金属板材中电磁超声导波检测技术的研究

摘要

作为基础工业原材料，金属板材产量的剧增拉动了我国国民经济的高速增长，尤其推动了我国国防工业的快速发展。然而金属板材在生产加工过程中不可避免地存在着缺陷，需要采用超声检测方法及时剔除残次品。目前常用的超声体波检测效率较低，而且传统的超声检测技术因对声耦合剂的依赖而受到限制，为此本文研究电磁超声导波检测技术在金属板材中的应用。超声导波能够实现远距离传输，高效率检测；电磁超声技术无需声耦合剂，能够在金属板材中产生各种超声波。因此电磁超声导波检测技术结合两者的优势，能够高效、便捷地进行金属板材检测。
　　本文首先深入研究了金属板材中超声导波的检测原理。通过建立金属板材中中Lamb波、Rayleigh波和SH导波的特征方程和质点运动模型，分析了其各自在缺陷检测中的特点。
　　针对铁磁性和非铁磁性的金属板材，本文分析了电磁超声的洛伦兹力机理和磁致伸缩机理，设计出4种形式的电磁超声导波换能器(EMAT)。通过理论分析磁铁和线圈的参数和导波特征方程之间的关系，得到电磁超声导波的激发方程和激发曲线。通过对激发电流的频率谱和线圈的波数谱分析，研究了EMAT工作点和工作区域对电磁超声导波激发的影响，进而分析导波多模式和频散的产生原因以及消除方法，达到优化电磁导波超声检测性能的目的。
　　通过建立金属板材检测系统，采用电磁超声Lamb波、Rayleigh波和SH导波对钢板和铝板进行了缺陷检测实验和导波激发实验，验证了该技术是正确的、实用的。本文实现了金属板材中电磁超声导波的激发和优化，为电磁超声导波检测技术应用于工业现场奠定了研究基础。

目录

金属板材中电磁超声检测技术的研究

Research on Electromagnetic Ultrasonic Guided Wave Inspection in Metal Plates

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.2.1 超声导波技术的国内外研究现状

1.2.2 电磁超声导波检测技术的国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 超声导波的检测原理

2.1 引言

2.2 固体中的超声波

2.3 板中的Lamb波

2.4 板中的Rayleigh波

2.5 板中的SH导波

2.6 本章小结

第3章 金属板材中导波EMAT的设计

3.1 引言

3.2 导波EMAT的换能机理

3.3 导波EMAT探头的设计

3.3.1 磁铁的设计

3.3.2 激发电流的频率谱

3.3.3 曲折线圈的波数谱

3.4 金属板材中电磁超声导波的激励

3.4.1 非铁磁性金属板材

3.4.2 铁磁性金属板材

3.5 本章小结

第4章 电磁超声导波检测性能的优化

4.1 引言

4.2 导波EMAT的工作点

4.2.1 相速度和群速度

4.2.2 激发方程和激发曲线

4.3 电磁超声导波的多模式和频散

4.4 电磁超声导波多模式和频散的消除

4.5 本章小结

第5章 金属板材检测的实验研究

5.1 引言

5.2 金属板材检测系统

5.3 钢板检测实验

5.3.1 多模式和频散的消除

5.3.2 采用电磁超声Lamb波的缺陷检测

5.3.3 采用电磁超声Rayleigh波的缺陷检测

5.4 铝板检测实验

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性说明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢