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铝板电磁超声检测技术关键问题研究

作　者: 李春华
导　师: 杨理践
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 铝板电磁超声换能器优化设计表面波
分类号: TG115.285
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

铝合金板材具有强度高、密度低、耐腐蚀性强等特性,是制造航天设备、军工设备及高速列车的主要材料,随着航天技术、探月工程、国产飞机、航空母舰及高速铁路等项目的大力开展和日趋成熟,我国铝合金材料的需求量越来越大,材料质量决定了产品质量,铝合金检测技术的需求变得越来越重要。电磁超声检测技术因其无需耦合剂,耐高温又易操作等优势被广泛研究。目前,电磁超声检测技术被广泛应用在钢板、铝板、钢管等缺陷检测中,已经成为国内外主流的无损检测方法之一。但其缺点为换能效率较低、信号微弱,是实际应用中需要克服的主要困难。本文在回顾了国内外多年来电磁超声技术的发展和应用,在总结前人们研究成果的基础上,对EMAT换能机理进行了探讨,针对EMAT工作的三个过程：电磁场、电磁超声耦合以及声场传播,分析相应的换能原理,进行详细的数学描述,推导出电磁超声换能过程的完整方程和边界条件。依据产生波型的不同,分析出EMAT的各个组成部分中高频激励线圈和永磁铁的不同配置情况,及对应不同配置情况激发出波型的种类和它的声波传播形式。本文利用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器的电磁场进行了仿真分析,得出被测铝板中涡流及洛伦兹力的分布情况。同时将电磁场得到的结果与结构场进行耦合,得出被测铝板中质点的应力、应变及位移情况,从而达到对EMAT辐射声场进行仿真分析的目的。由于EMAT换能效率低,信号微弱,为了提高其换能效率,对其模型进行优化。针对优化的主要对象：线圈与被测铝板间的提离距离、线圈及永磁铁的各个参数对换能效率的影响做了详细分析,最终确定出各参数的优化组合。通过仿真分析得出EMAT被测铝板的内部辐射声场分布及被测铝板表面的指向角,并通过实验验证了这个仿真结果的正确性。通过改变被测铝板的厚度和激励电流频率得到相应辐射声场的变化情况。然后分析了三种不同配置的换能器辐射声场分布的各自指向性特点。表面波具有单模式、能量集中、在试样的表层传播等特点,其适用于金属板表面大范围健康状况检测,本文详细的论述了电磁超声表面波产生的原理及传播特性,在此基础上,利用ANSYS软件进行了有限元仿真。利用折线形线圈及单磁铁的组合,建立了EMAT的3-D有限元模型。为简化有限元求解过程,将其产生的电磁超声表面波分为：电磁场、涡流、洛伦兹力、波动四个部分,以铝板为对象,以有限元仿真为基础,搭建了由激励、接收和电磁超声换能器三部分组成的电磁超声表面波金属板探伤检测装置。这个检测装置利用FPGA产生正、负两路频率和周波数可调的脉冲串,并采用多级放大来解决电磁超声回波中接收信号比较微弱的问题,通过产生的表面波对金属板中的缺陷进行了检测,及进行了声场指向性试验。实际试验是在长600mm,宽300mm,厚20mm的铝板上进行的,经试验验证,电磁超声表面波探伤检测装置可以在铝板中产生表面波,并通过产生的表面波可以对板中的缺陷进行检测。通过声场指向性试验可以证明,表面波传播具有指向性,回波信号经过小波降噪处理后,能够达到预期效果,信号能够清晰展示。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-21
  1.1 课题背景及研究意义  13-14
  1.2 电磁超声检测技术发展的现状  14-17
  1.3 电磁超声检测技术的特点  17-19
  1.4 电磁超声检测技术的应用  19-20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
第二章电磁超声换能器的基本原理  21-36
  2.1 EMAT的换能理论概述  21-24
  2.2 洛伦兹力式电磁超声波发射和接收原理  24-26
  2.3 电磁超声波的波形  26-28
  2.4 电磁超声换能器物理场的数学分析  28-35
    2.4.1 EMAT中的电磁场  28-29
    2.4.2 洛仑兹力机制下EMAT中的机械力场  29-31
    2.4.3 EMAT中的超声波场  31-32
    2.4.4 EMAT的系统模型完整表达式  32-33
    2.4.5 EMAT的边界条件  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章电磁超声换能器的效率影响分析  36-58
  3.1 电磁超声换能器的数学模型  36-37
  3.2 换能器效率与静磁场的关系  37-39
  3.3 电磁超声波产生和传播过程的建模与分析  39-46
  3.4 EMAT换能器的优化设计  46-57
    3.4.1 提离距离对换能效率的影响  47
    3.4.2 EMAT换能器磁铁的优化及仿真  47-52
    3.4.3 EMAT线圈参数的优化  52-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章 EMAT中电磁场及辐射声场仿真分析  58-84
  4.1 EMAT电磁场三维有限元模型建立  58-61
    4.1.1 电磁场有限元分析概述  58-59
    4.1.2 电磁超声换能器模型建立方法  59-61
  4.2 电磁超声换能器电磁场分析  61-63
  4.3 电磁超声换能器电磁结构场分析  63-64
    4.3.1 电磁超声换能器电磁结构耦合控制方程建立  63-64
    4.3.2 电磁换能器电磁结构耦合模型建立  64
  4.4 电磁超声换能器辐射声场仿真分析  64-68
  4.5 电磁超声换能器声场指向性仿真计算和相关实验分析  68-72
    4.5.1 声场指向性随声波传播距离的变化  68-70
    4.5.2 辐射声场指向角  70-71
    4.5.3 声场指向性实验验证及结果分析  71-72
  4.6 EMAT其它参数变化对辐射声场影响  72-82
    4.6.1 EMAT中被测铝板厚度变化对辐射声场影响  72-74
    4.6.2 激励电流频率变化对辐射声场影响  74-77
    4.6.3 激励线圈间距变化对辐射声场影响  77-82
  4.7 本章小结  82-84
第五章电磁超声表面波换能器优化及实验装置设计  84-123
  5.1 电磁超声表面波的理论研究  84-87
    5.1.1 电磁超声表面波的基本原理  84-85
    5.1.2 表面波的产生方程  85-86
    5.1.3 表面波的接收方程  86-87
  5.2 电磁超声表面波有限元仿真  87-96
    5.2.1 表面波有限元仿真过程  87-89
    5.2.2 永磁铁磁场强度  89-90
    5.2.3 铝板表面感生涡流  90-91
    5.2.4 铝板受到洛伦兹力作用时仿真分析  91-93
    5.2.5 铝板缺陷特征仿真  93-96
  5.3 电磁超声换能器表面波实验装置  96-99
  5.4 电磁超声表面波硬件电路设计  99-112
    5.4.1 电磁超声检测系统框图  99-100
    5.4.2 发射电路  100-103
    5.4.3 驱动电路  103-104
    5.4.4 功率放大电路  104-106
    5.4.5 阻抗匹配  106-108
    5.4.6 接收电路  108-112
  5.5 试验结果与分析  112-118
    5.5.1 表面波EMAT检测铝板  112-116
    5.5.2 电磁超声表面波的指向性简略测试  116-118
  5.6 回波信号处理  118-121
  5.7 本章小结  121-123
第六章结论  123-125
参考文献  125-130
在学研究成果  130-131
致谢  131

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