电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化

为提高电磁超声检测信号的信噪比,研究激励信号频率、脉宽及换能器提离距离对厚度测量结果的影响,搭建了电磁超声实验系统。该系统利用RITEC-SNAP 5000产生高能正弦波激励电磁超声换能器EMAT ( Electromagnetic Acoustic Trans-ducer),通过调节激励信号的频率、脉宽,改变提离距离来观测超声回波幅度的变化。实验结果表明：当激励频率和EMAT固有频率相同时其换能效率最高,采用6个周期的脉冲串时前后波包之间分界明显,为获得较大的回波幅度应尽可能减小提离距离。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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...     

智能结构中压电元件双向换能效率的仿真研究

根据压电振子机电换能等效图,得出压电超声换能器等效二端口网络模型,由此推导了智能结构中压电换能器的双向换能函数.仿真实验表明,驱动-传感换能器对的双向换能效率随负载声阻抗的增大先升高后降低.为提高换能效率,可以采用匹配声阻抗法.     

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。     

面向高温的PE-EMAT无损检测系统有限元分析与优化

由于电磁超声换能器(EMAT)内嵌永磁铁,使其对铁磁性材料检测时极难移动,尤其面向高温环境时极不便利。通过建立嵌入脉冲电磁铁的电磁超声换能器(PE-EMAT)有限元模型,分析了脉冲电磁铁结构工艺参数对其磁场强度和感应涡流强度的影响。同时,为使PE-EMAT面向高温环境,建立传感器内部流体传热模型,研究其内部流场与温度场相互作用,构造最优水循环冷却系统。基于上述优化,搭建可适用于高温的PE-EMAT无损检测系统平台。实验结果表明:优化后脉冲电磁铁可取代永磁铁,且PE-EMAT无损检测系统可准确探测出高温下材料内部缺陷,其探测性能与EMAT接近。     

基于提离点的金属厚度监控系统设计

为了消除因机械振动对金属厚度监控结果造成的影响,采用提离点这个特征量来获得厚度信息。从理论上分析了在一定的提离范围内检测信号仅与金属厚度有关。设计了基于提离点的金属厚度监控系统,利用数字信号处理器（DSP）进行数字信号处理、检测和控制。给出了在开环状态下的测量数据,结果表明：测量误差小于1％。     

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。     

导线覆冰过程中水滴尺寸参数影响的 碰撞率分析

导线覆冰增长预测中,碰撞率是一项不可忽视的重要参数,该参数的合理获取与实时环境参数如风速、水滴直径、温湿度、气压及导线直径等密切相关。水滴中值直径（MVD）常用来近似整个滴谱,但计算表明,对于不同体积百分比的水滴分布,基于MVD的碰撞率与实际滴谱碰撞率相差较大。论文提出了新的体积权重直径（VWD）来近似滴谱,分析三种水滴尺寸参数的碰撞率：基于VWD的碰撞率更接近实际滴谱的碰撞率,相对误差较小。解析了基于VWD的碰撞率精度更高的数学原理,讨论了该方法的适用范围。同时,通过试验的对比分析,计算碰撞率和实测碰撞率相对误差较小,覆冰质量接近,验证了该方法进行覆冰预测的可靠性,进一步将其应用于实际输电线路的覆冰厚度预测。     

弹性层中的SH板波传播特性及电磁超声激励方法的研究

研究水平剪切波(Shear Horizontal,简称SH波)的传播特性及激励接收方法对该波在无损检测和声弹性技术范围内的工程应用有着重要的价值.首先,SH波在弹性层中传播的多模态、频散特性在文中作了详细的分析,同时重点研究了电磁超声技术在非铁磁性材料波导中产生SH波的探头结构和基础理论,并以试验的方法验证了其部分电声特性,结果表明,SH板波具有其他类型波所没有的独特特性,而电磁超声技术在SH波的激励接收方面有着很大的优势.     

Current pulse reconstrution according to the electric field intensity measured on the inner surface of the tube

The reconstruction problem is studied for a current pulse passing through a hollow cylindrical conductor (tube) such that the wall thickness is much greater than the thickness of the skin layer. The time dependence of the electric field intensity measured on the inner surface of the tube is used to reconstruct the current pulse. The proposed method allows us to study the evolution of the penetration of the magnetic field through the conductor thickness. The results for the test problems (both for the case of a constant temperature and for the case where the temperature varies over the tube thickness) are presented. Also, the current pulse is reconstructed via the electric field intensity measured at the inner surface of the tube within the experiment executed on the Angara-5-1 installation.     

Micropatterning of sulfonated polyaniline using a soft lithography based lift-off process

A combination of soft lithography and lift-off processing is presented for the fabrication of sulfonated polyaniline (SPAN) microstructures. A soft lithography based micromolding process was used to pattern sacrificial layers using a thermoplastic polymer. SPAN was then polymerized in situ to coat the patterned substrate. The sacrificial layer was removed by lift-off in an organic solvent, leaving the patterned SPAN on the substrate. This process was performed on several rigid and flexible substrates including glass, silicon, and polyimide. The film thickness and roughness were measured as a function of reaction time using atomic force microscopy. Patterns were also imaged using scanning electron microscopy. This process provides a cost effective and versatile method of patterning SPAN and has potential applications in a number of conducting polymer devices.