基于相控技术的钢板电磁超声检测方法

为了提高钢板中电磁超声回波信号,提出了一种基于相控技术的钢板电磁超声检测方法.研究了相控聚焦技术和钢板中电磁超声换能器的换能机理,通过多阵元组成激发换能器阵列,运用延时法使超声波在目标区等相位叠加,实现超声波聚焦,并在Q235钢板上采用分立式结构进行实验验证.结果表明:该方法有效弥补了收发换能器间声程差引起的相位偏移,激励电压一致时,658 mm处接收的回波信号幅值提高为中心换能器单独激发时的2倍;采用三阵元激励换能器阵列检测方法可实现缺陷处的超声波聚焦,520 mm处缺陷回波幅值提高为中心换能器单独激发时的1.83倍.     

超声导波电磁声换能器的研究进展

超声导波具有检测范围大、检测效率高等优点,广泛应用于板、管等典型波导结构的缺陷检测.作为超声导波换能器类型之一,电磁声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)得到广泛关注和快速发展.综述了近20年来超声导波电磁声换能器的研究进展.主要包括:针对板和管结构超声导波检测的单模态EMAT结构设计;用于提高激励导波的能量和模态单一性的EMAT线圈与磁体结构参数的优化,针对非金属材料检测的新型贴片式EMAT的结构设计;阵列技术在EMAT性能优化上的应用和在缺陷定位和成像上的应用.     

电磁换能器加载效率的优化设计与仿真

针对传统的电磁超声换能器导线与铝板间由于集肤效应导致加载效率较低这种情况,设计了一种改造电磁超声加载线圈和整体结构的新型电磁超声加载装置。基于有限元仿真软件,分别建立传统与新型的电磁超声加载器的有限元分析模型,并对其激发过程进行仿真,将两模型所得仿真结果 (铝板内洛伦兹力,交变电流密度)进行分析对比。得出结论:新型的电磁超声设计能够显著提高加载效率。     

电磁超声表面波辐射声场的三维有限元分析

为了得到电磁超声表面波换能器在被测试件表面和内部的辐射声场分布,采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器辐射声场进行仿真.建立了电磁超声换能器三维有限元模型并进行了优化,给出了被测试件中感生涡流与换能器激励线圈参数的量化关系.通过电磁结构耦合的方法得到被测试件内部及表面不同方向质点的位移变化,分析了在被测试件内部的辐射声场分布,并给出了被测试件表面辐射声场的指向性规律.根据仿真模型搭建了电磁超声探伤平台,实验结果与指向角仿真结果基本吻合.实验结果表明：对电磁超声表面波辐射声场的有限元仿真,为其设计优化、实际探伤范围的确定、接收线圈放置位置,以及收发装置的安装角度提供了依据.     

电磁超声兰姆波换能器在金属板检测中的优化

为了提高电磁超声波在金属板中的传播距离,研究了金属板检测中的电磁超声兰姆波换能器的换能机理.通过分析兰姆波在金属板中传播的频散曲线,得出低频率范围内A0、S0模态兰姆波具有远传特性.对兰姆波换能器进行仿真计算,分析了在单极型永磁铁和马蹄形磁铁作用下,线圈受到的磁感应强度和洛伦兹力的分布情况,并对马蹄形兰姆波换能器进行了实验研究.结果表明,当激励频率为400 kHz时,S0模态兰姆波得到了有效抑制,使A0模态兰姆波幅值达到最大,传播距离可达18 m;在马蹄形磁铁作用下,兰姆波换能器的有效检测距离是单极型磁铁的1.8倍.     

电磁超声在钢管探伤中的应用

为了提高超声波换能器的电 声转换效率与探伤精度,利用直接频率合成技术对电磁超声表面波进行激励,并采用选频放大技术对电磁超声接收信号进行处理.实验分析中通过改变激励信号的强度、频率、脉冲串个数、激发相位,得到电磁超声波激发的最佳条件,所设计的锁相放大电路能将微弱的电磁超声接收信号从强噪声背景中分离,有效改善接收信号的信噪比.实验结果表明,电磁超声检测方法可以实现无接触测量,适用于高温、高速、涂覆状态下的超声检测.     

一种应用于超声无损检测的广谱反卷积技术研究

为了提高复合材料超声无损检测（UNDT）分辨率,提出一种基于小波变换和粒子群算法（PSO）的广谱反卷积新技术.在利用小波变换多分辨率分析能力对超声反射回波信号消噪,并确定超声反射系数位置集的基础上,采用粒子群优化算法求出相应位置反射系数的幅值,从而消除畸变小波的平滑作用,有效改善检测分辨率.同时,该技术还突破传统方法仅适合于超声回波信号为平稳、检测噪声为白色以及先验知识已知的场合应用的局限性.计算机仿真和实验研究表明,与传统反卷积技术相比,该方法能极大地提高超声检测的分辨率,并体现出较强的广谱适应性和鲁棒性.     

不锈钢管内壁腐蚀层厚度的涡流检测仿真

针对耐热奥氏体不锈钢内壁腐蚀层厚度测量难的问题,建立了典型腐蚀状态下奥氏体不锈钢结构的有限元仿真模型,提出了采用低频涡流检测内壁腐蚀层厚度,并用高频涡流测量外壁氧化层厚度以对低频检测结果进行修正的检测方法.结果表明,腐蚀层厚度增加会引起低频涡流检测信号幅值和阻抗模的增加,而外壁存在的氧化层会对检测信号造成干扰.腐蚀层厚度和氧化层厚度对涡流检测信号影响的变化规律与仿真结果具有一致性.     

基于电磁超声的铝板缺陷识别方法

针对铝板中典型缺陷类型,提出基于电磁超声的铝板缺陷识别方法.通过平底孔和圆底孔人工缺陷模拟实际缺陷,使用电磁超声体波获得多组缺陷回波信号样本,采用小波邻域自适应阈值消噪方法,提升信号信噪比.从时域、频域和时频域提出多种信号特征方法,提取45种信号特征.以基于类内类间距离的类别可分性判据为评价指标,通过序列浮动前向选择算法(SFFS)搜索得到最优特征向量用于缺陷识别.采用k-折交叉确认方法确定支持向量机分类器的最优参数.试验结果表明,设计的分类器能够有效地识别文中铝板内的平底孔和圆底孔缺陷,识别正确率达到了96.7%.     

不锈钢管内壁腐蚀层厚度的涡流检测仿真

针对耐热奥氏体不锈钢内壁腐蚀层厚度测量难的问题,建立了典型腐蚀状态下奥氏体不锈钢结构的有限元仿真模型,提出了采用低频涡流检测内壁腐蚀层厚度,并用高频涡流测量外壁氧化层厚度以对低频检测结果进行修正的检测方法.结果表明,腐蚀层厚度增加会引起低频涡流检测信号幅值和阻抗模的增加,而外壁存在的氧化层会对检测信号造成干扰.腐蚀层厚度和氧化层厚度对涡流检测信号影响的变化规律与仿真结果具有一致性.     

有限元仿真的衍射时差法缺陷超声检测研究

材料缺陷检测的缺点是超声信号容易被系统噪声污染,本文提出超声波衍射时差法的有限元仿真方法研究材料焊缝缺陷识别,应用ANSYS软件计算有限元数字模型,确定超声检测过程仿真的加载应用规则,分析直通波、衍射波和底面回波的接收时间,得到声压幅值图像,获取实验信号,并与仿真信号比较,结果显示,采用该方法评估焊缝缺陷大小和位置是有效的。     

压电陶瓷换能器的研究与应用

超声换能器基于压电材料制作,通过发射一定频率的超声信号,并接收载有介质信息的信号对目标介质进行检测.压电陶瓷的特殊性能决定了超声换能器在检测领域的应用越来越广泛.本文主要进行了压电陶瓷的特性分析及换能器的电路等效设计,分析了换能器的性能参数及在液体浓度检测中的应用.     

生物力学等效仿真软质材料超声测量方法的分析与研究

针对生物力学等效仿真软质材料的特点,在对超声传播性质及其检测原理进行分析研究的基础上,提出了生物力学等效仿真软质材料的超声检测方法,设计了超声测量等效仿真软质材料力学性能的测试分析系统,并对3种不同密度的等效仿真材料的声速,弹性模量和声衰减等参数进行了测算,在基于Labwindows/CVI和MATLAB的平台上对超声回波信号进行了分析处理,实现了生物力学等效仿真软质材料的超声测量.最后对仿真材料的力学性质与超声回波信号之间的关系进行了分析,结果证明了所提方法的可行性.     

有界双层结构SH导波频散特性分析

为了检测附着防腐层层状结构中是否存在剥离、孔洞等缺陷,利用超声SH导波研究层状结构频散特性的影响因素,基于弹性及粘弹性波动理论并依据Navier运动位移方程推导了附着防腐层双层结构的频散方程,并分析了防腐层剥离缺陷状态对频散特性的影响.结果表明:通过研究SH导波频散特性的变化可反映附着防腐层的双层结构是否存在剥离缺陷;防腐层产生剥离缺陷时,导波SH_0模态发生频散且向防腐层横波速度渐近.防腐层剥离缺陷尺寸增大,回波信号幅值增加,截点振动速度变慢,导波能量衰减减小.     

焊缝的超声波检测与有限元仿真

为了避免超声波在检测焊缝的过程中因噪声信号干扰而导致结果的错估,首先采用MUTLI软件中的超声波衍射时差法（TOFD）来检测人为的焊缝缺陷试块,得到准确的A扫图与TOFD图像;然后利用ANSYS软件模拟仿真超声波的检测过程,根据惠更斯原理建立超声波检测的有限元数值模型.将超声波的传播过程看做对试块的加载过程,从不同的节点上施加具有时间延迟的载荷,得到声压幅值图像.对比分析实验幅值图像与仿真幅值图像,两种图像的相似度很高,证实有限元仿真方法有助于超声波对焊缝的检测.从仿真的幅值图像中可以判定实验图像中的干扰信号,对检测结果的误差分析具有很大的帮助.     

固体火箭发动机药柱超声缺陷特征研究

通过对固体火箭发动机药柱材料黏弹性的分析决定了超声检测探头的最佳频率为1 MHz.采用双探头脉冲反射法,综合了穿透法和脉冲反射法的优点,实现了超声信号在固体火箭发动机药柱中传播时能量强衰减的情况下超声回波信号幅值的最优化.利用超声缺陷信号的时频域特征,较好地实现了该类型药柱的线性定量无损检测.     

芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验

为了解决当前采用一维纵向超声加载模式进行芯片键合时造成结合面不充分的问题,设计纵弯复合超声能量加载模式的压电超声换能器,实现轴向纵振和水平弯振复合的超声振动代替传统单一的轴向振动. 采用ANSYS软件,对换能器有限元模型进行模态分析和谐响应分析,得到换能器纵振和弯振模态的谐振频率及振型. 通过调节换能器结构尺寸,实现纵振与弯振模态的简并. 采用阻抗分析仪对样机的频率和阻抗进行测试,使用激光多普勒测振仪测试换能器的纵振与弯振幅值,测试结果与有限元仿真计算结果一致,发现纵向与弯曲振幅均随着驱动电压的增加呈近似线性上升趋势, 证明设计的压电换能器实现了纵弯复合振动.     

基于互导纳原理的梳状传感器优化设计

为优化梳状表面波传感器最佳结构参数,达到提高接收信号的幅值、减少波形拖尾现象的目的,提出了一种基于交互导纳概念的优化设计方法,对等间距梳状表面波传感器的幅频特性进行优化.采用数值模拟的方法,在铝板上激励表面波,并通过仿真分析梳状传感器阵元个数、阵元宽度及阵元间距等关键参数对接收信号波形与幅值的影响.单阵元宽度较小时,拖尾现象较弱;随着阵元个数的增加,接收信号幅值虽有所提高,但会产生较为严重的拖尾现象.梳状表面波传感器阵元间距与激励波长的比例系数对接收信号的幅值影响较大,通过互导纳原理并结合时频分析,确定了当阵元间距等于激励波长时,梳状表面波传感器激励信号较好.     

Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

为了研究安装方便、便于携带的薄型低频发射换能器,使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元的谐振频率与实际测量值进行了比较.将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的低于10 kHz薄板型水声发射换能器,对一个厚度为25 mm、辐射面积78.5 cm2的薄板发射换能器实验模型进行了测量与标定.研究结果表明,通过阵列Cymbal换能器单元构建的发射换能器是一种工作在10 kHz以下的薄型低频宽带水声换能器,其发射声源级比尺寸类似的1-3型压电复合材料换能器高20 dB.     

电磁超声用大功率高频激励源研制

为了提高电磁超声换能器的换能效率,采用大功率高频激励源是一种有效的解决方法.针对提出的一种DE类射频功率变换器技术,建立了DE类射频功率放大器拓扑结构及其电路参数的设计方法.通过对DE类功率放大器电路仿真分析,利用TMS320F2812型数字信号处理器( digital-signal-processing,DSP)作为主控芯片,结合外围温度传感器、电流传感器、电压传感器实现了大功率高频激励源的驱动控制.通过选取UCC27531作为金属氧化物半导体盗效应管( metal-oxide-semicondutor-field-effect-transistor,MOSFET)驱动芯片,并以IRFP460作为开关器件构建变换器主电路,实现了功率MOSFET的高速驱动.实验结果表明：基于DE类谐振变换器设计的激励源,工作状态稳定,性能指标达到最大输出功率1.1 kW、负载电压峰峰值约270 V、负载电流峰峰值约26 A、最高输出频率1 MHz,能够满足电磁超声换能器的工作要求.