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。     

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对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5mm×宽1mm×深0.5mm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1.3mm、无同步平均次数的条件下,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5mm×宽1mm×深0.5mm裂纹,16次同步平均抑噪的猝发音驱动方式无法准确获取缺陷波,而采用无同步平均次数的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。     

电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响.结果表明:减小基板厚度以及提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率.最后通过实验进行验证,仿真结果与实验基本一致.     

铝板纵波电磁超声检测中电磁铁的遗传算法优化设计

提出一种提升电磁超声检测能力的电磁铁的遗传算法优化方法,首先采用单目标优化方法,分别以磁感应强度和均匀度为目标,利用响应曲面法（RSM）,确定磁感应强度与磁芯,线圈等因素的二阶响应模型,根据响应模型得到优化参数。然后采用多目标优化方法,以磁感应强度和均匀度为目标,采用Matlab与Comsol联合仿真,并结合遗传算法进行优化。两组优化结果表明：多目标优化方法得到的有效区域磁感应强度更高,均匀度更好,通过实验证明优化后纵波信号提升60%,证明优化方法有效,可以将该方法运用到其他形式的电磁铁设计。     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈 EMAT 检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波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0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。     

基于编码压缩的纤维缠绕气瓶贴附式电磁超声检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在纤维缠绕储氢气瓶在线监测中回波信噪比低、洛伦兹力机制失效等问题,提出了基于编码压缩的贴附式电磁超声水平剪切(SH)导波检测方法,通过有限元建模分析了Barker编码序列位数和码元载波周期、chirp信号脉宽和带宽、组合Barker码的组合方式对脉冲压缩信号的信噪比和分辨率的影响,并进行了实验验证,最后开展了纤维缠绕储氢气瓶中长20 mm、宽0.5 mm、深2 mm裂纹检测实验。结果表明,采用金属贴膜方式能有效解决EMAT在非金属材料中难以检测的难题;增加Barker码的序列位数和载波周期、增大chirp脉宽以及减小chirp带宽、增加组合Barker码的序列长度均可以提高脉压信号信噪比;经优化设计后,相较于传统Tone-burst激励方式,脉冲压缩技术可以将缺陷波信噪比至少提高20.4 dB,在不同编码算法中,chirp信号激励下的信噪比最高,达到了23.9 dB,采用3×13位组合Barker码时,脉压信号的主瓣宽度为28.8μs,分辨率最高,但信噪比较低。     

脉冲压缩技术在高温锻件电磁超声检测中的应用

针对脉冲压缩技术应用于电磁超声检测时,检测系统频谱特性与调制信号带宽不匹配,导致脉冲压缩效果下降的问题,建立了电磁超声检测过程的场路耦合分析有限元模型,比较线性调频(LFM),Barker, LFM+Barker和调幅线性调频(AMLFM)+Barker共4种调制信号对脉冲压缩效果的影响。以高温锻件平底孔缺陷螺旋线圈电磁超声检测为例,对比和验证了同时宽的4种调制信号脉冲压缩技术的应用效果。研究结果表明：采用Barker信号激励时,获得的脉压信号主瓣信噪比最高,但由于时频积较小,空间分辨率差;采用LFM信号激励时,高温锻件中高频成分超声波衰减愈加严重,造成主瓣信噪比下降和波包宽度变大等问题;采用AMLFM+Barker激励时,由于子函数加窗导致主瓣宽度有所增加;基于LFM+Barker复合调制信号的脉冲压缩技术兼具高主瓣信噪比和高空间分辨率的优点。该研究可以为高温环境下铸锻件超声检测提供解决方法。     

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。     

高温锻件在线快速检测螺旋线圈EMAT优化设计

在高温铸造/锻造过程中进行缺陷的检测、控制和修复以及厚度测量,并据此调整加工工艺参数,及时剔除缺陷/尺寸超标件,避免进入下一步工序,对提高产品合格率、实现环保制造,具有重要的工程应用价值。针对电磁超声换能器(Electromagnetic ultrasonic transducer, EMAT)在大提离、强环境电磁干扰、高温等严苛条件下对表面粗糙形貌、晶粒粗大的铸锻件进行快速检测时的信噪比和空间分辨率差这一难题,建立基于chirp信号激励的螺旋线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析EMAT设计参数、chirp信号带宽、脉宽等因素对脉冲压缩后的回波主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取主瓣峰值主瓣宽度最佳参数组合,并通过试验加以验证。设计耐高温EMAT探头,比较单一正弦脉冲激励信号和chirp脉冲压缩在650℃以上高温锻件检测的信噪比和主瓣宽度。结果表明,采用chirp脉冲压缩技术,高温EMAT检测的信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)、空间分辨率和检测效率更高。在720℃高温锻件、提离为3 mm且无同步平均条件下,与单一正弦脉冲激励相比,采用脉冲压缩...     

热钢板无损检测缺陷定位精度分析与修正方法

为了研究超声波在均匀温度场以及非均匀温度场作用下的金属材料中的传播规律,提高缺陷检测精度,利用多物理场耦合的方法,建立均匀温度场和非均匀温度场作用下的碳钢中超声检测有限元模型,预测了均匀高温和不均匀温度场下金属材料中缺陷超声检测的探测位置,仿真结果与已有的实验结果基本吻合,然后对仿真的缺陷位置进行数据回归拟合,建立了特定温度场作用下超声缺陷检测位置修正经验公式。研究表明：均匀温度场中金属材料温度的升高、非均匀温度场中固体上下表面温度差的增大以及缺陷与探测器之间距离的增大,都会导致缺陷定位误差的增大。利用回归拟合的缺陷位置修正经验公式,能够显著提高超声缺陷检测的定位精度。