非接触式扭转导波电磁超声换能器的设计及其应用

摘要

在现在工业活动和人们的日常生活中，管道的应用已经十分广泛，面对管道缺陷检测这一难题，人们进行了大量的研究。但是传统的导波检测技术存在一些固有的局限，例如需要耦合剂，材料昂贵，需要清洁被检测物体表面等。而电磁超声换能器具有结构简单，可实现非接触检测的优点；同时导波检测又具有一次性检测距离长，且不同模态的导波对于特定类型形的缺陷敏感程度不同的特点。因此将两者结合可以发挥各自的优势，可以实现对缺陷更快速，便捷地检测，并可以有效克服现有的导波检测技术存在的主要局限。因此电磁超声技术的前景很广阔。 首先，研究了纵向传播的导波在圆柱状波导中的传播特性，求解导波的频散方程，并根据频散方程绘制导波的频散曲线。分析了导波的波速与相速度以及群速度之间的关系，阐述导波多模态特性和频厚积的概念，分析扭转模态导波在管状波导中传播特性。其次，建立电磁超声换能器的理论模型，分析换能机理的作用机制。利用Comsol有限元仿真软件研究影响涡电流分布的因素，并建立和分析洛伦兹力作用模型以及磁致伸缩作用模型，验证在钢管中洛伦兹力作为主要换能机理的结论。而后，搭建检测系统，分别在铝管和钢管上开展实验研究，验证激励出的波的具体模态，研究激励频率，偏置磁场强度和换能器线圈匝数对换能效果的影响，并在钢管上进行刻槽缺陷的定位实验。 目前所研制的换能器线圈为跑道形状，线径为0.69mm的铜漆包线，匝数为50匝。选用尺寸为30mm × 10mm × 5mm的铷铁硼永磁铁，永磁铁磁极呈周期性交错的形式，以每组8片，每边4片分别覆盖在跑道线圈中两个直线部分上。通过实验确定研制的换能器最佳激励频率区间，区间为200kHz±10kHz；对钢管刻槽缺陷定位误差在1.8%以内，满足定位精度的要求；轴向刻槽缺陷的回波幅值比周向刻槽缺陷的回波幅值平均高32%，验证了扭转波对轴向缺陷较为敏感的推论。

目录

第一个书签之前