用于铝合金厚板检测的电磁超声体波换能器优化设计

摘要

电磁超声无损检测技术因其无需耦合剂，非接触性等优点在近几十年得到了飞速的发展与广泛的应用。由于国家经济建设的迅猛发展，对铝合金板材的需求日益增多。但因我国铝合金板材生产加工工艺的限制，在板材中难免会存在一些缺陷。所以针对铝合金厚板的电磁超声换能器(EMAT)的研究具有理论意义和应用价值。由于电磁超声换能器的换能效率较低，导致接收的感应电压回波信号较小，增大了在实际应用中的难度。
　　本文旨在对用于铝合金厚板检测的电磁超声体波换能器进行优化设计，提高回波感应电压信号的幅值。首先简要分析了电磁超声换能器3种换能机理的激发方式。随后着重分析洛伦兹力机理激发的工作过程，建立其数学模型。并应用有限元软件建立了电磁超声换能器的二维有限元模型。
　　针对缺陷检测时电磁超声换能器接收到的回波信号较小的问题，选择使用蝶形线圈建立电磁超声体波换能器的二维有限元模型，并使用正交试验的优化方法进行改进。针对现有大多电磁超声换能器有限元模型为理想模型，忽略了电路参数对仿真结果的影响。本文以厚度检测为例，对包含电路模型的螺旋线圈电磁超声换能器模型进行整体设计。计算线圈等效阻抗后，使用双层螺旋线圈结构建立电磁超声换能器的二维轴对称有限元模型，并应用正交试验进行设计优化。
　　采用极差分析法对两组正交试验结果进行分析。在缺陷检测中，对比不同结构缺陷回波电压信号的强弱程度，获得了优化的磁铁和线圈结构参数值。还得出了在本结构下磁铁-线圈的最佳宽度比。在厚度测量中，优化后的螺旋线圈电磁超声换能器回波电压幅值比原设计有所提高。

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第1章 绪论

1.1课题的目的与意义

1.2 电磁超声板材无损检测国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 电磁超声体波换能器有限元模型建立

2.1 EMAT换能机理

2.2 EMAT洛伦兹力机理的数学模型

2.3 体波EMAT的一体化建模

2.4 本章小结

第3章 用于缺陷检测的体波EMAT优化设计

3.1 EMAT线圈选择

3.2 体波EMAT优化

3.3 磁铁-线圈最佳宽度比

3.4 实验验证

3.5 本章小结

第4章 用于厚度测量的体波EMAT优化设计

4.1 测厚EMAT仿真设计流程

4.2 EMAT线圈模型建立与验证

4.3 测厚EMAT仿真模型建立与分析

4.4 测厚EMAT优化设计

4.5 线圈激励电流与接收回波感应电压信号间的关系

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢