用于钢轨探伤的脉冲电磁式电磁超声体波换能器设计

摘要

铁路安全至关重要，国内外普遍采用压电超声技术进行钢轨探伤，但其依赖声耦合剂，检测速度和精度受限。而采用电磁超声技术则不需耦合剂，可以弥补压电超声的不足。但电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,简称EMAT)通常采用永磁铁，在钢轨上移动困难，容易吸附铁屑、磨损探头，限制了其在钢轨探伤领域的应用。针对以上不足，本文将研究用于钢轨体波探伤的脉冲电磁式电磁超声换能器(Pulsed ElectromagnetEMAT,简称PE-EMAT)设计技术。
　　针对目前体波PE-EMAT检测性能差、能耗高、体积大的问题，通过对电磁超声体波激发机理和PE-EMAT工作原理进行分析，提出体波PE-EMAT的总体设计方案；分析对比换能器各部分的选型和材料，设计体波PE-EMAT的工作流程和基本结构。
　　针对钢轨探伤中体波PE-EMAT工作机理复杂、分析难度大的问题，通过分析体波PE-EMAT工作物理过程，建立体波PE-EMAT有限元仿真模型。分别通过二维和三维有限元建模，仿真了体波PE-EMAT完整换能过程。针对仿真计算复杂的问题，通过优化模型结构，将仿真时间减少了约42％。研制了脉冲磁场测量仪，搭建了电磁超声实验测试平台，通过实验验证了仿真模型的正确性。
　　针对体波PE-EMAT参数多、优化设计过程复杂的问题，提出体波PE-EMAT参数选取及分析方法。该方法在仿真模型基础上，分析了体波PE-EMAT各参数对探伤性能的影响，并设定其取值范围。围绕增强缺陷回波信号强度的优化目标，提出体波PE-EMAT正交试验优化设计方法，确定了激发脉冲磁场较强、缺陷信号较大的体波PE-EMAT最优参数组合。实验结果表明，优化后体波PE-EMAT的缺陷信号幅值提升约95%，信噪比提升约6 dB。
　　针对钢轨探伤需求和PE-EMAT工作特点，设计脉冲电磁式电磁超声钢轨探伤系统。测试了体波PE-EMAT对GTS-60型钢轨标准试块中典型缺陷的检测能力。实验结果表明，设计的体波PE-EMAT能够有效检测钢轨中直径8 mm螺孔、深5通长线切割槽和深3通长线切割槽。该系统探伤性能较好，在钢轨上移动方便、对探头磨损较小。
　　本文设计的脉冲电磁式电磁超声体波换能器为电磁超声钢轨探伤技术的工程化奠定了基础。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 脉冲电磁式电磁超声体波换能器方案设计

2.1 引言

2.2 电磁超声体波激发机理

2.3 脉冲电磁式电磁超声体波换能器原理

2.4 脉冲电磁式电磁超声体波换能器总体方案设计

2.5 本章小结

第3章 脉冲电磁式电磁超声体波换能器建模

3.1 引言

3.2 脉冲电磁式电磁超声体波换能器多物理场模型

3.3 脉冲电磁式电磁超声体波换能器建模仿真

3.4 EMAT声场模型优化

3.5 模型实验验证

3.6 本章小结

第4章 脉冲电磁式电磁超声体波换能器优化设计

4.1 引言

4.2 脉冲电磁式电磁超声体波换能器线圈参数分析

4.3 EMAT线圈优化设计

4.4 脉冲电磁铁本体优化设计

4.5 脉冲电磁式电磁超声体波换能器优化实验验证

4.6 本章小结

第5章 脉冲电磁式电磁超声钢轨探伤系统设计

5.1 引言

5.2 脉冲电磁式电磁超声钢轨探伤系统方案设计

5.3 系统软硬件设计

5.4 信号处理算法设计

5.5 钢轨探伤实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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