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用于铝板检测的电磁超声导波换能器优化设计技术研究

作　者: 康磊
导　师: 王淑娟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 铝合金板材电磁超声导波电磁超声换能器优化设计
分类号: TH878.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

铝合金板材是国防、工业中重要的基础性材料,板材质量直接决定了其下游产业众多产品的质量。作为控制板材质量的必要手段,传统的压电超声检测技术因严重依赖于耦合剂,而在检测精度、检测效率、环境适应性等方面受到限制。电磁超声导波技术具有检测时无需耦合剂、检测效率高、环境适应性强等优势,对于提高铝合金板材检测水平具有重要意义。然而,作为电磁超声导波技术的核心器件,电磁超声换能器(EMAT)不仅输出信号相对较弱,而且存在多模式、频散特性不利影响,制约了该技术的进一步推广。为了改善EMAT性能,本文对用于铝合金板材缺陷检测的两种电磁超声导波换能器(电磁超声表面波换能器和电磁超声兰姆波换能器)的优化设计技术开展了深入研究。针对工程中常用的曲折线圈结构的电磁超声表面波换能器,提出一种电磁超声表面波换能器三维建模方法。该方法在考虑交变磁场影响基础上,将有限元方法与基于“点力”的解析方法相结合,建立了一个涵盖EMAT电场、磁场、力场和声场的三维模型,有效弥补了当前EMAT模型精度和完整性较低的不足,为研究EMAT优化设计技术奠定了基础。实验结果表明,所建模型具有较高精度,模型理论计算与实测结果最大偏差约为4.3%。针对电磁超声表面波换能器主要存在的信号强度较弱问题,在EMAT模型三维仿真分析基础上,提出了基于正交试验设计的表面波EMAT优化设计方法,获得了换能器参数与表面波信号强度的关系,确定了信号最强时的EMAT最优参数组合,并提出了电磁超声表面波换能器的基本设计准则。实验结果表明,优化后的电磁超声信号幅值提高为原始信号的2.62倍。针对电磁超声兰姆波换能器主要存在的多模式、频散特性不利影响,通过建立电磁超声兰姆波激发方程,提出了降低电磁超声兰姆波多模式特性影响的“双交点法”和削弱兰姆波频散现象的“零斜率准则”,获得了兰姆波EMAT的最优工作频率和线圈导线间距;在此基础上,针对兰姆波信号强度较弱问题,提出了基于正交试验设计的电磁超声兰姆波换能器优化设计方法,获得了换能器其余可控设计参数与信号强度的关系,确定了换能器的最优参数组合,并提出了电磁超声兰姆波换能器的基本设计准则。实验结果表明,优化后电磁超声兰姆波信号的多模式和频散现象不仅得到显著抑制,而且兰姆波信号幅值也增强为原始信号的2.16倍。最后,针对铝合金板材缺陷检测的实际工程背景,设计并开发了电磁超声实验测试装置。该装置主要包括高频大功率发射电路,高增益低噪声接收电路,基于USB的8通道12位高速数据采集电路以及基于LabWindows CVI的PC机软件等部分。实验结果表明,该装置能够有效验证本文理论研究成果的正确性,并已初步具备铝合金板材缺陷检测能力。该装置的成功研制为进一步研究基于电磁超声的铝合金板材自动检测技术奠定了良好基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章绪论  13-28
  1.1 课题背景及研究目的和意义  13-15
  1.2 电磁超声换能器优化设计研究现状  15-22
    1.2.1 电磁超声换能器工作机理  15-17
    1.2.2 电磁超声换能器优化设计目标  17-18
    1.2.3 电磁超声换能器优化设计方法  18-22
  1.3 电磁超声导波缺陷检测技术研究现状  22-25
  1.4 基于电磁超声的板材缺陷检测技术研究现状  25-27
  1.5 本文主要研究内容  27-28
第2章电磁超声表面波换能器三维建模  28-58
  2.1 引言  28
  2.2 电磁超声表面波换能器工作机理及基本方程  28-42
    2.2.1 工作机理  28-31
    2.2.2 EMAT激发洛伦兹力的基本方程  31-35
    2.2.3 洛伦兹力激发表面波的基本方程  35-42
  2.3 电磁超声表面波换能器三维建模  42-52
    2.3.1 建模流程  42-44
    2.3.2 本体建模  44-47
    2.3.3 声场建模  47-52
  2.4 实验验证  52-57
  2.5 本章小结  57-58
第3章电磁超声表面波换能器优化设计  58-80
  3.1 引言  58
  3.2 电磁超声表面波换能器三维仿真分析  58-66
    3.2.1 本体模型仿真分析  58-62
    3.2.2 声场模型仿真分析  62-66
  3.3 电磁超声表面波换能器优化设计  66-78
    3.3.1 优化设计目标  66-68
    3.3.2 优化设计对象  68-70
    3.3.3 优化设计方法  70-75
    3.3.4 基本设计准则  75-78
  3.4 实验验证  78-79
  3.5 本章小结  79-80
第4章电磁超声兰姆波换能器优化设计  80-104
  4.1 引言  80
  4.2 电磁超声兰姆波换能器工作机理及基本方程  80-88
    4.2.1 工作机理  80-82
    4.2.2 基本方程  82-88
  4.3 电磁超声兰姆波换能器优化设计  88-101
    4.3.1 优化设计目标  88-92
    4.3.2 优化设计对象  92
    4.3.3 优化设计方法  92-101
  4.4 实验验证  101-103
  4.5 本章小结  103-104
第5章电磁超声实验测试装置设计  104-127
  5.1 引言  104
  5.2 装置总体方案设计  104-105
  5.3 发射电路和接收电路设计  105-113
    5.3.1 发射电路设计  105-109
    5.3.2 接收电路设计  109-113
  5.4 基于USB的数据采集系统设计  113-118
    5.4.1 数据采集电路设计  114-116
    5.4.2 通信接口电路设计  116-117
    5.4.3 驱动程序设计  117-118
  5.5 基于LabWindows CVI的PC机软件设计  118-122
    5.5.1 PC机软件界面设计  118
    5.5.2 微弱信号检测算法设计  118-122
  5.6 实验验证  122-125
  5.7 本章小结  125-127
结论  127-129
参考文献  129-140
攻读博士学位期间发表的学术论文  140-143
致谢  143-144
个人简历  144

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