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金属板表面电磁超声探伤技术的研究

作　者: 刘明明
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: 电磁超声换能器表面波有限元仿真
分类号: TG115.284
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电磁超声(EMAT)因其无需耦合剂,耐高温,易操作等诸多优势,而被广泛研究。目前电磁超声波可以在火车车轮、钢板、铝板、钢管等缺陷检测中应用。在国内外已经成为主流的无损检测方法之一。基于电磁超声原理,进行了电磁表面波的研究。由于表面波具有单模式,能量集中,在试样的表层传播,因此其适合用于金属板材表面的大范围健康状况检测。课题研究了电磁超声表面波的产生原理以及传播特性,并以此为基础,采用ANSYS软件进行有限元仿真。利用折线形线圈和单磁铁的组合建立电磁超声换能器的3-D有限元模型。为简化有限元求解,将EMAT产生的电磁超声表面波分为电磁场、涡流、洛伦兹力、波动四个部分进行分析,之后对铝板进行了表面波的产生与传播的仿真。以有限元仿真为基础,搭建了由激励、接收和换能器组成的电磁超声表面波金属板探伤检测装置。该检测装置利用FPGA产生正负两路以及频率和周波数可调的脉冲串,并采用多级放大解决电磁超声回波的接收信号比较微弱的问题。利用产生的表面波对金属板中的缺陷进行检测,并进行了声场指向性试验。ANSYS仿真中,电磁超声换能器的3-D的有限元模型在厚度30mm的铝板中,产生的洛伦兹力使铝板发生质点位移变化,形成表面波。在实际试验中,在长600mm,宽300mm,厚30mm的铝板和钢板上进行试验,经试验验证,电磁超声表面波探伤检测装置可在铝板与钢板中产生表面波,产生的表面波能够对板中的缺陷进行检测。声场指向性试验证明表面波传播具有指向性。回波信号经小波降噪处理后,达到了预期效果,信号得以清晰展示。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 无损检测技术的发展与应用  10-12
  1.2 电磁超声波产生的原理  12-14
  1.3 电磁超声检测技术的国内外研究现状  14-16
  1.4 论文研究的主要内容及章节安排  16-18
    1.4.1 论文的主要内容  16
    1.4.2 论文的章节安排  16-18
第二章电磁超声表面波的理论研究  18-29
  2.1 电磁超声表面波的基本理论  18-19
  2.2 表面波的产生方程  19-27
    2.2.1 电磁超声的基本方程  19-20
    2.2.2 永磁体的磁场方程  20-21
    2.2.3 EMAT 的电磁场  21-22
    2.2.4 脉冲涡流场方程及洛伦兹力方程  22-24
    2.2.5 铁磁性材料受到的力  24-26
    2.2.6 洛伦兹力激发的表面波的方程  26-27
  2.3 表面波接收方程  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章电磁超声表面波的有限元的仿真  29-39
  3.1 电磁超声波产生的基本原理  29-30
  3.2 表面波有限元仿真基本过程  30-32
    3.2.1 有限元仿真基本思想  30
    3.2.2 建立模型有限元仿真  30-31
    3.2.3 网格划分  31-32
  3.3 永磁铁产生的磁场强度  32
  3.4 铝板表面感生出涡流  32-33
  3.5 铝板受到洛伦兹力  33-36
  3.6 铝板有缺陷的仿真  36-38
  3.7 本章小节  38-39
第四章电磁超声表面波的硬件电路设计  39-55
  4.1 电磁超声系统的总体结构  39
  4.2 发射电路  39-43
  4.3 驱动电路  43-44
  4.4 功率放大电路  44-45
  4.5 阻抗匹配  45-47
  4.6 EMAT 探头  47-51
  4.7 接收电路  51-54
  4.8 本章小节  54-55
第五章试验结果与分析  55-66
  5.1 铝板的缺陷检测  55-58
  5.2 电磁超声表面波的指向性简略测试  58-60
  5.3 电磁超声系统在钢板中的试验  60-61
  5.4 铝板和钢板的探头形式初探  61-63
  5.5 电磁超声回波信号处理  63-65
    5.5.1 小波去噪的基本原理  63-64
    5.5.2 超声检测信号小波去噪  64-65
  5.6 本章小节  65-66
第六章结论  66-67
参考文献  67-69
附录A 接收电路PCB 图  69-70
附录B 激励电路PCB 图  70-71
附录C 电源电路PCB 图  71-72
附录D 可调增益放大电路图  72-73
在学研究成果  73-74
致谢  74

金属板表面电磁超声探伤技术的研究

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