匝数N₁	4~16	水膜厚度h_f/mm	3
曲折线圈空腔间隔c_r1/mm	5	激光线源宽度e/mm	1.5
跑道线圈线径d_r2/mm	0.26~0.40	激光能量Q₀	185
跑道线圈线间距s_r2/mm	0.05	激光脉冲持续时间t₀/ns	8

参数	数值	参数	数值
弹性模量E/GPa	70	恒压热容c_v /（J·（kg∙K）^-1）	900
泊松比	0.33	热导率k/（W·（m∙K^-1））	238
密度ρ/（kg·m^-3）	2 700	电导率σ/（10⁷ S·m^-1）	3.774
热膨胀系数α/（10^-5 K^-1）	2.3

序号	a/mm	b/μm	S_p	N₁	d_r2/mm	RW幅值/（10^-5 V）	RW波包宽度/μs
1	0.10	17.5	1	4	0.26	1.64	2.85
2	0.10	35.0	2	8	0.30	4.40	4.09
3	0.10	52.5	3	12	0.35	7.26	6.35
4	0.10	70.0	4	16	0.40	8.81	8.56
5	0.15	17.5	2	12	0.40	5.46	6.17
6	0.15	35.0	1	16	0.35	2.68	8.19
7	0.15	52.5	4	4	0.30	5.11	2.17
8	0.15	70.0	3	8	0.26	5.17	4.21
9	0.20	17.5	3	16	0.30	6.02	8.47
10	0.20	35.0	4	12	0.26	5.40	6.47
11	0.20	52.5	1	8	0.40	3.06	3.98
12	0.20	70.0	2	4	0.35	3.93	2.86
13	0.25	17.5	4	8	0.35	7.89	4.31
14	0.25	35.0	3	4	0.40	6.24	2.88
15	0.25	52.5	2	16	0.26	3.36	8.32
16	0.25	70.0	1	12	0.30	2.34	6.05

预测组合	a/mm	b/μm	S_p	N₁	d_r2/mm	RW幅值/（10^-5 V）
最差	0.20	52.5	1	4	0.26	1.58
最佳	0.10	17.5	4	16	0.40	8.98

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Optimal design and application of high-temperature laser coil-only Rayleigh wave EMAT

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