Lamb wave signal selective enhancement by an improved design of meander-coil electromagnetic acoustic transducer

In this paper, we investigate a method of selectively enhancing the single mode signal of a Lamb wave by using a meander-coil electromagnetic acoustic transducer （EMAT） with a new magnetic configuration. We use the Lamb antisym- metric （A0） mode and symmetric （SO） mode as an example for analysis. The analytical expression of the magnitude of the spatial Fourier transform of the Lorentz force generated by different meander coils is used to determine the optimal driving frequency for single mode generation. The numerical calculation is used to characterize the new magnetic configuration and the conventional EMAT magnet. Experimental examinations of each meander coil in combination with the conventional and new magnetic configuration show that the Lamb wave signal can be selectively enhanced by choosing the appropriate driving frequency and coil parameters through using the improved meander-coil EMAT.

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。

曲折线圈EMAT偏置磁场优化设计及其实验研究

针对曲折线圈电磁超声换能器(EMAT)换能效率低的问题,建立了曲折线圈EMAT检测过程有限元模型,分析了3种常见的永磁体组合方式对EMAT换能效率的影响,研究了3种组合方式下永磁体几何参数对金属试样表层偏置磁感应强度的影响规律,并给出了偏置磁场强度最大时对应的永磁体最佳几何参数。为验证仿真结果,采用3种组合形式的永磁体制作EMAT探头,并在铝板中激励0.9 MHz表面波和2 MHz斜入射偏振剪切波(SV波)。研究结果表明,当永磁体宽度为EMAT曲折线圈宽度的0.8左右时,曲折线圈EMAT换能效率最高。改进U型永磁体组合可显著提高金属试样表面的偏置磁场强度。

兆赫兹纵向模态磁致伸缩传感器的设计及其在钢绞线中的试验研究

传统的磁致伸缩传感器采用套筒式螺线管线圈,线圈的绕制非常耗时,且需要通过7芯钢绞线自由端进行安装,难以适用于实际工程检测。当中心频率达到兆赫兹时,磁致伸缩传感器具有更高的缺陷检测灵敏度,但套筒式螺线管线圈难以用于兆赫兹磁致伸缩传感器的设计。在分析多段式线圈工作原理的基础上,设计出具有优化结构参数的柔性印刷线圈。该柔性印刷线圈采用蛇形布线形式,具有36段线圈,基于信号叠加原理可提高传感器激励和接收的超声导波能量,并可卷曲贴覆在钢绞线的螺旋表面,使得磁致伸缩传感器具有拆装便捷的特点,适合实际工程检测。将该柔性印刷线圈式磁致伸缩传感器用于7芯钢绞线的试验研究。测试结果表明,传感器的中心频率为1.20 MHz时,激励的超声导波以L(0,1)和L(0,3)模态为主。这为设计7芯钢绞线检测用兆赫兹纵向模态磁致伸缩传感器奠定了基础。

一种带有误差补偿项的折线线圈阻抗解析建模新方法

提出一种包含误差补偿项的任意折线线圈阻抗解析新模型。首先,在前人研究的基础上,通过定义外形位置因子,简化单矩形折线线圈的阻抗计算。其次,对多个单矩形折线线圈之间的相交耦合作用进行研究,建立串联等效电感模型。再次,讨论任意形状折线线圈的拆解和重构过程,研究重构过程的误差分布,并推导出误差补偿的数学表达;进而得到任意形状折线线圈的入射场阻抗及散射场阻抗的完整解析模型。最后,对螺线形折线线圈这一典型特例进行计算,绘制阻抗平面图,并利用高精度阻抗测试仪进行物理验证实验。结果表明,所提方法能有效补偿线宽因素带来的误差,可对置于导体上方的具有不同激励频率和提离的任意形状折线线圈的阻抗进行解析计算。

电磁超声表面波换能器发射过程的精确建模与分析

针对具有曲折线圈结构的电磁超声表面波换能器模型精度较低问题,以铝合金板材表层缺陷检测为背景,在考虑交变磁场影响前提下,通过将有限元方法与解析法相结合,建立了一个精确描述电磁超声表面波换能器发射过程的三维模型。仿真分析表明,换能器在发射过程中产生的交变磁场可激发出两倍频率成分的表面波;该表面波分量能够有效提高换能器的缺陷敏感度;增加发射电流、降低提离距离均可显著增强该分量。试验验证了所建模型的有效性和精确性。

曲折线圈折线角度对EMAT换能效率的影响

针对曲折线圈型电磁超声换能器的换能效率,分析了不同折线角度曲折线圈对EMAT(电磁超声换能器)换能效率的影响。根据声束指向原理,通过改变载流导线的角度,设计了0°、30°、60°、90°曲折线圈激励产生电磁超声导波,并采用收发分离式换能器结构在钢板上进行检测试验。结果表明,曲折线圈载流导线角度为0°时,EMAT激发的声波能量集中,方向性好,回波信号幅值强,为钢板的长距离检测提供了可能;曲折线圈载流导线角度增加为30°、60°、90°时,EMAT激发的声波信号纯净,简化了模态分析,对工程中钢板检测的信号简化处理具有重要意义。

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。

表面波电磁声换能器的设计

简要介绍了产生表面波的电磁声换能器(EMAT)的工作原理,设计,制作了收发分开的两种EMAT,并建立了实验测试系统、测量了信号和发射EMAT提离距离的关系曲线,研究了激励脉冲个数、接收线圈的匝数对换能器信号的影响等。

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1 mm×深0.5 mm裂纹,16次同步平均抑噪的猝发音驱动方式无法可靠获取缺陷波,而采用无同步平均的Barker码脉冲压缩技术,其缺陷波信噪比可达12.0 dB,较32次同步平均抑噪的猝发音驱动方式提高了2.0 dB。

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。

基于点聚焦表面波EMAT的钢轨踏面检测实验研究

曲折线圈电磁超声换能器(EMAT)换能效率低,对钢轨踏面小缺陷检测能力有限,为此,设计了一种采用圆弧曲折线圈制作而成并与钢轨踏面自适应贴合的点聚焦表面波EMAT。建立了点聚焦表面波EMAT的三维有限元模型,模拟钢板中圆孔和槽型缺陷的检测。分别用点聚焦表面波EMAT和曲折线圈表面波EMAT对钢板试样中的圆孔和U型槽进行检测对比实验。研究结果表明,点聚焦表面波EMAT能检测出曲折线圈表面波EMAT无法检出的Φ4 mm、Φ7 mm圆孔,且U型槽的检测回波幅值是曲折线圈表面波EMAT的2倍以上,极大程度地提高了小缺陷的回波信噪比和检出能力。

基于二阶矢量位的矩形截面回折线圈阻抗和脉冲磁场的解析建模与计算

本文基于二阶矢量位建立了回折线圈的阻抗和磁场计算的解析模型,并提出了计算磁场脉冲响应的方法.根据回折线圈用于涡流检测和电磁超声检测时的通用模型,将回折线圈的阻抗和磁场计算问题转化为多个单匝矩形线圈阻抗和磁场的叠加问题.基于二阶矢量位和时谐电磁场方程,推导了回折线圈的频域标势表达式;利用标势与矢量磁位和磁通密度间的关系,推导了计算区域的磁通密度和式样表面涡流的频域解析计算公式;通过计算线圈的感应电势和阻抗变化表达式,得到了线圈阻抗的频域解析表达式;采用FFT-IFFT方法计算了脉冲磁场的时域响应.以一双层双分裂线圈和铝板试样为例进行计算,计算结果与实验结果以及时步有限元法计算结果相一致,验证了解析模型和计算方法的有效性和准确性,与时步有限元法相比,基于解析模型的计算很大程度上缩短了计算时间.