激光-仅线圈式 EMAT 的金属检测系统优化设计

在铝合金铸造和高温轧制过程中,采用非接触式无损检测技术实现在线监测与检测,对减小生产成本、保证生产线连续、提高产品成品率具有重要意义。首先,建立了以脉冲激光束激励和仅线圈式电磁超声换能器(EMAT)接收的铝合金Laser-EMAT检测过程有限元模型,分析了水膜表面约束机制以及硅钢聚磁结构对所激励的多模式超声波幅值的影响规律,研究了仅线圈式EMAT的励磁线圈和接收线圈的外径、内径、线径、层数等对超声波接收效率的影响;其次,开展了铝合金Laser-EMAT检测实验,验证了水膜表面约束机制、仅线圈式EMAT设计参数和硅钢聚磁结构对检测回波幅值的影响规律。研究结果表明,水膜表面约束下,采用硅钢材料作为励磁线圈的聚磁背板后,超声回波信号幅值增强了37.76%,信噪比增加了17.3 dB。在激光能量一定、光斑大小不变、励磁线圈外径为12.3 mm、内径为1.6 mm、线径为0.4 mm、层数为2层时,线圈阻抗与电路内阻一致,线圈获得的能量最多,其提供的径向偏置磁场最强。当接收线圈外径为14.1 mm、内径为1.7 mm、线径为0.26 mm时,超声波接收效率最佳。     

钢轨踏面检测电磁超声表面波换能器优化设计

钢轨踏面疲劳裂纹的产生严重影响了列车的运行安全,及时有效对钢轨踏面裂纹进行检测与评价具有重要意义。电磁超声换能器(EMAT)具有非接触、无需处理粗糙表面,易于实现快速自动检测技术等优点,但是易受提离影响、换能效率低,因此需要对EMAT进行优化设计以提高其检测灵敏度。建立多根分裂曲折线圈接收EMAT的有限元模型,基于正交试验表,分析了曲折线圈导线宽度、高度和根数以及永磁铁尺寸、提离对接收电压信号幅值的影响规律。在此基础上,获得了表面波EMAT的最佳参数组合,并通过实验加以验证。研究结果表明,与传统EMAT线圈相比,多根分裂曲折线圈EMAT的接收信号幅值可以提高50.8%;利用A\B扫检测方法,表面波EMAT可以有效检出钢轨踏面裂纹。     

大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长。为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波（SH波）的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测。建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化。在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证。结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据。     

基于同步挤压小波和脉冲压缩的钢轨踏面裂纹电磁超声表面波检测方法研究

钢轨踏面上的疲劳裂纹严重影响着列车行车安全。 针对如何快速有效地检测出踏面斜裂纹的问题,本文提出了一种快 速检测钢轨踏面裂纹的方法。 首先分别建立了含高斯白噪声、正弦信号加高斯白噪声干扰的数学模型,分析了编码脉冲压缩、 同步挤压小波变换和先同步挤压小波变换后脉冲压缩共 3 种信号处理方法的噪音抑制效果。 其次,为了验证上述方法对噪音 的抑制能力,使用激励频率为 1 MHz 的表面波电磁超声换能器对含裂纹的钢轨踏面进行检测。 最后,以检测得到裂纹的超声 回波为研究对象,比较了希尔伯特黄方法处理单一频率脉冲对应的超声回波信号和先同步挤压后脉冲压缩方法对应的降噪能 力和超声成像效果。 实验结果表明:本文所提方法可以获得钢轨踏面裂纹的位置信息及其数量。 希尔伯特黄变换在处理无同 步平均的原始超声回波时,由于回波信噪比低,经验模态分解(EMD)失效。 在以巴克码为激励信号且无同步平均采集的条件 下,先进行同步挤压小波变换后脉冲压缩处理,得到的超声回波信噪比相较于只采用相位编码脉冲压缩提高了 6. 82 dB,相比于 只做同步挤压小波变换提高了 11. 02 dB,能明显提升检测速度和 B 扫图像分辨率。     

基于相位迁移的超声相控阵聚焦扫查成像方法

为了提升超声阵列的检测能力，提出一种相控阵组合处理成像的方法。在多孔碳钢试块上进行了相控阵检测实验，并提取了平行聚焦扫查信号和单发单收时域信号。为了提高信号的信噪比，对信号进行了峰值提取、包络、差值等处理。在重构的扫查数据中引入相位迁移成像方法，并与目前主要的阵列成像方法进行了量化对比。对比结果表明，这种组合成像方法可以提升图像的质量和精度。在检测密集排布的多孔碳钢试块过程中，相控阵聚焦扫查相位迁移成像方法相对于传统相位迁移成像方法和相控阵时域合成孔径成像方法，11个横孔缺陷图像的信噪比平均提升了12.98和18.85 dB,缺陷面积误差平均降低了3.74%和4.05%。新方法具有更高的图像质量和检测精确度。     

高温铸锻件内部温度场电磁超声重构方法研究

针对高温严苛条件下铸锻件内部温度场非接触测量困难这一问题,提出了基于弯曲效应和三角形前向展开法的高温铸锻件温度场非接触电磁超声斜入射横波重构方法。结合数值仿真和730℃电磁超声检测实验,对直入射横波的三角形追踪数学模型进行了验证,并研究了声束入射角、温度梯度对斜入射横波的传播路径和渡越时间的影响,比较了不同入射角的斜入射横波的温度灵敏度系数。结果表明:基于三角形前向展开法的高温锻件温度场直入射横波重建误差在3%以内。当采用斜入射横波时,声线传播路径受温度梯度、入射角度的影响较大,且对温度梯度的变化更加敏感,无论使用横波渡越时间还是横波出射点位置偏移量均可重构高温铸锻件的内部温度场。     

超声相干平面波复合成像的环形统计矢量加权

为提高超声相干平面波复合(CPWC)成像质量,本文提出了基于环形统计矢量(CSV)的加权算法。该算法以延时信号相位为环形统计样本,通过样本平均合矢量建立反映相位分布一致性程度的相干因子。进一步地,根据波束形成及相干因子构建数量的不同,提出了全孔径环形统计矢量(tCSV)加权算法。结果表明,相比于CPWC,CSV和tCSV的散射靶点分辨率和囊肿的对比度分别提高了至少23.67%和27.69%,CNR值降低至多39.37%。与相干因子(CF)和符号相干因子(SCF)相比,虽然CSV和tCSV算法在分辨率和对比度上最大分别比之减小约12.83%和88.31%,但抑制背景噪声和保留目标靶点回波幅值的能力较强,且CNR值比之提高了约20%,其成像质量具有更好地鲁棒性。     

曲折线圈电磁超声换能器激励性能优化设计

针对电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率较低的问题,以铝板为研究对象,对传统的表面波电磁超声换能器进行了有限元建模及参数优化,分析了激励 EMAT的换能机理,建立曲折线圈EMAT检测过程的有限元模型,并基于正交试验设计方法进行优化设计,分析了永磁体尺寸、线圈设计参数、线圈层数及层间距、线圈连接方式等因素对EMAT激励效率的影响规律,得到了激励EMAT探头的最佳参数组合。研究结果表明,永磁体高度越高,宽度越窄,曲折线圈导线宽度越窄,导线高度越低,双层线圈间距越小,背板与上层线圈间距越小,并采用分裂线圈,EMAT探头的换能效率最高,多层曲折线圈之间采用并联连接相比串联连接换能效率提高50％以上,且并联曲折线圈层数不宜过多也不宜过少。     

厚壁管道周向压电Lamb波缺陷图像增强研究

为解决厚壁管道周向压电Lamb波缺陷检测中非平稳信号引起的低信噪比和分辨率问题,利用相位相干成像算法(PCI)从Lamb波信号中提取相位信息构建相位相干因子,通过动态加权处理放大相位分布对超声图像像素幅值的贡献。一方面,该方法保留相位分布一致的缺陷回波幅值,增强缺陷信噪比。另一方面,该方法能通过增强孔径波束指向性,提高后处理图像的虚拟聚焦效果及横向分辨力。通过对外径269 mm、壁厚32 mm的带有20 mm横向裂纹缺陷的厚壁管道进行了探伤检测,对得到的信号进行图像重建。结果表明,PCI的信噪比为25.2 dB,较原始B扫描图像提高了15.6 dB,半波高水平宽度由47.3 mm缩小到22.4 mm,提升了横向分辨率,提高了对缺陷的识别度。     

基于编码压缩的钢板电磁超声 Lamb 波检测方法研究

针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6 mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69 dB,可检出10 mm长和0.5 mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47 dB。当Barker码码元中心频率为1 MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A₀模态的缺陷波SNR仍可达35.23 dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。