高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计

蝶形线圈电磁超声换能器(EMAT)能够在铝块中同时激发出超声横波和纵波,接收信号中存在横波反射回波和纵波反射回波,纵波回波会影响缺陷检测的准确性。该文设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,通过改变线圈不同位置导线的宽度与间距,改变不同位置的换能效率,以实现横波的增强和纵波的抑制。首先,考虑永磁体的空间磁场分布,分析蝶形线圈EMAT不同位置导线所受洛伦兹力与激发超声波类型的关系,结合有限元声场云图,得到EMAT接收信号中存在多个回波的原因;其次,研究线圈参数对换能效率和横波纵波幅值比的影响规律,利用有限元仿真确定变尺寸EMAT的设计参数;最后,制备常规与变尺寸蝶形线圈EMAT,采集无缺陷铝合金试块的回波,结果表明,当永磁体直径与线圈中心宽度比为1.92时,纵波幅值削弱了66.1%,横波幅值增大了36.3%,横纵波幅值比从5.8升至23.1。该文设计的变尺寸蝶形线圈EMAT实现了对纵波的削弱和横波的增强,提升了横波电磁超声内部缺陷检测的可靠性。

基于Barker码脉冲压缩技术的钢板多阵元Lamb波电磁超声换能器设计与优化

为了解决传统Barker码脉冲压缩技术受脉冲功率放大器额定参数(占空比,最大脉冲宽度等)限制而导致的脉冲压缩效果下降、检测速度降低等问题,提出一种基于Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波电磁超声换能器(EMAT)。建立了基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波EMAT检测过程的有限元模型,分析了永磁体的配置形式、阵元序列长度、激励信号周期数、曲折线圈匝数等因素对脉冲压缩后的主旁瓣比和主瓣宽度的影响,并进行了实验验证。结果表明:曲折线圈匝数为4和Barker码序列长度为13位的多阵元EMAT在配置3对外置永磁体后,其信噪比(SNR)可提高9.8 dB。综合考虑检测回波的空间分辨率和SNR,多阵元Lamb波EMAT最佳参数为:曲折线圈匝数为10、激励信号周期数为11、Barker序列为13位,并配置3对外置永磁体。

正交试验理论线聚焦电磁超声换能器优化设计

为提高线聚焦电磁超声换能器(LF-EMAT)的聚焦性能,通过有限元模拟进行27次八因素三水平正交试验。首先分析激励频率和焦线位置对聚焦性能的影响;然后采用正交试验方法分析永磁体宽度和高度、线圈宽度和高度、线圈匝数、最后一个线源位置、提离距离和激励电流对面内位移、面外位移、总位移的影响程度;最后选用最优参数组合建立优化后的模型并与原始模型进行比较。结果表明:在合适的范围内,激励频率越小,即线圈间距较稀疏,更有利于提高位移幅值;焦线位置小的线聚焦EMAT产生的SV波具有较好的聚焦性能和方向性;优化后电磁超声换能器涡流和洛伦兹力的瞬时最大值分别提高3.013倍和4.073倍,面内位移幅值增长为优化前的3.664倍。

基于Halbach阵列的电磁超声换能器的仿真设计

针对电磁超声换能器(EMAT)激发的Lamb波存在多模态和换能效率低的问题,提出一种基于Halbach阵列的电磁超声换能器设计,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布。与传统EMAT单一磁铁对比,相同尺寸下Halbach阵列产生的静磁场强度有明显提高。为提高Lamb波单一A0模态的信号幅值,对换能器曲折线圈和磁铁阵列参数进行优化。通过理论分析和二维有限元仿真,结果表明,Halbach阵列的换能器最大磁通密度、磁通密度x分量和y分量分别是传统型的2倍,Halbach阵列换能器激发的Lamb波在铝板表面处位移是传统型的8.8倍。

基于子母共位电磁超声换能器的平面波成像

为了实现电磁超声相控阵单通道激励下的平面波成像(PWI),提升检测效率,设计了一种新型电磁超声相控阵换能器,命名为子母共位电磁超声换能器(EMAT)。该换能器将激发线圈与接收线圈分离,激发线圈为整体线圈,接收线圈为分离多通道线圈,两类线圈共用一组磁体。该换能器可降低实验仪器操作复杂性,使得不需要相控阵全通道激发,采用单通道激励即可以实现电磁超声平面波成像。本文使用子母共位电磁超声换能器对“斜向排列”的2 mm直径阶梯横通孔缺陷进行成像检测,结果表明:常规平面波算法检测的纵向定位误差在0.5 mm范围内,横向定位误差在2 mm范围内,采用相位相干算法可辅助提升成像信噪比(SNR),表明该类型换能器对于平面波成像快速检测是适用的。

基于正交试验理论的接地扁钢缺陷检测电磁超声换能器优化设计

接地网是保障电力系统运行的重要设施,需要及时地开展接地扁钢的缺陷检测。然而,目前的检测方法在准确性、效率等方面依然存在不足。电磁超声导波检测方法可以在不开挖的条件下,利用非接触的优势实现地网的检测,具有一定的优势。论文针对接地扁钢,设计了简易有效的电磁超声SH导波换能器,并分析换能过程中的多物理场耦合机理,在COMSOL Multiphysics中开展有限元建模和仿真;为了优化换能器,根据正交试验理论,进行多因素多水平分析,获得5个参数对导波激励的影响规律以及最优参数组合;搭建了扁钢检测系统,开展SH导波实验。结果表明,相比于正交试验表中的效果最好的前两个参数组合,最优参数组合的换能器性能在导波幅度上分别提升了14.0%和28.6%。

可调节跑道型线圈电磁超声换能器设计

电磁超声作为一种重要的非接触式检测技术,在工业上的应用越来越广泛。随着工业的不断发展,工业板材的应用也越来越广泛,在板材检测方面,电磁超声可以通过对表面缺陷的检测和分类,提高检测效率和准确性。但是,由于工业板材尺寸的多样性,换能器的调节和匹配以及如何保证电磁超声的检测精度是一个难题。因此,设计出了一种可调节的电磁超声换能器,使其能够适应不同尺寸的板材进行检测,同时,尝试使用跑道型线圈和周期性永磁体组合在非铁磁性材料(铝板)中激发SH导波,以提高换能效率和检测精度。多跑道型线圈的设计,使其可以适应不同尺寸的工业板材,并且可以在不同的频率段内实现信号的获取,从而提高检测精度。通过Comsol Multiphysics仿真软件对EMAT进行三维有限元仿真分析,以双跑道型线圈为例。结果表明,改进型双跑道型线圈电磁超声换能器的最大磁通密度模是改进前的4.86倍;改进型双跑道型电磁超声换能器激发的SH导波在所选取的质点处位移场Y分量和Z分量分别是改进前的14.2倍、2.06倍,有效改善了换能器的性能,提高了检测精度和效率。

SH电磁超声换能器优化设计及粘接强度测量

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)使用时无需耦合剂,可以便捷地应用于严苛工况下结构的超声检测。但由于EMAT复杂的多物理场换能机理,通常存在换能效率低,接收信号信噪比小等缺点。针对上述问题,文章开展了线圈宽度、线圈间距及磁致伸缩贴片等参数对EMAT换能效率的影响研究,优化设计了SH电磁超声换能器。实验结果表明,一定厚度的磁致伸缩贴片对EMAT的换能效率有较明显的提高。基于SH0导波对界面变化的敏感性,采用优化设计的EMAT激发SH0导波,对固化温度等因素引起的多层铝板弱粘接结构件进行粘接性能的检测,实验测得的粘接强度与结构拉伸强度的变化趋势一致,表明优化后的EMAT可以适用于粘接结构状态的检测。

螺旋线圈电磁超声换能器解析建模与分析

目前电磁超声换能器(electromagnetic acoustictransducer,EMAT)建模方法中存在有限元法计算时间较长,解析法建模不完整的问题。通过将圆柱永磁体等效为电流环并采用截断区域特征函数展开(truncated region eigen-function expansion,TREE)方法,建立螺旋线圈EMAT完整解析模型,得到涡流、磁场、力场和线圈阻抗的表达式。随后以铝板探伤为背景,应用该模型分析静磁场及其产生的洛伦兹力分布规律,得到永磁体直径是线圈的1.5～2倍,厚度与其直径相等的设计原则;对比分析静磁场洛伦兹力和交变磁场洛伦兹力的频率、大小和分布规律。最后,结合有限元法和实验验证了模型和分析结果的有效性。

电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)设计理论的不足严重限制了电磁超声检测技术的进一步发展。为了从根本上解决该问题,对用于铝板表面检测的电磁超声表面波换能器进行了三维有限元建模和仿真分析,发现换能器的几何参数对EMAT的换能效率具有重要影响。为此,在所建模型基础上,利用正交试验设计方法选取了影响换能效率的关键参数,确定EMAT设计的基本准则,并依次对EMAT线圈和永磁体进行了优化设计。实验表明,优化后的电磁超声信号幅值增长为优化前的2.99倍,在三维有限元模型基础上利用正交试验设计方法能够有效地对EMAT进行优化设计。

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。

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。

电磁超声换能器的三维有限元分析

电磁超声换能器在工作中涉及到电场、磁场、力场和声场的相互耦合和转化,变量较多,尤其是在声场分析时更为复杂。本文采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器进行仿真,得到了电磁超声换能器换能过程中其电场、磁场、力场的分布规律和主要特征;在电磁场模型的基础上,通过电磁结构耦合建立了声场模型,分析了表面波在被测试件中的辐射声场分布、指向性等规律,仿真结果和理论分析相吻合。

非铁磁材料表面波电磁超声换能器接收性能分析与优化设计

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)接收信号十分微弱,限制了电磁超声无损检测技术的应用。通过对表面波电磁超声换能器进行发射–接收过程多物理场有限元的建模与分析,发现换能器几何参数对其接收性能具有重要影响。为此,在所建有限元模型基础上,利用正交试验设计方法提取了影响EMAT接收性能的关键参数并对EMAT几何参数进行了优化设计。优化后电磁超声接收电压峰峰值增长为优化前的1.41倍。设计了一种同向6根导线结构的曲折线圈,又将接收电压提高至优化后的3.83倍,大大提高了EMAT的接收性能。最后,实验验证了模型和优化设计方法的有效性。

电磁超声换能器新型线圈阻抗及匹配电容的计算

为提高电磁超声换能器(EMAT)的换能效率及信噪比,研究了EMAT线圈阻抗匹配的方法。考虑到检测材料属性、线圈提离以及线圈在高频激励下的集肤和邻近效应等因素会影响线圈的阻抗大小,线圈的分布电容也会对线圈的匹配产生影响,针对EMAT线圈的等效电路,采用有限元方法计算了不同提离情况下的线圈阻抗和分布电容,以此为基础,对线圈的匹配电容进行了计算,并通过实验验证了计算方法和结果的正确性。计算和实验结果表明,线圈电阻随提离增大而减小,线圈电感随提离增大而增大,线圈分布电容随提离增大而减小,变化规律均符合指数规律。

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/4时,减弱侧回波信号幅值近乎为零;增强侧回波信号幅值显著增强,与传统换能器产生的声波强度的相对灵敏度为5.88 dB。单向T(0,1)模态电磁超声换能器实现了传播强度与方向的控制,提高了检测信号的信噪比,为缺陷方位的精准识别提供了理论依据,为管道检测工程应用提供准确的缺陷位置信息。

非铁磁性金属材料螺旋线圈电磁超声换能器接收效率场路耦合分析

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)接收信号十分微弱的问题,建立包括螺旋线圈EMAT换能过程和接收等效电路的场路耦合有限元模型;分析阻抗匹配参数、线圈导线直径、前置放大器的输入阻抗和铜背底至线圈间距对EMAT接收效率的影响规律。研究结果表明:当线圈导线直径为0.25 mm,前置放大器输入阻抗为1 k?,铜背底至线圈距离为0.5 mm时,实验接收横波信号幅值可以提高3倍以上;场路耦合分析方法能够综合考虑接收电路的输出增益和接收EMAT的换能效率,可以更准确地指导EMAT系统设计。

电磁超声换能器中电磁场及洛伦兹力的快速求解方法

电磁超声换能器(EMAT)中电磁场及洛伦兹力的计算多采用有限元仿真,其运算量大且计算时间长;且已提出的EMAT解析模型未考虑换能器的关键部件,即永磁体;也没有推导其激发的三维非均匀静态磁场解析表达式,导致洛伦兹力的计算结果精度低。对此,本文基于ETREE(Extended Truncated Region Eigenfunction Expansion)解析法对EMAT进行数学建模,模型中引入了永磁体及其所激发的三维非均匀静态磁场,推导了EMAT的电磁场及洛伦兹力理论表达式。通过与有限元仿真的对比发现,采用本文提出的EMAT解析模型计算得到的电磁场及洛伦兹力与有限元仿真结果吻合很好,且解析求解计算耗时极少,从而验证了此方法的准确性和高效性。

小尺寸试件检测用单向单模态电磁超声换能器设计

用于小尺寸薄板试件超声检测时,兰姆波的频散和多模态特性、电磁超声换能器(EMAT)的多方向发射特性以及板材的端面反射影响等将导致采集的超声回波信号十分复杂,不利于进一步分析信号。该文在传统EMAT的基础上,依据波的叠加原理,提出一种利用四个曲折线圈激发单向单模态兰姆波的电磁超声兰姆波激励方法,通过改变线圈线间距、激励电流方向和延迟时间等来选择性地控制兰姆波的激发方向和模态,减少缺陷检测中的干扰波,并将其应用于小尺寸板材的缺陷检测。通过与传统单线圈EMAT进行仿真和实验对比,验证了该新型EMAT在10 cm长的薄铝板缺陷检测中的可行性,缺陷回波信号清晰可辨,大大降低了后续的信号处理难度。

静态偏置磁场对电磁超声换能器灵敏度的影响

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)灵敏度低,其静态偏置磁场是影响EMAT灵敏度的关键因素。为提高EMAT的灵敏度,利用有限元软件ANSYS计算EMAT中永磁体产生的磁感应强度,得到磁感应强度的分布规律,并结合试验方法获得永磁体的优化结构参数,以指导EMAT结构的优化设计。研究结果表明,当永磁体与线圈的间距减小时,超声振动回波幅值增大,但对线圈干扰加大,在两者之间取折中能够得到较高信噪比的回波信号;永磁体厚度对换能器灵敏度产生严重影响,当厚度增大,磁感应强度增强,但趋势逐渐变缓。聚磁板的应用有利于集中磁感应强度,提高回波信号的信噪比。