曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计

电磁超声表面波换能器的换能效率较低,严重限制了其进一步的发展。为此,在建立曲折线圈型电磁超声表面波换能器多物理场有限元模型的基础上,通过仿真分析,分别从EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)磁铁尺寸和线圈中导线的分布方式两个角度对电磁超声表面波换能器进行了优化。实验表明,与传统的曲折线圈型电磁超声表面波换能器相比,采用相同的磁铁体积时,在一发一收的工作模式下,文中提出的优化后的换能器接收信号幅度可提高39%;在收发一体的工作模式下,信号幅度可提高86.2%,有效地改善了换能器的性能。     

基于多目标遗传算法的高频磁致伸缩换能器优化设计

磁致伸缩换能器在高频激励下存在铁心涡流损耗大、磁场分布不均匀、电磁转化效率低等问题,需要从换能器本体优化设计方面寻求解决。首先对换能器的线圈高度和磁轭回路结构进行仿真分析以初步确定磁路结构;然后基于非支配排序遗传算法对换能器提出了一个整体的多目标优化设计模型,该模型以增大磁致伸缩棒内磁场强度、提高棒内的磁场分布均匀度和减少换能器高频损耗为优化目标,引入规范化排序和熵权法对该优化方法得到的Pareto前沿解进行决策支持,筛选一组最优设计方案;最后对该最优解进行仿真分析,磁场分布和数值计算结果验证了该优化方法的有效性,根据优化结果制作了一台换能器样机,样机输出特性的测试结果表明了优化设计方法的可行性。     

基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)是电磁超声检测技术的核心部件,具有非接触、不受工作环境影响、易于激发多种类型的超声波等优点。但与传统的压电式超声换能器相比,电磁超声发射换能器的换能效率较低,导致超声回波信号较弱,检测结果不理想。现阶段,在完善对EMAT建模分析的基础上,通过对换能器参数的优化和结构的改进设计以及与其他新技术相结合的方式,EMAT的换能效率已经有了明显的提高,但仍存在解析、半解析建模方法不完整,数值建模方法计算时间长,以及换能效率仍然不够理想等问题。对此,综述近十几年来基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的数学建模方法,包括解析法、数值法和半解析法,给出较为完整的耦合方程和建模过程。并在此基础上,分析了偏置磁场、激励线圈、提离距离等参数对换能效率的影响规律以及换能器的优化设计方法,为今后电磁超声换能器的模型完善和改进提高提供参考。     

力磁耦合作用下电磁超声换能器换能效率仿真分析

研究了力磁耦合作用下外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。首先通过理论推导,得出外加应力下磁致伸缩材料的本构关系式,而后利用多物理场耦合有限元分析软件COMSOl分析了外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。结果表明:在相同磁场条件下,随着外加应力的增加,磁致伸缩应变和电磁超声换能器换能效率均减小,当外加应力值超过材料的屈服强度时,磁致伸缩振幅趋近于零。因此,使用电磁超声检测器对存在外加应力作用下的工件进行检测时,应适当增加换能器中偏置永磁体剩余磁通密度或增加线圈激励电流大小,以保证较高的检测效率。     

电磁超声纵波换能器设计及对铅板检测试验研究

常规的电磁超声横波换能器在测量铅板时存在1次回波信号弱、信噪比极低、难以有效检测等问题,铅的剪切模量小是造成这种现象的主要原因。针对这一问题,文中提出采用电磁超声纵波换能器用于铅板的检测,优化设计了一种应用于铅板检测的新型纵波换能器。首先设计线圈结构和磁场的布置方式,再综合正交试验法和控制变量法,利用多物理场建模仿真软件对线圈的各个参数进行优化,分析了线圈各参数对超声回波强度的影响规律,制作了线圈和换能器原型并开展了相关测试,实验表明：同等激励条件下,纵波换能器的1次回波信号强度是横波换能器的1.63倍,显著提高了回波的信噪比,实现了铅板的厚度测量。     

基于电磁超声导波的铝板裂纹缺陷检测方法

针对铝板斜向裂纹缺陷检测问题,提出了一种非对称斜向曲折型线圈电磁超声导波换能器设计结构。通过毕奥萨伐尔定律建立了曲折型线圈及非对称斜向曲折型线圈的等效力磁模型,分析了电磁超声换能机理中洛伦兹力、磁感应强度与主声束传播特性的关系,实验验证了不同斜向角度的曲折型线圈电磁超声换能器缺陷检测能力。结果表明,斜向曲折型线圈结构电磁超声换能器主声束回波信号呈非对称分布,其主声束方向垂直于换能器线圈工作导线,斜向角度变化可实现电磁超声导波在铝板中的传播方向控制,为铝板中全方位裂纹缺陷检测提供了理论依据与应用基础。     

一种管道中T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构.根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制.结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T...     

钢板中电磁超声导波换能器主声束方向研究

针对电磁超声导波主声束传播方向受钢板中裂纹方向影响的问题,分析电磁超声主声束与磁场参数的函数关系,建立基于毕奥-萨伐尔定律的导波传播方向分析模型,研究换能器线圈工作导线的偏转角与导波传播关系的方向控制模型,实验验证了主声束方向可控及其裂纹检测能力。结果表明:钢板中电磁超声导波主声束传播方向垂直于换能器线圈工作导线,工作导线偏转角变化可实现电磁超声导波在钢板中的传播方向控制,为钢板中全向裂纹检测提供了理论依据与应用基础。     

电磁超声及其应用

本文从电磁超声换能器的理论入手，说明电磁超声的原理，通过电磁超声换能器的波模不同组合，进一步阐明电磁超声技术的特点和优越性，同时介绍了电磁超声在无损检测中的应用情况以及长春试验机研究所研制的ＣＳＳ－１３３高温电磁声测厚仪。     

基于电磁超声兰姆波的铝合金板材小缺陷检测技术研究

电磁超声技术因其无需耦合剂等优点而在无损检测与无损评估领域获得广泛应用。在分析铝合金板材中电磁超声兰姆波激发原理的基础上,结合兰姆波与缺陷的作用机理,建立了电磁超声兰姆波三维有限元声场模型,分析了利用电磁超声换能器检测铝合金板材小缺陷的可行性。针对GJB3384—98的检测要求,设计了可用于检测直径为1 mm的小型通孔缺陷的电磁超声兰姆波换能器。在此基础上研制了基于电磁超声兰姆波技术的铝合金板材检测样机。实验表明,该样机不仅能够有效检测出GJB3384—98规定的小型通孔,也能检测出长度为4 mm、槽深为0.4 mm的槽型缺陷,为基于电磁超声技术的铝合金板材小缺陷检测的工程应用奠定了基础。     

基于有限元仿真的EMAT结构优化研究

电磁超声检测作为一种新兴的无损检测手段,在高温在线检测中优势明显,然而换能效率偏低限制了其进一步发展和应用。为提高电磁超声换能器的换能效率,通过原理分析,基于有限元仿真对换能器的磁铁和线圈进行分析。选取磁铁的长、宽、高、间距,蛇形线圈和回形线圈的线粗、长度、导线间距及周期数等参数,分别以磁感应强度和涡流密度为目标进行优化。优化结果有助于在试验研究中节约时间和成本,具有一定的指导意义。     

电磁超声导波在管道中螺旋向传播的机理研究

为了实现电磁超声导波对管道中不同方向裂纹缺陷的有效检测,研究了超声导波螺旋向传播的机理,设计了用于管道斜向裂纹缺陷检测的电磁超声螺旋向导波换能器。基于毕奥萨伐尔定律,建立了螺旋向导波换能器等效闭合线圈的数学模型;推导分析了电磁超声螺旋向导波换能器的磁感应强度与螺旋向导波主声束传播方向的关系;实验验证了不同角度的螺旋向导波传播机理与相应的裂纹缺陷检测能力。结果表明,电磁超声螺旋向导波主声束传播方向与线圈工作导线垂直,改变换能器线圈螺旋角度可控制电磁超声导波在管道中的传播方向,线圈螺旋角度不同的换能器可实现管道中不同斜向角度裂纹缺陷检测,为管道全向裂纹缺陷检测提供参考。     

磁力可控电磁超声换能器设计及特性

电磁超声换能器一般采用具有超强磁力的稀土永磁制作,在实际检测中由于磁力不可控,存在偏置磁场不够强导致换能效率过低和磁力过强造成操作不方便等问题.提出一种偏置磁场磁力可控的电磁超声换能器,采用电磁铁与永磁铁相结合的方式,达到偏置磁场磁力可控的目的.通过有限元仿真和试验得出,提出的偏置磁场磁力可控的电磁超声换能器,在电磁铁处于关闭模式下,永磁铁能够提供基础磁场;采用增强模式或减弱模式,无被测物时,换能器下表面平均垂直磁通最大分别增强78.58％和减弱19.36％,而提离2 mm检测钢板时,换能器下方钢板表面平均垂直磁通最大分别增强52.99％和减弱38.02％;得出3种模式下,探头磁力随着提离距离缩小而增强的试验曲线;通过增强模式对铝板和钢板进行测厚试验,将检测信号幅值分别提高46.91％和62.01％.所设计的磁力可控电磁超声换能器不仅具有磁力可控的功能,还能够提高检测信号幅值.     

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。     

悬臂梁式压电振动换能器的稳健设计

悬臂梁式压电振动换能器是一种新型的供电装置,从田口稳健设计的经验方法出发,结合悬臂梁式压电振动换能器的理论模型,以换能器的4个结构参数为优化参数,设计了以输出平均功率和工作频带宽度为优化目标的稳健优化设计方案.以Matlab/Simulink仿真模型作为稳健设计中设计参数与设计目标的纽带,并通过M文件编程,实现稳健设计的自动化.采用内外正交表交叉计算,优化目标的信噪比,通过对优化目标信噪比的方差分析,得到一组最优设计参数.将该组数据对应的换能器与单目标最大的典型参数对应的换能器性能进行对比,表明该组参数下,换能器有较好的工作特性.     

基于小波变换的薄层厚度电磁超声测量方法

机械结构(如齿轮、轴承、密封)中薄液体层对其性能有很大影响.针对传统超声反射回波方法时间分辨率低,难以实现薄层厚度测量以及压电换能器测量结果受界面耦合性能影响问题,提出了基于小波变换奇异点提取的薄液体层厚度电磁超声测量方法.同时,研究了小波变换基函数及分析尺度对薄液体层超声回波信号奇异点提取的影响,优化出适合薄层厚度测量的小波变换基函数和分析尺度范围.检测试验表明,基于小波变换奇异点提取的电磁超声技术可以很好地实现薄液体厚度测量.     

周向一致兰姆波电磁超声换能器设计与实现

针对板结构大范围健康检测问题,进行了周向一致兰姆波电磁超声换能器研制。基于电磁超声检测原理,建立板中周向一致兰姆波EMAT的理论模型,推导出换能器接收电压及等效灵敏度表达式。基于换能器结构参数与等效灵敏度关系,设计制作了7种类型的周向一致电磁兰姆波换能器,并进行了换能器阻抗匹配设计。通过实验和理论分析表明,设计的EMAT能有效激励单一模态S0兰姆波,对特定波长的兰姆波具有选择性,且其实测换能器中心频率与设计值能很好吻合。同时,在同一频率下,实验测得不同内外径比的换能器其灵敏度分布与理论曲线能很好吻合。检测实验证明,设计的换能器能在其周围360°方向具有很好的一致性,为后续板结构换能器阵列奠定了基础。     

窄板无损检测用水平剪切波电磁声传感器的研制

低阶水平剪切波具有的几个特点使得它特别适合应用于结构大范围无损检测。通过对换能器几何结构的设计,电磁声换能器能实现多种不同模态导波的激励,如板中的兰姆波和水平剪切波,但电磁声换能器的性能受其结构参数影响很大。为实现磁铁阵列式电磁声换能器的性能评价,开发一种用于换能器远场周向声场分布计算的线源分布模型,对具有不同几何参数的电磁声换能器的性能进行数值计算,如磁铁数量、磁铁周期、线圈的内外径等。这些参数对激励出的SHO波的指向性有很大影响,主要表现在主瓣及旁瓣的幅值及宽度方面。根据数值分析结果,为获得较好的指向性对换能器的结构参数进行优化设计。将优化设计研制出的换能器用于窄板结构无损检测,结果表明窄板的侧边界对SHO波的传播基本没有影响,可用于窄板结构的无损检测。提出可预测出磁铁阵列式电磁声换能器的声场分布并用于换能器参数优化的线源分布模型。     

多材料——多零件规格组合结构多目标优化的应用

提出一种包括零部件系统的材料类型、零件规格、零件厚度的组合结构并以质量及成本最小化为目标的多目标优化方法.常规的轻量化设计往往在零件材料或者零件规格单一化的基础上对零件厚度进行优化设计.推导出这种多材料-多零件规格组合结构的多目标优化的数学模型.通过将材料类型而不是材料的多个属性、零件规格而不是零件的几何和价格属性定义为离散变量,大大降低了优化问题的复杂程度.采用最优拉丁试验计及最小二乘响应面方法构建多目标优化系统的各个目标及约束性能参数的近似模型.利用多目标遗传优化算法NSGA-II (非支配解排序遗传算法)对多目标优化模型进行优化.利用此方法对某转向盘进行轻量化设计,为验证优化结果建立转向盘抗压试验台架.结果验证了该方法的可行性.     

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。