基于编码压缩的纤维缠绕气瓶贴附式电磁超声检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在纤维缠绕储氢气瓶在线监测中回波信噪比低、洛伦兹力机制失效等问题,提出了基于编码压缩的贴附式电磁超声水平剪切(SH)导波检测方法,通过有限元建模分析了Barker编码序列位数和码元载波周期、chirp信号脉宽和带宽、组合Barker码的组合方式对脉冲压缩信号的信噪比和分辨率的影响,并进行了实验验证,最后开展了纤维缠绕储氢气瓶中长20 mm、宽0.5 mm、深2 mm裂纹检测实验。结果表明,采用金属贴膜方式能有效解决EMAT在非金属材料中难以检测的难题;增加Barker码的序列位数和载波周期、增大chirp脉宽以及减小chirp带宽、增加组合Barker码的序列长度均可以提高脉压信号信噪比;经优化设计后,相较于传统Tone-burst激励方式,脉冲压缩技术可以将缺陷波信噪比至少提高20.4 dB,在不同编码算法中,chirp信号激励下的信噪比最高,达到了23.9 dB,采用3×13位组合Barker码时,脉压信号的主瓣宽度为28.8μs,分辨率最高,但信噪比较低。     

高温锻件在线快速检测螺旋线圈EMAT优化设计

在高温铸造/锻造过程中进行缺陷的检测、控制和修复以及厚度测量,并据此调整加工工艺参数,及时剔除缺陷/尺寸超标件,避免进入下一步工序,对提高产品合格率、实现环保制造,具有重要的工程应用价值。针对电磁超声换能器(Electromagnetic ultrasonic transducer, EMAT)在大提离、强环境电磁干扰、高温等严苛条件下对表面粗糙形貌、晶粒粗大的铸锻件进行快速检测时的信噪比和空间分辨率差这一难题,建立基于chirp信号激励的螺旋线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析EMAT设计参数、chirp信号带宽、脉宽等因素对脉冲压缩后的回波主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取主瓣峰值主瓣宽度最佳参数组合,并通过试验加以验证。设计耐高温EMAT探头,比较单一正弦脉冲激励信号和chirp脉冲压缩在650℃以上高温锻件检测的信噪比和主瓣宽度。结果表明,采用chirp脉冲压缩技术,高温EMAT检测的信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)、空间分辨率和检测效率更高。在720℃高温锻件、提离为3 mm且无同步平均条件下,与单一正弦脉冲激励相比,采用脉冲压缩...     

EMAT非线性高次谐波提取方法与电路设计

由于电磁超声换能器(EMAT)非线性高次谐波信号微弱且通常湮没于基频和噪声信号中,EMAT高次谐波信号的提取对于提高EMAT纳米级微结构缺陷非接触原位检测精度、降低检测成本具有重要的作用。文中研究了脉冲激励下EMAT微弱信号宽带前置放大后时域和频域信号特征,分析了EMAT接收信号超外差调频放大方法以及非线性高次谐波信号幅值、相位提取的互相关锁相检波方法的理论基础,并针对实测的EMAT信号进行了高次谐波提取分析。同时,研究了EMAT非线性高次谐波提取电路设计方法。研究结果对深入研究开发EMAT非线性检测器具有重要的理论和实际意义。     

静态偏置磁场对电磁超声换能器灵敏度的影响

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustictransducer,EMAT)灵敏度低,其静态偏置磁场是影响EMAT灵敏度的关键因素.为提高EMAT的灵敏度,利用有限元软件ANSYS计算EMAT中永磁体产生的磁感应强度,得到磁感应强度的分布规律,并结合试验方法获得永磁体的优化结构参数,以指导EMAT结构的优化设计.研究结果表明,当永磁体与线圈的间距减小时,超声振动回波幅值增大,但对线圈干扰加大,在两者之间取折中能够得到较高信噪比的回波信号;永磁体厚度对换能器灵敏度产生严重影响,当厚度增大,磁感应强度增强,但趋势逐渐变缓.聚磁板的应用有利于集中磁感应强度,提高回波信号的信噪比.     

基于脉冲压缩技术的高温连铸坯壳厚度测量EMAT设计及应用

采用非接触电磁超声技术实现高温连铸坯壳厚度测量,实时调整辊压力、冷却喷水量、压下位置和压下速度等工艺参数,避免出现中心偏析和松散问题,具有重要的工程应用价值。为了进一步提高电磁超声换能器(EMAT)在晶粒粗大和表面振痕的高温铸坯中的信噪比和空间分辨率,建立了基于Chirp信号激励的跑道线圈电磁超声检测过程的有限元模型,分析了EMAT设计参数、Chirp信号频宽和脉宽等因素对脉冲压缩后的超声回波信噪比和空间分辨率的影响,并通过实验予以验证。结果表明:经过脉冲压缩后,超声回波的SNR提高19 d B以上,波包宽度减少62. 4%以上; Chirp信号脉宽和永磁体尺寸对信噪比有显著影响,Chirp信号频宽、永磁体间距和宽度、跑道线圈导线直径及其阻抗匹配参数影响空间分辨率。     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈 EMAT 检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值\\主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证。比较了0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。     

管道平衡电磁内检测技术串联谐振激励电路研究

针对平衡电磁技术对管道内表面周向、轴向裂纹缺陷检测的灵敏度问题,提出采用串联谐振激励电路增大激励电流,提升检测灵敏度的方法.利用电磁场理论分析了平衡电磁技术激励电流对检测信号的影响,以有限元仿真的方式计算了不同激励电流下检测信号的曲线与幅值,研究了串联谐振电路减小激励线圈阻抗,增加激励电流的机理,设计了基于串联谐振的激...     

应用微分算法处理特种管道测厚激光超声信号

为了实现特种管道在高温、高压、辐射等特殊环境下管壁厚度的非均匀性检测,提出一种基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法。采用脉冲激光激励和激光干涉探测的激光超声方法,实验测得管道试件的宽频带激光超声信号。采用数字平均算法对宽带激光超声信号进行去噪处理,提高原始激光超声信号的信噪比。采用微分算法对激光超声信号进行特征提取处理,得到表征管壁厚度的激光超声特征信号。根据管道材料声速和激光超声传播时间反演计算得到管道试件的壁厚值,管壁厚度测量值与实际值的误差小于5%。研究表明,基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法具有良好的信噪比、准确的信号特征量和较高的测量精度,可用于管道壁厚的在线实时检测以及因腐蚀、应力引起的管道壁厚不均匀性检测。     

微机械陀螺非线性特性的自由衰减振荡测量方法

针对微机械陀螺非线性特性的测量问题,研究了一种频率步进式正弦脉冲激励的自由衰减振荡测量方法。在谐振频率附近,采用步进式正弦脉冲序列作为激励信号,得到一组包含系统不同程度非线性动力学特征的自由振动响应信号。通过Hilbert变换提取自由振动信号的瞬时幅值和瞬时频率,计算得到骨架曲线簇,即可实现非线性动力学特性的实验测量。以Duffing系统为例,对不同信噪比自由振动响应信号进行了数值仿真,结果表明这种方法比FREEVIB方法具有更好的抗噪声性能。对一种环型振动微陀螺进行了实验测试,所得到的骨架曲线与传统扫频方式的测量结果一致。作为一种测试手段,这种方法同样可用于其他类型微机械谐振器动力学特性的实验测试。     

基于EMAT的三维声场断层扫描测量方法研究

不同电磁超声换能器(EMAT)的辐射声场分布特性不同,为了保证检测的有效性,需要对其声场分布进行准确测量。为测量固体金属材料中超声横波辐射声场的分布,采用针式EMAT作为测量超声横波声场的换能器,研究了基于断层扫描方式测量并重构三维辐射声场的方法。进一步建立了三维声场断层扫描测量实验系统,分析了测量系统的误差,并提出测量数据的补偿方法。实验测量了环形线圈EMAT在激励频率3.5 MHz时的辐射声场分布,获得其在铝和20#钢中的三维辐射声场,并分析得到其近场距离约为8 mm。结果表明该方法可有效地呈现超声横波在固体金属材料内部不同深度截面的声场分布,并对其处理可以获得待测EMAT在固体中的三维辐射声场分布。     

周向导波电磁超声探头(EMAT)设计与优化

为了利用SH0模超声周向导波检测油气管道纵向裂纹,提出了一种新的周向导波电磁超声探头(EMAT)结构设计,其结构特点是磁铁顶部放置碳钢片,相邻磁铁之间放置非磁性材料片.为了提高周向导波EMAT的换能效率,采用ANSYS仿真对其结构参数进行了优化.优化的结果为:磁铁顶部应放置厚度大于1mm的碳钢片,线圈中导线间距要尽量小.在直径200 mm壁厚、4mm的管材上进行实验,结果表明,优化设计后的探头能有效地激励出周向SH0导波.     

基于粒子群参数优化的 O-VMD 数据处理方法研究

针对电磁超声测厚换能器保护提离距过大导致回波信号微弱且信噪比低,难以在时域内直接准确提取渡越时间得到精 确厚度值的问题,提出频域内粒子群(PSO)优化变分模态分解(VMD)参数的 O-VMD 渡越时间提取方法。 分别对分解层数和 惩罚因子选取固定参数,及基于峭度与功率谱熵联合适应度函数的 PSO 算法获取 VMD 遍历优化参数,进行双次 VMD 处理,滤 除高频及低频噪声;选取能量最大模态进行信号重构,并应用希尔伯特变换获取回波信号时差。 在不同提离条件下,对不同厚 度铝板检测数据采用 O-VMD、经验模态分解(EMD)等方法进行信号对比处理,结果表明,提离距在 0 ~ 2. 1 mm,O-VMD 方法最 大误差为 0. 67% ,且误差与提离距成正比,为精确获取高提离距测厚数据提供依据。     

电磁超声电声转换效率的影响因素分析

电磁超声是一种非接触超声检测方法,因不需要耦合剂,在一些常规超声无法实施的特殊检测领域发挥着重要作用。但是,由于电磁超声电声转换效率低,制约着电磁超声的广泛应用。分析了几种参数对电磁超声电声转换效率的影响,包括探头的提离、激励信号的电流幅值、频率、周期个数和仪器的输出功率等几个因素。研究表明：随着探头提离的增大,电磁超声的信号几乎成指数衰减;通过优化激励信号的电流幅值、周期个数和激励频率以及在探头两端增加阻抗匹配单元,可以提高电磁超声的电声转换效率。     

噪声激振下的油井动液面测量方法研究

油井动液面深度是原油开采中的关键工作参数,也是油田合理安排开采计划的重要依据。 针对目前声共振法存在测量 范围不足和测量精度较低的问题,论文提出了噪声激振下的油井动液面测量优化方法。 本文首先探究了激励频带变化对测量 结果的影响,并建立了强噪声激励下系统输出响应信号的数学模型。 然后,根据建立的数学模型提出了共振信号的提取算法, 通过功率谱估计和自适应同态滤波有效抑制了强噪声对共振信号的干扰。 最后,研究了基于双线性插值的离散频谱校正算法, 实现了共振特征参数的精确估计。 实验结果表明,该方法能在强噪声干扰下提取出共振信号,实现了超过 1 700 m 的动液面稳 定测量,且波动小于 2 m。     

A new method for wideband characterization of resonator-based sensing platforms

A new approach to the electronic instrumentation for extracting data from resonator-based sensing devices (e.g., microelectromechanical, piezoelectric, electrochemical, and acoustic) is suggested and demonstrated here. Traditionally, oscillator-based circuitry is employed to monitor shift in the resonance frequency of the resonator. These circuits give a single point measurement at the frequency where the oscillation criterion is met. However, the resonator response itself is broadband and contains much more information than a single point measurement. Here, we present a method for the broadband characterization of a resonator using white noise as an excitation signal. The resonator is used in a two-port filter configuration, and the resonator output is subjected to frequency spectrum analysis. The result is a wideband spectral map analogous to the magnitude of the S21 parameters of a conventional filter. Compared to other sources for broadband excitation (e.g., frequency chirp, multisine, or narrow time domain pulse), the white noise source requires no design of the input signal and is readily available for very wide bandwidths (1 MHz-3 GHz). Moreover, it offers simplicity in circuit design as it does not require precise impedance matching; whereas such requirements are very strict for oscillator-based circuit systems, and can be difficult to fulfill. This results in a measurement system that does not require calibration, which is a significant advantage over oscillator circuits. Simulation results are first presented for verification of the proposed system, followed by measurement results with a prototype implementation. A 434 MHz surface acoustic wave (SAW) resonator and a 5 MHz quartz crystal microbalance (QCM) are measured using the proposed method, and the results are compared to measurements taken by a conventional bench-top network analyzer. Maximum relative differences in the measured resonance frequencies of the SAW and QCM resonators are 0.0004% and 0.002%, respectively. The ability to track a changing sensor response is demonstrated by inducing temperature variations and measuring resonance frequency simultaneously using the proposed technique in parallel with a network analyzer. The relative difference between the two measurements is about 5.53 ppm, highlighting the impressive accuracy of the proposed system. Using commercially available digital signal processors (DSPs), we believe that this technique can be implemented as a system-on-a-chip solution resulting in a very low cost, easy to use, portable, and customizable sensing system. In addition, given the simplicity of the signal and circuit design, and its immunity to other common interface concerns (injection locking, oscillator interference, and drift, etc.), this method is better suited to accommodating array-based systems.     

基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪

基于电磁超声技术,研制了一款手持式高强度螺栓轴力测量仪,具有非接触、无需打磨、无需耦合剂和实时测量的特点.设计了可同时激发横波和纵波的电磁超声探头,实现了双波法轴力测量,能够解决在役螺栓长度未知的问题;设计了基于FP GA的高频大功率脉冲发射模块和低噪声信号调理模块,实现了电磁超声探头的激励与超声信号的接收;设计了基于...     

电磁超声换能器的研究进展综述

电磁超声换能器是一种新型的超声波发射接收装置。因为无需与被测物接触，EMAT将传统的超声无损检测技术扩展到了高温、高速和在线检测中；同时，由于能够省略对被测物表面较为繁琐的预处理工作，EMAT显著提高了检测效率。目前，在充分发挥电磁超声自身优势的基础上，通过与其他新技术相结合、并应用多种新的建模和信号处理方法，EMAT的功能已变得日益强大。以近十几年的文献为基础，从EMAT装置的设计与优化、EMAT模型的建立、EMAT接收信号的处理、电磁超声技术的工程应用几方面对EMAT的研究现状和最新发展进行了综述。     

用于电磁超声检测系统的宽带匹配电路的设计

电磁超声换能器是一种新型超声波发射接收装置,与传统的压电式换能器相比具有无需声耦合剂、无需对待测物预处理等显著优点。但是该装置换能效率很低,必须通过改善电磁超声电路系统的性能来增加接收信号的强度。为了提高电路系统的能量转换效率,设计了基于传输线理论的电磁超声宽带匹配电路。实验表明:所设计的匹配电路能够使发射电路输出功率增加60%,有效提高了检测系统的整体效率,为电磁超声技术的工程应用奠定了基础。     

基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法

为了有效利用电磁超声中的脉冲涡流信号,实现电磁超声、脉冲涡流检测方法对缺陷检测的优缺互补,提出了一种基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法,并结合数值仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

基于电磁超声的火车车轮裂纹检测系统

介绍了一种基于电磁超声波技术的火车车轮表面裂纹自动检测系统的设计方法.分析了电磁超声波的产生机理,设计了电磁超声表面波换能器（Electro-magnetic acoustic transducer）,实现了电磁超声波信号的发射与接收.利用锁相放大技术处理微弱的裂纹回波信号,提高了系统的抗干扰能力,降低了系统的等效噪声带宽.并设计了基于PCI总线的高速数据采集卡,利用专用接口芯片PCI9030设计接口电路,将数据传送到上位机.实际测试结果表明、系统性能稳定,满足技术指标要求.