金属板表面电磁超声探伤技术的研究

论文摘要

电磁超声（EMAT）因其无需耦合剂,耐高温,易操作等诸多优势,而被广泛研究。目前电磁超声波可以在火车车轮、钢板、铝板、钢管等缺陷检测中应用。在国内外已经成为主流的无损检测方法之一。基于电磁超声原理,进行了电磁表面波的研究。由于表面波具有单模式,能量集中,在试样的表层传播,因此其适合用于金属板材表面的大范围健康状况检测。课题研究了电磁超声表面波的产生原理以及传播特性,并以此为基础,采用ANSYS软件进行有限元仿真。利用折线形线圈和单磁铁的组合建立电磁超声换能器的3-D有限元模型。为简化有限元求解,将EMAT产生的电磁超声表面波分为电磁场、涡流、洛伦兹力、波动四个部分进行分析,之后对铝板进行了表面波的产生与传播的仿真。以有限元仿真为基础,搭建了由激励、接收和换能器组成的电磁超声表面波金属板探伤检测装置。该检测装置利用FPGA产生正负两路以及频率和周波数可调的脉冲串,并采用多级放大解决电磁超声回波的接收信号比较微弱的问题。利用产生的表面波对金属板中的缺陷进行检测,并进行了声场指向性试验。ANSYS仿真中,电磁超声换能器的3-D的有限元模型在厚度30mm的铝板中,产生的洛伦兹力使铝板发生质点位移变化,形成表面波。在实际试验中,在长600mm,宽300mm,厚30mm的铝板和钢板上进行试验,经试验验证,电磁超声表面波探伤检测装置可在铝板与钢板中产生表面波,产生的表面波能够对板中的缺陷进行检测。声场指向性试验证明表面波传播具有指向性。回波信号经小波降噪处理后,达到了预期效果,信号得以清晰展示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无损检测技术的发展与应用
• 1.2 电磁超声波产生的原理
• 1.3 电磁超声检测技术的国内外研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容及章节安排
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 论文的章节安排
• 第二章 电磁超声表面波的理论研究
• 2.1 电磁超声表面波的基本理论
• 2.2 表面波的产生方程
• 2.2.1 电磁超声的基本方程
• 2.2.2 永磁体的磁场方程
• 2.2.3 EMAT 的电磁场
• 2.2.4 脉冲涡流场方程及洛伦兹力方程
• 2.2.5 铁磁性材料受到的力
• 2.2.6 洛伦兹力激发的表面波的方程
• 2.3 表面波接收方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 电磁超声表面波的有限元的仿真
• 3.1 电磁超声波产生的基本原理
• 3.2 表面波有限元仿真基本过程
• 3.2.1 有限元仿真基本思想
• 3.2.2 建立模型有限元仿真
• 3.2.3 网格划分
• 3.3 永磁铁产生的磁场强度
• 3.4 铝板表面感生出涡流
• 3.5 铝板受到洛伦兹力
• 3.6 铝板有缺陷的仿真
• 3.7 本章小节
• 第四章 电磁超声表面波的硬件电路设计
• 4.1 电磁超声系统的总体结构
• 4.2 发射电路
• 4.3 驱动电路
• 4.4 功率放大电路
• 4.5 阻抗匹配
• 4.6 EMAT 探头
• 4.7 接收电路
• 4.8 本章小节
• 第五章 试验结果与分析
• 5.1 铝板的缺陷检测
• 5.2 电磁超声表面波的指向性简略测试
• 5.3 电磁超声系统在钢板中的试验
• 5.4 铝板和钢板的探头形式初探
• 5.5 电磁超声回波信号处理
• 5.5.1 小波去噪的基本原理
• 5.5.2 超声检测信号小波去噪
• 5.6 本章小节
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A 接收电路PCB 图
• 附录B 激励电路PCB 图
• 附录C 电源电路PCB 图
• 附录D 可调增益放大电路图
• 在学研究成果
• 致谢