铁磁性材料电磁超声信号的高速采集与分析

摘要

金属材料由于具有强度高、耐高温、制造方便等特点，在航空航天、铁路运输、电力等领域得到广泛应用。金属工件在恶劣的工作环境或高强度的工作状态下薄弱位置易形成活性裂纹（工作载荷下可产生弹性波的缺陷），高强度材料的活性裂纹容易导致金属工件突然断裂造成设备失效甚至灾难性事故，因此对裂纹进行检测，判定裂纹的活性，评估裂纹的疲劳损伤程度十分必要。
　　电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)因其非接触的检测特点以及能够激发出多种类型的超声波，在无损检测和评估领域得到广泛应用，但如何用其判定裂纹的活性尚未得到广泛的研究。电磁声发射检测技术能够对微细裂纹进行检测并判定其活性，因此本文根据基于涡流的金属裂纹电磁声发射检测原理，结合EMAT的换能机理，提出了一种基于EMAT的金属裂纹电磁声发射检测方法。
　　本文首先在考虑磁致伸缩效应的基础上，建立了铁磁材料唯象本构模型，基于此建立了表面波EMAT的金属裂纹电磁声发射激发结构有限元分析模型，并对激发结构中电磁场-力场-位移场等多场耦合机制进行了仿真分析;其次基于LABVIEW的图形化编程软件以及MATLAB强大的数据处理功能，通过LABVIEW与MATLAB的混合编程，构建了具有输出激励信号、数据采集、信号处理、数据存储等功能于一体的虚拟仪器，结合EMAT及其电磁加载设备搭建了完整的实验系统;最后，根据上述系统对薄金属板的活性裂纹进行电磁声发射实验，采集声发射信号，应用小波包分解重构及FFT变换等信号处理方法，提取声发射信号特征。
　　仿真和实验结果表明，在洛伦兹力和磁致伸缩应力共同作用下，在45＃薄钢板样品的裂纹尖端将引起应力集中现象，随着激励电流的线性增加，其力也随之线性增大并使裂纹自身高频振动甚至尖端屈服，随着内部能量的快速释放，瞬间释放声发射信号。将仿真和实验数据进行对比分析，得出声发射信号强度随激励电流幅值的变化规律以及声发射信号所在频率范围大致为200～300kHz，结合声发射理论、凯瑟效应以及断裂力学，给出了金属裂纹活性的判定依据，验证了应用EMAT对金属裂纹实现电磁声发射检测是可行的，拓展了EMAT的检测功能，为EMAT在实际检测中判定裂纹活性提供了理论和实践指导，其理论和应用价值明确。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 金属裂纹无损检测技术概述

1．2 课题研究的背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 电磁声发射技术国内外研究现状

1．3．2 电磁超声技术国内外研究现状

1．4 论文的主要研究内容

第二章 基于EMAT的金属裂纹电磁声发射检测原理

2．1 固体中的超声波

2．1．1 Lamb波频散特性

2．1．2 声发射信号特性

2．2 EMAT工作原理与基于涡流的电磁声发射检测原理

2．2．1 EMAT工作原理

2．2．2 基于涡流的电磁声发射检测原理

2．3 铁磁材料的唯象本构模型

2．3．1 铁磁材料的磁致伸缩特性

2．3．2 基于畴转密度的唯象本构模型

2．3．3 基于J2流动理论的唯象本构模型

2．4 基于EMAT的金属裂纹电磁声发射多场耦合机制

2．4．1 电磁场基本方程

2．4．2 固体力场基本方程

2．4．3 声场基本方程

2．5 本章小结

第三章 EMAT的电磁声发射激发结构仿真分析

3．1 EMAT的电磁声发射激发结构仿真建模

3．1．1 COMSOL有限元分析方法

3．1．2 EMAT激发结构仿真建模

3．2 仿真结果分析

3．2．1 EMAT电磁声发射激发结构电磁场分析

3．2．2 EMAT电磁声发射激发结构固体力场分析

3．3．3 EMAT电磁声发射激发结构位移场分析

3．3 本章小结

第四章 基于LABVIEW的高速信号采集系统及实验验证

4．1 基于LABVIEW的高速信号采集系统

4．1．1 硬件系统

4．1．2 软件系统

4．1．3 人机交互界面

4．2 实验验证

4．3 信号分析

4．3．1 小波包分解与重构

4．3．2 声发射信号特征提取

4．3．3 仿真实验对比

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢