波浪能发电装置中电磁换能器的设计与测试

针对多浮体波浪能发电装置,提出一种将Halbach永磁阵列与无铁芯结构相结合的电磁换能器结构,使波浪能可直接转换为电能。随后提出一种针对该电磁换能器的改进等效磁路模型,根据电磁换能器的最大阻尼系数对电磁换能器进行结构优化。将改进等效磁路模型的计算结果与通过仿真软件得到的结果进行对比,验证等效磁路模型的有效性。对处于实验室条件下的电磁换能器进行结构优化后,制作电磁换能器的样机,并搭建试验测试平台,对样机进行性能测试。试验结果表明:样机的绕组电压能达到理论值的为75%,Halbach永磁结构换能器样机在振幅20 mm、频率6 Hz的条件下,不同位置的两个绕组的电压峰值分别为32.33和27.98 V,电压有效值分别为15.00和16.50 V,其能量采集功率为49.72 W。

井下电磁换能器结构设计与COMSOL有限元仿真

针对页岩气开采产能低的问题,参考油井的振动增产原理,根据电磁学理论提出一种可扫频的井下电磁换能器结构设计方案。由于换能器直径受到油管内径的限制,为达到最优电磁效果,在Matlab中编程对铁芯几何参数优化分析。最后在COMSOL软件中选择“AC/DC,Magnetic”与“Structural Mechanics,Solid Mechanics”模块构建电磁场与固体力学场的多物理场耦合模型并做瞬态研究。研究结果验证了换能器结构设计方案的可行性,为页岩气增产提供了一种新的途径。

电磁换能器加载效率的优化设计与仿真

针对传统的电磁超声换能器导线与铝板间由于集肤效应导致加载效率较低这种情况,设计了一种改造电磁超声加载线圈和整体结构的新型电磁超声加载装置。基于有限元仿真软件,分别建立传统与新型的电磁超声加载器的有限元分析模型,并对其激发过程进行仿真,将两模型所得仿真结果 (铝板内洛伦兹力,交变电流密度)进行分析对比。得出结论:新型的电磁超声设计能够显著提高加载效率。

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。

一种新型窄磁铁聚焦式电磁超声表面波换能器

窄磁铁电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)利用较强的边缘磁场能够在铝板中激发出比常规EMAT幅值更大的超声波信号,但是窄磁铁磁场会导致激发的波形发生畸变,从而影响超声检测的可靠性。该文设计出一种新型窄磁铁聚焦式表面波EMAT,不仅修正窄磁铁磁场引起的波形畸变,而且使得激发的表面波幅值得到有效提升。首先,考虑磁场、相位、洛伦兹力贡献度等因素,推导出窄磁铁EMAT激励超声的合成公式,并通过并联分裂导线排布实现对波形畸变和频率偏移的修正。其次,研究磁铁与线圈尺寸参数对换能器激励效率的影响,并通过三维仿真对超声传播特性和聚焦效果进行分析。最后,制备窄磁铁聚焦式EMAT并进行表面波激励实验,结果表明:该文设计的表面波EMAT不仅实现对窄磁铁磁场引起的波形畸变的修正,而且同等磁通密度下激发的表面波信号时域幅值比常规EMAT提高55.92%,频域基频幅值提升69.7%,这为电磁超声表面波换能效率的提升及缺陷检测信号的有效提取提供新方法。

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。

一种磁场优化结构电磁超声传感器设计

为了进一步增强电磁超声检测技术在管道厚度测量领域的检测能力,该文对电磁超声传感器(EMAT)的结构进行了优化。提出了多磁铁对称分布型EMAT,能实现更小的磁铁体积,产生更强的表面剩磁强度。采用在硅钢表面开槽的方式限制涡流形成的区域,解决了涡流对测量的影响。建立厚度测量实验系统,对比出单磁铁型与多磁铁对称分布型EMAT在不同提离距离上检测信号的变化规律。结果表明,多磁铁对称分布型结构可通过增强EMAT的偏置磁场达到信噪比更优的效果。采用耐高温探头外壳和钐钴磁铁,提高了EMAT探头在高温环境下的检测性能。

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。

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。

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。

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。

超声导波电磁声换能器的研究进展

超声导波具有检测范围大、检测效率高等优点,广泛应用于板、管等典型波导结构的缺陷检测.作为超声导波换能器类型之一,电磁声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)得到广泛关注和快速发展.综述了近20年来超声导波电磁声换能器的研究进展.主要包括:针对板和管结构超声导波检测的单模态EMAT结构设计;用于提高激励导波的能量和模态单一性的EMAT线圈与磁体结构参数的优化,针对非金属材料检测的新型贴片式EMAT的结构设计;阵列技术在EMAT性能优化上的应用和在缺陷定位和成像上的应用.

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。