带液芯铸坯凝固厚度电磁超声检测方法研究

摘要

作为新兴的无损检测技术，电磁超声凭借其无接触、无需耦合剂以及易于产生各种类型的超声波的特点，在各个领域有巨大的应用潜力，得到了无损检测工作者们广泛的关注。也因为电磁超声换能器可以适应高温高速环境的优点，使其特别适用于连铸坯凝固坯壳厚度检测。本文以带液芯铸坯为研究对象，从EMAT(Electro Magnetic Acoustic Transducer)探头设计出发，并根据连铸坯的结构特点，通过理论建模、有限元仿真以及电磁超声检测实验，研究了带液芯铸坯电磁超声传输特征及凝固坯壳厚度传感机理。研究结果可为凝固坯壳厚度在线无损检测系统的开发及相关工业应用奠定理论基础。
　　本文首先研究了基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器，采用有利于激发纵波的横向磁铁和跑道线圈组合，对其工作机理和相关参数进行二维建模和有限元仿真分析，从点、线、面的角度考察了 EMAT中磁场、涡流场、洛伦兹力场和质点位移场各方向分量的分布特性，并比较了不同参数对换能器性能的影响，给出了设计该类EMAT探头的结构参数的优化值，用于指导后续激励探头的设计。
　　根据带液芯铸坯的特点，将其抽象为固-液-固模型。通过将激励探头和接收探头视为点源，将超声波传播视为射线的折射和反射，并考虑铸坯的实际工况，经过理论计算和有限元仿真得到激励探头安装位置、超声波入射角度以及接收探头安装范围的关系，并提取了超声波在不同厚度的固-液-固模型的回波信号特征。
　　在 EMAT超声回波信号处理方面，本文通过采用基于包络的参数估计算法实现了对反映凝固坯壳厚度的时延参数的估计，并通过仿真和实验，分析了不同厚度的估计精度和计算时间。在仿真中，采用高斯回波模型、小波去噪、希尔伯特包络提取、最小二乘估计以及高斯牛顿迭代实现了对时延参数的高精度估计，并比较了是否采用去噪，是否提取包络两种情况对估计结果的影响，验证了本文信号处理算法的可行性。
　　为验证理论推导和仿真模型的正确性，并针对电磁超声检测对激励信号的较高要求，文中设计了基于STM32的频率可控、周波数可控以及脉冲占空比可控的激励电源用于完成凝固坯壳厚度的模拟实验测量，测量结果具有较高精度，验证了理论模型的有效性以及检测方法的可行性。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题来源及研究目的

1.2 连铸坯凝固坯壳厚度检测国内外现状

1.3 电磁超声检测国内外现状

1.4 论文的主要研究内容

2 电磁超声换能器（EMAT）

2.1 电磁超声换能器的优缺点

2.2 电磁超声换能理论基础

2.3 电磁超声换能器二维模型分析

2.4 本章小结

3 带液芯铸坯超声传输建模分析

3.1 带液芯铸坯电磁超声检测技术

3.2 带液芯铸坯模型的有限元仿真分析

3.3 本章小结

4 凝固坯壳厚度检测算法与仿真

4.1 回波信号的高斯模型

4.2 包络提取与去噪算法

4.3 参数估计算法

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

5 实验验证

5.1 激励电源设计

5.2 振痕模型验证实验

5.3 凝固坯壳厚度测量模拟实验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录