文 献 综 述
无损检测技术（Nondestructive Testing，NDT）是一种建立在现代科学基础上的综合性的科学技术，它以不破坏待检对象为前提，应用化学或物理的方法对被测对象表面或内部状态进行检测，从而判断被检测对象是否符合要求。无损检测技术在石油化工、机械制造、航空航天、铁路船舶、压力容器等领域得到了广泛应用。常规的无损检测技术包括：超声检测、漏磁检测、涡流检测、射线检测、磁粉检测和机器视觉检测等。其中，仅有超声检测和射线检测比较适合进行内部检测，而射线检测比较昂贵，且存在辐射风险，所以射线检测在非必需场合难以被普及。与之相比，超声检测由于检测成本低、检测效率高、对环境无污染等优点被广泛应用于工业检测中。
超声检测作为无损检测领域的一个重要分支，已经被广泛应用于钢铁、电力、石油、交通运输、医疗等领域。超声换能器是超声检测中超声波激发和接收的核心部件，主要有压电超声换能器和电磁超声换能器（EMAT）两种。与压电换能器相比，EMAT具有非接触、无需耦合剂等优点，可应用于高温、有隔离层等特殊场合，具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
EMAT局限性在于其换能效率低于压电换能器，从而造成超声信号信噪比低。通过合理设计，提高换能效率和信噪比，激发出和接收到更纯净模式的超声波成为了EMAT领域的重点和难点问题。
EMAT主要由三部分组成——提供偏置磁场的磁体、产生脉冲磁场的线圈以及在其内部激发和传播超声波的被测试样。不同的线圈和磁体的组合方式可以产生不同类型的波。电磁超声测厚原理主要有两种：一种是基于洛伦兹力，适用于导体材料；另一种基于磁致伸缩力，适用于铁磁性材料。铁磁性材料在测厚过程中同时收到两种力的作用。其原理如图1所示：当偏置磁场方向与线圈平面垂直时，发射线圈被通入高频交流电，并且在集肤深度内产生感应涡流，同时在线圈附近产生交变磁场，感应涡流与交变磁场相互作用产生竖直向下的洛伦兹力，而涡流与偏置磁场相互作用产生水平方向的洛伦兹力，二者合成的力使得试件内部质点产生周期性振动，这种振动最终以超声波的形式在试件内部传播；换能器的接收过程与发射过程相反。
图1：电磁超声测厚原理
电磁超声检测系统通常包括激发和接收两个子部分，其中，激发部分包括：控制电路、脉冲激发电路、激励探头，接收部分包括：接收探头、信号放大电路、AD转换、控制电路、信号处理和可视化。
由于电磁超声换能器的换能效率较低，提高换能效率逐渐成为一个热门的研究方向，国内外许多学者对此进行了研究。王淑娟等对电磁超声换能器进行了三维建模及仿真，先对线圈参数进行正交试验，得出一组最优线圈参数，再对永磁体进行优化，得出永磁体的最优尺寸，大大提高了换能效率[9]；阳能军等利用利用正交试验的方法，研究换能器线圈宽度、厚度及提离距离对换能效率的影响，通过优化，得到了一组最优的线圈参数组合[11]；孙斐然等对基于洛伦兹力的电磁超声换能器进行了数学建模，并分析了偏置磁场、激励线圈、提离距离等参数对换能效率的影响规律以及换能器的优化设计方法[7]；唐旭明等对换能器永磁体进行优化，将永磁体厚度、宽度及长度进行正交试验，得出永磁体的最优尺寸，提高了换能效率[10]；罗垚等对永磁体开放磁路及闭合磁路的优劣进行了研究，得出开放磁路具有吸力小、提离高等优点，对之后的研究中选择磁路有一定的指导意义[12]；邱佳明提出用脉冲电磁铁取代永磁体，可以提高换能器在高温条件下的换能效率，并对磁场及声场进行了建模及仿真以完成优化，实验证明，该结构有效的提高了高温下的换能效率[13]。本文针对前人的研究经验，利用COMSOL Multiphysics软件进行建模仿真，先对线圈参数进行正交试验，以得到最佳的线圈参数，再对永磁体进行优化，以得到最优的换能效率。
由于EMAT 的优越性，国内外许多学者对电磁超声检测系统进行了研究。王淑娟等采用FPGA和DSP相结合的方式，简化了传统硬件电路的复杂程度，设计了结构简单的测量仪器，测量精度达到0.1mm[16]；王相豪以FPGA STM32为核心器件搭建硬件系统，由激励发射电路、信号接收电路、信号接收处理电路、主控电路以及AD采集电路组成[14]。
