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。     

电磁导波能量压缩式脉冲激励方法研究

电磁导波检测技术因其非接触耦合特性而被广泛应用于各种类型金属管道的损伤检测,但较低的激发效率却导致电磁导波信号能量传递范围有限,限制了其在长管道和结构复杂管道方面的应用。为提高电磁导波换能效率,本文摒弃了脉冲发生器和功率放大器相组合的激励源结构,提出了一种以能量压缩原理为核心的脉冲激发方法,在空间和时间上压缩存储于电容中的能量来提高激发信号强度,并确定了脉冲形成回路参数的选取规则。实验证明该方法可以有效增加电磁导波激发信号幅值。     

圆管 线圈耦合宽带发射换能器有限元分析

圆管型换能器是水声中常见的一种发射换能器。为拓展工作频带,工程上可通过改进电端,将压电圆管与密绕线圈相串联来激发电路谐振,从而增加带宽,但有限元仿真中压电元件和电磁线圈无法直接耦合在一起。因此,针对圆管 线圈耦合换能器的仿真分析难度较大,该文提出了一种压电 电磁混合有限元仿真方法,通过在压电模型中增加电路接口,利用电磁仿真提取线圈的电感和电阻值,并赋予电路接口中相应元件,使压电元件和电磁线圈耦合在一起,进而实现整体性能仿真分析。仿真与实测结果显示二者物理规律相吻合,验证了所提出仿真方法的有效性。     

基于有限元法的激光声磁检测系统优化研究

针对激光超声和电磁超声两种非接触式检测方式在实验中操作复杂和灵敏度低,以及难以观察不同参数对相关物理场造成的影响等问题,文中将有限元法应用到激光声磁混合式检测当中,采用数值分析方法分析了脉冲激光与电磁超声换能器之间的匹配关系对检测灵敏度的影响,研究了激光声磁检测系统的优化设计依据。利用有限元软件建立了激光声磁检测系统的仿真模型,通过正交数值仿真分析了高斯激光脉冲激励超声的温度场和位移场特性,进而观测了电磁超声换能器参数变化对检测灵敏度的影响。结果表明:螺旋型线圈接收的电压信号能正确反应由入射激光在固体中发生热膨胀效应产生的超声位移场,当磁体的高宽比为 1.5 倍时,驱肤层处磁场强度分布最优,提离距离对换能效率的影响呈现负指数变化规律,评价了不同接收间距处电磁超声换能器的接收性能。     

电磁超声检测技术的应用

电磁超声检测技术是近年蓬勃兴起的先进无损检测方法,该项技术具有不需要使用耦合剂、检测效率高、可实现在线监测等显著优势,同时通过采用不同构型的电磁超声换能器,可实现多种超声波型的激发和接收,极大丰富了电磁超声检测技术的应用场景。同时,作为新兴的先进检测技术,电磁超声检测技术还存在诸如换能器换能效率不高、对粗晶材料检测效果不佳等问题需要进一步研究和发展。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

超声波在换能器接触界面传播的特性研究

在研究超声换能系统的过程中发现,系统存在非线性特性.引起超声波非线性的主要因素是换能器子结构接触界面上传递的不连续造成的.该文对超声波在超声键合换能器中的传播为研究对象,建立了超声波在单一均质材料和两种材料接触界面传递的一维数学模型,并采用机械动力学软件进行了仿真,推导出界面预紧力和超声波传播的关系,并试验测试了超声换能器在不同预紧力条件下,换能器换能杆末端振动速度和键合强度的变化规律.为超声键合换能器系统的设计、安装和维护提供了可靠依据.     

水下管道超声导波检测实验研究

扭转模态导波T(0,1)对液体载荷不敏感,其用于水下管道检测是一种具有潜在吸引力的导波模态。基于T(0,1)导波,研制了一套可用于水下管道检测的新型换能器阵列,并在实验室环境中进行了系列检测实验。换能器采用厚度剪切型压电陶瓷作为敏感元件。卡具装置采用模块化设计,模块间通过销轴连接。这种设计使换能器阵列具有一定的柔性,并可方便拆卸各模块以满足不同直径管道对于换能器数量的要求。实验结果表明,换能器阵列能在水下管道中高效激励和接收T(0,1)模态导波。模拟损伤回波信号到达时间和幅度较好地反映了损伤的轴向位置及大小。换能器阵列具有安装简单,使用灵活的特点,为水下管道超声导波检测提供了有效手段。     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究

基于互感理论和耦合理论为无线充电的耦合线圈建立了分析传输效率的模型,得到了影响传输效率的关键因素:两线圈半径及相对大小、线圈相对位置、线圈匝数、工作频率和负载等。随后结合微小型无线充电设备的实际应用,利用Ansoft公司的电磁仿真软件Maxwell并采用控制变量法对关键因素进行模拟仿真分析。最后根据模拟仿真的结果,总结出提高该无线充电设备传输效率的若干方法。     

混凝土中钢筋腐蚀监测传感器的设计

介绍了基于电磁耦合的混凝土中钢筋腐蚀监测传感器的原理和模型,并应用ANSYS软件仿真设计出符合工程需要的腐蚀监测传感器的尺寸和线圈的匝数。根据由ANSYS仿真已得到的线圈电感值和线圈耦合系数,应用PSpice软件仿真设计出钢筋腐蚀监测传感器中其他元件参数的大小。对钢筋腐蚀监测传感器进行了详细的仿真设计,为其实际制作提供重要参数依据。     

一种高效的夹心换能器有限元设计方法研究

夹心式压电换能器是多种设备的核心器件.该文提出了对换能器前后两部分分别设计和仿真的方法,比传统的按整体进行计算和仿真的方法实现了更高的仿真设计效率:首先,对前后部分分别进行仿真与优化,实现前后部分的谐振一致性;其次,把前后部分模型整合实现对整体的仿真和调整;最后,按最优方案制作换能器,并与传统方法设计的换能器进行实验对比.通过实验证明,按照该文提出的方法,加工装配的换能器不仅研制周期短,且品质因数高、谐振阻抗小、有较大的有效机电耦合系数.     

高频压电复合材料球形换能器仿真设计

该文仿真设计了一种高频压电复合材料球形换能器,利用COMSOL软件建立了有限元模型,计算了换能器的声辐射特性,分析了不同压电陶瓷材料、不同基元尺寸对换能器声辐射特性的影响。仿真分析结果表明,球形高频换能器具有高频、宽带及可全向辐射声波等特性,能广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列。     

压电微型超声换能器阵列设计及焊缝检测应用

针对现有焊缝检测存在换能器尺寸大,带宽窄,成本高和应用灵活性差等局限,该文研制出一种八通道压电微型超声换能器阵列探头。阻抗频率和回波特性测试结果表明,理论模型能有效地指导超声换能器阵列设计,工作频率偏差不超过2%,-6 dB相对带宽可达87.85%。利用探头实现了对25 mm厚度的标准对接钢板试块内部缺陷的准确识别,检测分辨率优于1 mm。该探头体型小且各阵元能独立或协同工作,扫描模式应用灵活,可为焊接钢板的健康监测提供技术参考。     

基于Leach模型的空气耦合超声换能器声阻抗匹配特性研究

压电陶瓷与空气之间的声阻抗差异巨大，导致声波在固-气介质间的能量传输效率低，研究匹配层特性对提升换能器能量传输效率具有重要意义。文章通过Leach模型仿真，研究了空气耦合超声换能器阻抗与瞬态响应，并搭建实验平台进行测试验证。仿真和实验结果表明，增加一层匹配层可将接收信号幅值增大约280%,增加两层匹配层可将接收信号幅值增大约363%。通过采用经声阻抗匹配后的换能器对碳纤维板缺陷进行检测，能明显检测出深度为0.5 mm、直径为1 mm凹槽缺陷的变化，验证了通过等效电路模型研究换能器匹配特性方法的有效性。     

激光超声结合电磁超声在铝板无损检测中的应用研究

为了检测金属材料生产、使用过程中的厚度损失及表面裂缝损伤,对比分析了激光干涉仪和电磁超声换能器(EMAT)对金属激光超声信号探测的准确度和实用性。采用激光干涉仪表面波信号与纵波信号相结合的方法探测了铝板厚度,并根据背面纵波信号测量了铝板表面裂痕缺陷深度;采用EMAT表面波信号确定铝板裂痕缺陷的位置,纵波信号确定铝板的厚度。结果表明,相比激光干涉仪的复杂激光超声信号接收光路,EMAT铝板测厚及裂痕缺陷位置检测的误差均在4%以下,且裂痕缺陷位置的预测值不会随着表面裂痕缺陷深度的减小而增加。可见,采用激光超声与电磁超声相结合的方法可有效地降低检测条件的复杂性,提高激光超声的实用性。     

一种新型柔性夹持高频超声换能器设计

为了提升高频超声换能器输出振幅与超声能量的传输效率,该文提出了一种新型柔性夹持高频超声换能器,并基于模块化设计思想,综合机电等效法、四端网络、有限元分析及柔度分析技术,系统建立了此类型高频超声换能器的设计方法,制作了换能器样机,搭建了换能器电学、动力学特性测试平台。激振实验表明,柔性夹持换能器输出端稳态振幅较传统夹持换能器提升了38.55%。换能器输出端动态振幅信号时域、频域分析结果表明,将柔性铰链机构和传统法兰夹持结构相结合,通过引入柔性转动副,柔性夹持换能器超声能量传递效率提高了5.16%。这表明柔性夹持法兰能够提升夹持结构的运动解耦能力,具有一定的应用前景。     

浅海底瞬变电磁探测系统关断沿影响因素研究

运用电路理论对发射线圈进行了建模分析;讨论了采用多匝小线圈进行浅海底瞬变电磁探测时,发射电流关断沿时间与电流幅值和发射线圈匝数之间的关系;给出了在保证发射磁矩的前提下,合理确定发射电流幅值与发射线圈匝数以缩短发射电流关断沿的原则,并通过实验进行了验证.     

基于NIR-AOTF的超声换能器阻抗特性分析及驱动系统设计

该文从压电超声换能器的阻抗特性出发,在对换能器的输入阻抗及匹配网络进行了深入研究的基础上设计了一种基于高速单片机和直接数字频率合成器(DDS)的NIR-AOTF驱动系统,采用软件查表法将各个频段驱动信号所对应的电压幅值控制字做成表并保存在单片机中,实现了DDS在各个频段的恒功率输出,并采用新型的宽带阻抗变换网络加载在压电换能器,最终在30~80MHz带宽范围内匹配网络 ＞-0.276dB,回波损耗 ＜-10.173dB。由于驱动电路提供功率为36dBm,实验证明换能器获得功率高于35dBm,达到超声换能器实际工作的3-4W功率要求, NIR-AOTF的0级光谱衍射效率最高达73％。     

超声换能器频率特性及匹配研究

超声换能器是一种强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗等特性差别很大.在超声换能器的应用中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配,以达到最高的传输效率和最佳的波形效果.详细分析了超声换能器的频率特性及匹配方式,并对超声换换能器参数进行了测试,根据测试参数设计了阻抗匹配电路.理论分析和实验测试表明,良好的频率及阻抗匹配电路有利于优化超声波发射波形,提高电声转化效率.