电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响.结果表明:减小基板厚度以及提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率.最后通过实验进行验证,仿真结果与实验基本一致.     

基于Halbach原理的电磁超声换能器永磁铁设计

在实际应用中,电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer,EMAT）的转换效率低是一个普遍存在的问题,如何提高其检测效率是研究的重点。为了提高接收信号的幅度,对比了两种永久磁铁结构,选定了一种基于Halbach阵列的永磁铁的新型结构模型。对磁铁的提离距离做了仿真分析与实验研究,得出最合适的提离距离为2mm。通过理论计算与有限元方法的大量仿真与结构优化,验证了其结构的可行性与有效性。结果表明,新型EMAT结构能够有效提高接收信号的幅度,信噪比大约是传统EMAT结构的1.9倍。     

Barker码脉冲压缩技术在铝合金电磁超声表面波检测的应用研究

针对高温铝合金铸锻件在大提离、表面粗糙等恶劣条件下进行在线、快速检测时电磁超声检测回波信噪比差这一问题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的曲折线圈电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)检测过程有限元模型。采用正交试验表,分析了Barker码码元周期数、EMAT设计参数等对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;比较了不同同步平均次数和提离距离时传统猝发音驱动方式和Barker码脉冲压缩技术对应的检测回波信噪比,并验证了Barker码脉冲压缩技术在无同步平均条件下对长5 mm×宽1 mm×深0.5 mm裂纹的检测能力。结果表明：在提离为0.3 mm时,与16次同步平均抑噪的猝发音驱动方式相比,采用Barker码脉冲压缩技术在无同步平均条件下可以将超声回波信噪比提高4.0 dB。在提离为1.3 mm和无同步平均的条件下,猝发音驱动方式难以获取足够信噪比的超声回波,而通过Barker码脉冲压缩技术则可以将超声回波的信噪比提高20.3 dB。对于长5 mm×宽...     

基于吸盘式脉冲电磁铁的EMAT实验研究

电磁铁式电磁超声传感器较永磁体式具有接触和移动性好、不易粘附杂物等优点,工程应用潜力巨大,然而目前对其研究开发较少.提出了一种基于吸盘式脉冲电磁铁的EMAT,能更好地适应环形线圈,实现超声波的激励与接收.建立了通用的脉冲电磁铁式电磁超声传感器检测实验系统,在铁磁性材料和非铁磁性材料上进行了脉冲回波式检测实验,验证了传感器的有效性.研究了主要影响因素(被检材料、励磁电流和提离距离)对此种传感器检测信号的影响规律,结果表明此种传感器在铁磁性材料上的换能效率远大于非铁磁性材料上的换能效率;一定范围内传感器检测信号幅度随励磁电流线性增加,随提离距离呈反比函数关系衰减.     

基于EMAT等效电路模型的耦合分析

电磁超声换能器通过电磁耦合的机理在金属试件上激励、接收超声波。基于EMAT的工作原理,可建立EMAT的等效电路模型,将偏置磁场、激励线圈、金属试样三者间的耦合视为一个等效电路。在这种耦合作用下,等效阻抗会受到金属试样材料属性、线圈提离及偏置磁场等因素的影响。针对不同材质的金属试样及不同提离高度的情况进行实验测试,分析了试样材料参数和提离高度对电磁耦合的影响,给EMAT的优化设计提供帮助。     

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列.由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一S0模态兰姆波.实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响.另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响.结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好.     

基于FPGA的电磁超声脉冲信号发生器的设计

激励信号源是电磁超声检测系统的核心模块之一,其输出信号决定了电磁超声检测仪检测的质量。按照电磁超声检测系统对激励源的要求,设计了相应的正弦脉冲激励源。该设计系统主要包括FPGA的硬件语言合成脉冲信号、D/A转换、滤波放大、功率放大和阻抗匹配等硬件电路。该系统可输出频率、初始相位、占空比可调的脉冲正弦信号,满足EMAT对激励源的要求。可为设计便携式的电磁超声检测仪提供借鉴。     

采用RLC激励的EMAT圆柱探头设计参数分析

电磁超声换能器(EMAT)的线圈探头是激发和接收检测信号的传感器,为获得满足检测需要的具有一定频率和幅值的超声信号,需要对线圈探头进行合理的结构设计,以提高检测效率。在介绍RLC脉冲激励源原理的基础上,提出了空心圆柱线圈探头,并针对探头在激励和换能过程中的双重作用,详细分析了线圈探头的各种参数对激励信号源和检测效能的影响,为采用RLC脉冲放电激励的线圈探头设计提供了理论和实际指导。依据分析结果,设计了探头线圈和实验检测系统,证明了理论分析的正确性。     

数字超声检测仪中窄带激励脉冲的CPLD实现

为了提高数字式超声波检测仪系统的距离分辨率,使超声检测系统具有探测速度快、精度高、分辨率高、可靠性高等优点,要求激励i脉冲的脉宽和频率具有可调性.采用分频器的设计思想,给出了一种频率、脉宽可调的窄脉冲发生器设计原理,并用CPLD实现了一种可满足数字超声波无损检测仪激励信号需要的脉冲信号发牛器,通过实验仿真证明所产生的窄带激励脉冲具有频率,脉宽可调的特点,从而提高了系统性能,使参数凋整更加方便.同时,还可用于其它需要产生频率,脉宽可变脉冲的场合.     

基于收发一体聚焦超声换能器的浅表组织损伤实时监测研究

在聚焦超声治疗浅表组织疾病过程中,尚无有效的手段对焦域组织损伤进行监控。以聚焦超声换能器为基础,构建了一套超声治疗和损伤监控一体化的超声脉冲回波信号监测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络,进而得到包络信号的积分值,用该积分数值大小来表征超声脉冲回波信号的强弱。计算出回波信号的相对变化值,从而分析出回波信号的相对变化与组织损伤的关系。离体牛肝实验结果表明：在相同辐照模式下,随着辐照回合数增加,回波信号相对变化值随之增大,组织损伤面积也随之增大。根据换能器接收的回波信号变化可以判断离体组织亚毫米级损伤的形成,且回波信号的强弱与离体组织损伤大小吻合度良好。这为聚焦超声治疗浅表组织疾病提供了一种具有一定应用前景的损伤监测方案和手段。     

增强SH波电磁超声传感器信号的方法与实验

电磁超声传感器技术作为一种非接触无损测量方法,可用于恶劣工况的无损检测,尤其是可以实现水平剪切(SH)波的激励和接收。基于磁致伸缩效应的常规SH波电磁超声传感器信号较弱,为得到较强SH信号,改善信噪比,提出了一种增强电磁超声传感器信号的方法。该方法是在主永久磁铁闭合磁路上施加辅助永久磁铁,提高电磁超声线圈下部构件磁化强度,从而增强信号。实验证明:此方法可以使信号得到明显增强,并且有助于提高缺陷检测能力。     

基于磁致伸缩电磁超声导波的钢板焊缝缺陷检测

针对工业现场使用压电超声波检测焊缝缺陷时需使用耦合剂的问题,研究了通过无须耦合剂的基于磁致伸缩电磁超声对薄钢板焊缝中缺陷进行检测的方法,并且针对电磁超声换能效率低、信号微弱的问题,通过仿真优化了回折线圈结构参数,选择了三分裂回折线圈,并探究了导波频率对缺陷检测灵敏度的影响。仿真结果表明:相比于无分裂线圈,选择三分裂回折线圈后激励信号面内位移幅值提高了94.2%,随着导波频率增加,缺陷反射回波幅值表现出先增大再减小的变化规律。实验结果表明:S0模态Lamb波垂直入射焊缝时,焊缝本身产生的回波与缺陷信号相比相对较小,缺陷检测阈值达到1 mm,缺陷定位误差小于2 mm,证明了电磁超声导波具备检测焊缝中毫米级缺陷的能力。     

超声导波任意波形脉冲激励源的设计与实现

根据适用于激励超声导波的信号的特征,在改进直接数字频率合成器(DDS)结构的基础上,运用DSP+ FPGA等工具设计出适合导波检测用的任意波形脉冲激励源.该激励源可根据实际检测条件调整激励波形的类型且激励信号中心频率、周期数、幅值、重复频率等参数均可设置.经实验验证,此激励源能生成导波检测所需要的各种波形信号,且能扩展...     

小型超声导波管道检测系统的研究和开发

针对目前我国超声导波检测设备的落后现状,根据超声导波检测的机理,采用新型高速单片机、模数转换芯片、高频线性功率放大电路、环状阵列压电陶瓷传感器和基于LabVIEW的数据采集软件,开发了一种集成化的小型超声导波检测系统.该系统能够在管道中激励和接收超声导波,通过对激励波及反射回波的时空位置分析,判断出管道长度及存在的缺陷.     

注入脉冲与局部放电UHF信号的等效性仿真研究

在进行GIS UHF传感器现场校核时注入的模拟脉冲和真实局部放电在GIS中传播衰减规律的等效性是保证传感器校核有效性的重要前提。本文通过建立与某220KV GIS尺寸一致的模型,仿真分析了注入脉冲与局部放电UHF信号的等效性,仿真过程中将信号源分别设置在GIS内部高压导杆和GIS金属法兰浇筑孔处来作为局部放电激励源和注入脉冲激励源。在仿真模型的内部设置了观测点来接收UHF电磁波信号,通过在观测点测量到的信号幅值来比较注入脉冲与局部放电UHF信号的衰减程度,同时使用FFT变换对信号波形进行了频谱分析。研究结果表明,注入脉冲UHF信号在时域和频域上均能很好地模拟局部放电UHF信号,在现场实验时可利用注入脉冲来代替局部放电来对UHF传感器进行校核。     

超声波传感器深度增益补偿电路设计

为了补偿超声探伤信号在动车组转向架中的传播损耗,利用超声波传感器,根据深度增益补偿的基本原理和微弱信号在不同深度处的衰减规律,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字可控制式的增益放大补偿方法和电路。由XC6SLX16型FPGA的PLL模块产生精确的时钟控制信号,并输出数字量到DA芯片产生补偿电压曲线控制AD8330的放大增益倍数,再使深度补偿增益后的回波模拟信号进入LTC2249芯片内转换成数字信号,以便为下级数字信号再处理使用。实验结果表明:在超声波探伤仪系统的电路输入端加入频率为5 MHz、峰峰值为2 mV的正弦波激励后,通过改变步进值为5 dB的3种不同增益的大小,可以实现不同的放大增益,使衰减得到补偿。