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《北京科技大学》 2018年
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面向钢板缺陷检测的电磁超声兰姆波换能器研究

何健鹏  
【摘要】:电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,简称 EMAT)作为一种新型缺陷检测手段,具有非接触、检测效率高、检测过程无污染等优点,已成为近几十年的研究热点。然而,作为电磁超声检测技术的核心器件,EMAT换能效率相对较低,限制了其在工业中的广泛应用。传统EMAT设计多基于洛伦兹力换能机制,这种换能器在铝板等非铁磁性材料检测中较为有效,但在钢板检测过程中还存在诸多问题。首先,钢板与铝板相比具有更高的密度和更小的电导率,不利于洛伦兹力产生,换能效率极低。另外,EMAT结构中所使用的永磁铁会对钢板产生磁力吸附,这使扫描检测变得十分困难。为解决上述问题,本文对EMAT在钢板中的换能机制做了深入研究,针对薄钢板缺陷检测设计了新式换能器,并对该换能器的换能机制和性能指标进行了系统研究。在EMAT缺陷检测方面,EMAT检测灵敏度与检测范围存在矛盾:为了实现小尺寸缺陷检测,需要提高超声波激发频率,但频率的提高加速了声波在传播过程的衰减,增加了缺陷信号解析难度。本文利用所设计换能器的宽频特性提出一种激励换能器机械扫描方法可以有效解决这一问题。本文的主要创新点及研究内容包括:(1)通过对钢板中换能机制进行研究,提出一种自激励电磁超声换能器模型。自激励换能器无需磁铁提供静态偏置磁场,依靠线圈产生的强动态磁场实现超声兰姆波激励。通过对自激励EMAT换能机理和特性进行研究,获得不同模式兰姆波激励原因:A0模式兰姆波主要由动态洛伦兹力产生,S0模式由动态磁场引起的磁致伸缩力产生。由于磁致伸缩力只与动态磁场大小相关,与感应涡流强度无关。因此,自激励换能器可以在更高提离距离实现换能。此外,自激励方式极大减轻了换能器质量。(2)分别采用增加铁氧体和提供偏置静态磁场两种方式对自激励EMAT进行优化,并对优化机制进行对比研究。铁氧体对换能效率的影响主要体现在两个方面:一是铁氧体高磁导率特性可以使动态磁场在其表面形成磁通路,起到聚磁作用。另外,铁氧体磁芯增加了 EMAT电感,改变了整个电路阻抗匹配关系。提供偏置静态磁场通过改变磁致伸缩换能机理提高换能效率。增加偏置静态磁场使钢板处于磁化状态,磁畴壁完成移动,磁致伸缩力主要由磁矩转动引起。(3)设计的基于磁致伸缩效应激励换能器和基于逆磁致伸缩效应接收换能器可以同时在5 mm线圈提离高度实现So兰姆波激励和接收,信号具有良好信噪比,与传统换能器小于3mm的工作提离高度相比,新换能器提离特性有明显提升。此外,该结构极大的减小了磁铁与钢板间磁吸附力。(4)基于所设计的换能器,充分利用脉冲激励信号的宽频特性提出激励换能器机械扫描法进行钢板表面及隐藏缺陷检测。在表面缺陷扫描过程中,缺陷会改变激励换能器产生的动态磁场分布,这一变化可以从所接收到的超声信号解析获得,通过信号能量的变化可以对缺陷尺寸进行检测。利用低频S0兰姆波频散弱、波速快、在板厚方向任意位置都具有较大振动位移特点可以实现钢板隐藏缺陷检测,通过扫描过程信号峰峰值的变化可以实现缺陷的定位和深度表征。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG142.15;TH871

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