电磁超声表面波换能器设计参数仿真

电磁超声换能器(EMAT)的建模仿真是对电磁超声产生和接收的物理过程的认知,通过仿真研究原理、优化设计参数可以有效提高电磁超声换能器的换能效率.为了获得电磁超声表面波换能器的最优参数,总结EMAT设计的基本准则,利用有限元分析软件ANSYS建立EMAT有限元模型,分别对3种不同类型激励线圈进行了仿真,进而分析了偏执磁场...     

电磁超声特征信号检测系统的设计

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)转换效率低、信号微弱、信噪比低的问题,设计开发了包括电磁超声换能器在内的,由低噪前置放大器、宽带接收器以及基于虚拟仪器的正交锁相放大等构成的电磁超声检测系统。对比了传统EMAT结构与新的EMAT结构磁通密度的不同,通过提高偏置磁场的强度提高EMAT的换能效率;分析了前置放大器、宽带接收器、电磁超声换能器的频率响应特性;研究了相敏检波器中低通滤波器的阶数、滤波器类型以及截止频率对电磁超声回波信号检测的影响,并对铝板进行了缺陷检测实验。实验结果表明:该系统能够实现电磁超声信号的实时采集、分析和存储,同时能够提高信号的信噪比和分辨率。     

基于RLC振荡电路EMAT激励研究

目前,电磁超声在进行无损检测时经常会存在噪声大、发热量高以及转换效率低等诸多缺点,问题主要产生在激发部分。本文根据目前电磁超声的基本理论以及现有的激发方式,在EMAT基本模型基础上,应用新型开关电源IGBT代替交流接触器,优化激发电路系统,旨在提高电磁超声换能器的磁声转换效率,解决其灵敏度低以及热效应的不良影响等问题。通过实验对系统优化前后的数据进行比较,证明该优化系统不仅降低了能耗,而且提高原有交流接触器作为开关时超声幅值以及转换效率。     

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。     

基于非线性电磁超声表面波混频方法的金属疲劳裂纹检测

针对铝合金板材疲劳损伤检测困难的问题,构建含有疲劳裂纹界面力模型的电磁超声表面波混频调制模型,研究不同激发频率下的非线性超声表面波的混频调制效果,进而确定了激励频率。分析电磁超声表面波在铝板中的传播情况,以及不同裂纹深度和长度对非线性混频效果的影响。最后进行非线性超声表面波混频检测实验,对完好试件及疲劳试件的非线性特征进行对比分析,研究边频分量随激励信号频率、幅值、信号时延以及裂纹长度不同的变化情况,得到边频分量与微裂纹长度的关系曲线。实验结果表明,如果铝板中存在疲劳裂纹,会有边频调制分量出现;当两列混频信号同时到达疲劳裂纹时,非线性调制效应最强;通过边频分量与微裂纹长度拟合出的关系曲线可以有效监测裂纹的扩展,从而为金属疲劳裂纹的定量检测奠定良好的基础。     

用于测厚和裂纹检测的正交横波电磁超声换能器仿真分析及实验研究

垂直入射的横波在测厚时具有较高的灵敏度,但检测裂纹常需采用斜入射方式,单个换能器无法同时进行这两种检测。该文设计了一种正交横波电磁超声换能器（EMAT）,通过两个蝶形线圈在铝板中激发正交偏振的横波,提出在脉冲回波模式下利用两个线圈接收信号的声时信息和幅值差,同时进行测厚、检测裂纹并确定裂纹方向的方法。建立正交偏振EMAT三维有限元模型,对横波声场与裂纹缺陷的相互作用进行仿真,研究线圈间距、裂纹尺寸对正交声场和信号幅值差的影响。仿真和实验结果表明：正交横波EMAT通过一次检测可以同时实现测厚、裂纹检出及裂纹方向定位,为腐蚀减薄和裂纹等缺陷的在线检测提供了新方法。     

钢板电磁超声换能机理及塑性损伤的非线性超声检测

铁磁材料电磁超声换能器(electromagneticacoustic transducer,EMAT)的换能机制与外加磁场、材料的磁化特性和磁致伸缩特性有密切的关系,电磁超声波的产生很大程度上取决于材料的电磁特性和偏置磁场。首先,建立钢板电磁超声波的有限元模型,分析偏置磁场及被测试件的电磁特性对电磁超声换能机制的影响,通过引入不同磁导率和电导率等效模拟塑性变形试件,分析换能机制与电磁特性的关系,并在此基础上搭建基于电磁超声表面波的塑性变形检测系统。其次,通过对拉伸的标准工字板试件进行磁导率检测,得到不同塑性损伤试件与相对磁导率变化的对应关系。塑性变形会改变钢板的电磁特性,进而影响到检测信号的变化。最后,对塑性变形进行电磁超声非线性检测,得到相对非线性系数与塑性变形的对应关系,并验证塑性变形、电磁参数与非线性检测信号之间的关系。     

基于空间域谐波控制的电磁超声Lamb波模态抑制方法

电磁超声换能器(EMAT)激励的Lamb波中经常存在多种模式,给波形分析造成困难,甚至会干扰对缺陷信息的判断,从而导致误判.常规的EMAT线圈空间波数谱中含有谐波,谐波是造成多模式现象的重要原因.该文提出试件涡流密度分布(洛伦兹力分布)相当于对线圈电流密度分布的空间低通滤波,通过对线圈空间域进行有效设计从而抑制空间域谐波,进而实现激发单波数正弦形式的涡流密度分布.结合正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术的特点,提出将时域中的SPWM技术应用于空间域以实现线圈参数设计.通过建立有限元仿真模型,仿真证明了正弦形式的涡流密度空间分布可以被激励.该文以激励S0模态Lamb波为例进行实验,实验结果表明,由波数谱中的3次谐波激励的A0模态被极大地抑制,抑制比为21dB.     

EMAT接收端电路的设计与优化

电磁超声换能器（EMAT）由于不需要耦合剂、可应用于高温环境而获得广泛关注，但是存在换能效率低、超声回波信号幅值小、容易受到噪声干扰的问题，需要对其进一步研究。根据EMAT的工作机理，通过分析超声兰姆波回波信号的特点确定了接收电路的指标，设计并优化了阻抗匹配电路、前置放大电路以及低通滤波电路，同时设计了数字带通滤波器对信号进一步处理。首先对前置放大电路进行仿真，使其具备小信号接收能力。然后采用的三级负反馈电路结构的低通滤波电路，消除空间耦合噪声。最后搭建了铝板的EMAT探伤测试系统，结果表明设计的接收电路很好地实现了兰姆波的检出，为探伤系统的研制提供了基础。     

钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

电磁超声换能器(EMAT)的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关,EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应,磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。该文依据铁磁材料的本构方程,考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用,建立含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型,仿真分析表面波对钢板中缺陷的响应特性,得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系,为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。最后,对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究,验证了仿真分析的正确性和有效性。     

基于Halbach阵列电磁超声纵波换能器优化设计

传统电磁超声纵波换能器换能效率低,水平偏置磁场弱且无法被充分利用,导致回波信号幅值小,影响检测结果的准确性.该文应用一种新型纵波换能器,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布,能够显著增强水平磁场.为提高其回波幅值,利用有限元软件进行建模,分别采用正交试验和均匀试验方法,在考虑线圈匝数的前提下,对换能器参数进行优化.仿真结果表明,降低导线间距、导线宽度和导线高度,将永磁体提离距离固定在合适范围内,均可以增强回波信号;设置合适的激励电流频率,能够使得声衰减和回波幅值处于适中水平,有利于检测.实验结果表明,优化后的换能器相较于优化前回波幅值提高了83％.     

基于两个实值小波变换定量检测电能质量扰动的新方法

文章针对电压中断、电压下跌和电压上升这三种电压波形畸变进行了定量检测研究。提出了基于两个实值小波变换的修正幅值的新概念，并从理论上说明了该修正幅值具有如下的特性：(1)在非故障区间内取值均相等，且恰好等于额定电压的幅值；(2)在故障区间内(端点除外)取值也相同，且恰好等于故障区间内的电压的幅值；(3)与电压波形畸变所在相位、长度及电压的工频频率无关。文章还应用该修正幅值对这三种电压波形畸变进行了检测，检测图能定位故障发生、终止时刻和区分电能质量扰动的类型，并可定量测定出电压幅值上升或下降的幅度。     

用于不同深度残余应力检测的电磁超声激励装置

基于临界折射纵波(longitudinal critically refracted waves,L_(CR))声弹性理论,采用不同激励频率的LCR波可对试件不同深度的平均残余应力进行测量。压电超声换能器都有其固定的激励频率,测量不同深度的应力需要更换所对应频率的压电换能器,操作较为繁琐。针对该问题,根据电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激发原理,提出一种可以激发不同频率LCR波的电磁超声激励装置设计方案,并将其应用于试件不同深度应力的检测中,提高应力检测效率。设计电磁超声临界折射纵波激励装置,仿真分析不同频率LCR波的激励效果;制备应力随深度变化的待测试件,并基于电磁超声LCR激励装置对不同深度的应力进行检测,验证了该方法在检测金属结构不同深度的应力分布的有效性。     

耐高温双线圈结构电磁超声换能器设计

针对常规电磁超声换能器高温下存在永磁体或电磁铁芯退磁,难以在高温环境下进行在线检测的问题,提出一种耐高温双线圈结构电磁超声换能器设计方法。双线圈结构电磁超声换能器由励磁线圈、涡流线圈和试件组成。该文采用仿真与实验相结合的方式,分析励磁线圈孔径和提离变化下脉冲磁场分布特征,以及励磁线圈和涡流线圈配置关系对电磁超声换能效率影响。结果表明,小孔径励磁线圈虽然能够提供更大的脉冲磁场,但涡流线圈绕制匝数减少,又会降低接收信号强度;对于15 mm和25 mm孔径的励磁线圈,涡流线圈匝数分别为25匝和40匝时,得到的接收信号幅值和信噪比较好。依照提出的耐高温双线圈结构电磁超声换能器,对室温到450℃不锈钢试件实现了多次回波信号采集,具备对高温金属进行在线检测的能力。     

基于电磁超声换能器的铁磁材料电磁声发射检测方法

电磁超声换能器(EMAT)因其非接触式的检测特点被广泛应用于无损检测和无损评估中,但如何用其判定裂纹的活性尚未见报道。因电磁声发射技术能够对微细裂纹进行检测并判定其活性,在考虑磁致伸缩效应的基础上,根据EMAT和电磁声发射两种检测方法的原理特性,实现EMAT对铁磁材料的电磁声发射检测。对EMAT进行仿真分析和实验,结合凯瑟效应和声发射理论,给出裂纹活性的判定依据。仿真和实验结果表明,EMAT可在铁磁材料中激发声发射信号,并实现对铁磁材料的损伤评定,为EMAT在实际检测中判定裂纹活性提供了理论和实践指导。     

用于检测厚铝板缺陷的体波EMAT优化方法

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)的换能效率低,易受外界环境噪声影响导致回波信号较小、信噪比较低的问题,提出一种使用正交试验的优化方法进行改进。该方法基于电磁场涡流效应、质点弹性动力学的波动方程及有限元法,建立了一个检测厚铝板单平底孔缺陷、收发一体的体波EMAT二维有限元模型。该模型应用正交试验和极差分析法,通过对比不同结构下的缺陷回波电压信号强弱程度,分析磁铁和线圈的结构参数对其的影响,获得了优化的模型结构参数值。同时,得出在本结构下磁铁与线圈的最佳宽度比。通过实验验证了优化结果的有效性,缺陷回波电压峰-峰值的实验与仿真结果相符。     

电磁超声换能器设计性能评价

阐述了电磁超声换能器(EMAT)超声波激发机理、极化过程超声波振幅解析解和换能效率数学表达式.建立了EMAT实物模型,对不同几何形状的励磁线圈、电磁感应强度和提离距离等影响因子设计了多组基于回波幅度对比试验.然后基于测试试验结果,分析了核心功能组件设计对EMAT测试性能的影响,并比较了不同材质的测试效率和EMAT适用范围.试验结果表明:功能组件组合和参数因子优化设计可有效改善EMAT测试性能,这为EMAT最优性能设计和工程测试解决方案提供基础技术参考.     

电磁超声的连续脉冲激发方式探讨

针对目前电磁超声检测中存在能量转换效率低、信号微弱等未得到有效解决的问题,研究了电磁超声的脉冲激发方法以解决这些问题,并取得了良好的效果.在实现单次脉冲激发的基础上,研究了电磁脉冲的连续激发,并搭建了连续激发电路,这种激励方式易于分辨发射波和缺陷回波,并且能使能量集中于所需的频谱范围内,可达到较高的能量转换效率.     

新型表贴-内置式永磁同步电机谐波分析与优化

为增强永磁同步电机电磁性能,研究一种新型表贴-内置式永磁同步电机拓扑结构,该结构转子永磁体由常规表贴式和内置双一式构成。采用有限元对新型电机拓扑进行分析,分别对3种同尺寸结构电机气隙磁密、齿槽转矩以及气隙谐波畸变率分析。研究结果表明,新型拓扑结构不仅能提高气隙磁密基波幅值,而且能调节谐波畸变率大小,使磁密波形更加正弦性。     

电磁轨道炮封装中涡流损耗的抑制方法

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮可在封装上感应出很大的涡流,涡流密度的高度集中将危害绝缘层的性能和寿命,而且,涡流的存在削弱了电枢的推进力,导致弹丸出口速度减小。为此基于电磁轨道炮3维瞬态有限元模型,分析了封装上涡流的分布,对涡流损耗进行了计算,并通过改变封装材料、封装尺寸、脉冲电流幅值与波形等影响因素研究了涡流能耗、最大涡流密度以及电枢推进力的变化规律。结果表明:高磁导率低电导率的材料作为封装能有效的抑制涡流,大幅提升电枢推进力;增大封装内径或减小其厚度对涡流的抑制比较有限;减小脉冲电流的幅值并加宽波形的平顶可使涡流的危害降至最低。