凝固末端电磁超声检测机理及点聚焦换能器设计技术研究

摘要

连铸坯作为机械设备、建筑行业等领域的主要来源，其铸坯质量和材料属性与国民经济和人民生活息息相关。准确检测和预报凝固末端的位置信息，不仅为连铸机设计和连铸工艺控制提供参考依据，还是实现轻压下和电磁搅拌技术的前提和关键，对改善铸坯内部质量和提高生产效率具有重要意义。由于电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT）具有非接触、无需耦合剂、耐高温（900℃以上）以及防水雾等诸多优势，以及高功率超短脉冲激励电源技术和超声波信号处理技术的发展，电磁超声技术已成为连铸坯凝固末端位置检测的新途径，在未来的工业领域中具有广泛的适用价值和应用前景。然而，作为电磁超声检测技术的核心组件，EMAT 具有较低的换能效率，还存在多模式、指向性较差、谐振频率易受外界环境影响等诸多问题，大大制约了电磁超声检测技术的进一步推广与发展。为了解决上述问题，本文针对用于连铸坯凝固末端位置检测EMAT的优化设计和谐振频率跟踪控制进行了深入研究。　　针对应用于凝固末端检测的 EMAT，通过建立凝固末端电磁超声传输谱线的理论计算模型，详细分析了凝固末端电磁超声检测机理。然后，基于电场方程、磁场方程、弹性动力学方程和声场方程，建立了包含静、动态洛伦兹力的 EMAT三维有限元模型，该模型涵盖了电磁超声换能器换能过程所涉及的全部物理场和换能器的全部结构参数，有效弥补了 EMAT 模型精度和完整性较低的不足，为开展聚焦型EMAT的优化设计与分析奠定了基础。　　针对电磁超声曲折线圈换能器存在的接收信号弱、指向性差等不利影响，在EMAT 三维有限元模型仿真分析的基础上，研究了同轴曲折线圈不同孔径角对信号强度、聚焦偏移量和声束聚焦模式的影响关系，其中还考虑了设计聚焦深度的影响。然后，提出了基于正交试验设计的点聚焦同轴曲折线圈SV（Shear Vertical）波 EMAT 的优化设计方法，获得了换能器设计参数对优化目标的影响等级关系，确定了换能器设计因素的最优参数组合，并归纳了点聚焦 SV 波同轴曲折线圈EMAT的基本设计准则。　　针对EMAT存在的谐振频率漂移问题，建立了EMAT谐振频率附近的等效电路导纳模型，从理论角度分析了 EMAT 的阻抗匹配特性，总结出了换能器阻抗匹配方法的依据及规律。在此基础上，通过引入低通滤波器将系统输入隐含在非线性不确定函数的非仿射换能器系统转换为易于研究的仿射系统，设计了基于神经网络自适应的谐振频率跟踪控制器，并对考虑环境温度和提离距离的外界干扰因素的控制器进行了仿真验证，结果表明基于神经网络自适应谐振频率追踪算法可实现换能器系统固有谐振频率的自动跟踪控制，该控制器具有良好的动态特性和稳定性。　　最后，为了验证所设计的点聚焦同轴曲折线圈 SV 波 EMAT 对连铸坯凝固末端的检测能力，建立了含液芯的凝固末端电磁超声检测有限元模型，并分析了换能器偏移距离、液芯深度和液芯尺寸对铸坯凝固末端电磁超声检测能力的影响。针对连铸坯凝固末端检测的实际工程背景，设计并搭建了电磁超声检测系统，并利用所设计的点聚焦同轴曲折线圈 SV 波 EMAT 实现了凝固末端的有效检测。本论文研究的连铸坯凝固末端检测 EMAT 设计为连铸坯的在线自动检测技术奠定了良好基础。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 凝固末端检测技术研究现状

1.2.1 凝固末端检测常见技术研究现状

1.2.2 凝固末端电磁超声检测技术研究现状

1.3 电磁超声换能器研究现状

1.3.1 电磁超声换能器优化设计研究现状

1.3.2 电磁超声换能器聚焦技术研究现状

1.4 本文研究内容及章节安排

2 凝固末端电磁超声检测机理及换能器三维建模

2.1 引言

2.2 凝固末端电磁超声检测机理

2.2.1 凝固末端形成问题描述

2.2.2 凝固末端电磁超声传输谱线建模与分析

2.3 电磁超声换能器的工作原理

2.4 电磁超声换能器的换能机制

2.4.1 洛伦兹力机制

2.4.2 磁致伸缩力机制

2.5 电磁超声剪切波换能器有限元建模

2.5.1 建模流程

2.5.2 模型建立

2.5.3 结果分析

2.6 本章小结

3 点聚焦剪切波电磁超声换能器的优化设计

3.1 引言

3.2 点聚焦剪切波电磁超声换能器工作机理

3.3 点聚焦剪切波电磁超声换能器仿真分析

3.3.1 孔径角对信号幅值的影响

3.3.2 孔径角对聚焦偏移量的影响

3.3.3 孔径角对聚焦性能的影响

3.3.4 设计深度对聚焦偏移的影响

3.3.5实验验证

3.4 点聚焦剪切波电磁超声换能器优化设计

3.4.1 优化设计目标

3.4.2 优化设计对象

3.4.3 优化设计方法

3.4.5 结果分析

3.4.6 实验验证

3.5 本章小结

4 电磁超声换能器谐振频率跟踪控制

4.1 引言

4.2 电磁超声换能器的等效电路模型

4.3 电磁超声换能器的导纳特性研究

4.3.1 电磁超声换能器的并联谐振频率和反谐振频率

4.3.2 电磁超声换能器的并联谐振频率临近态

4.3.3 电磁超声换能器的上下限截止频率

4.3.4 其他特征频率

4.4 电磁超声换能器电端匹配特性

4.4.1 电磁超声换能器阻抗匹配方法

4.4.2 电磁超声换能器阻抗匹配约束条件

4.5 电磁超声换能器自适应频率跟踪控制

4.5.1 预备知识

4.5.2 电磁超声换能器数学模型

4.5.3 谐振频率跟踪控制器设计

4.5.4 仿真分析

4.6 本章小结

5 凝固末端电磁超声检测仿真与实验分析

5.1 引言

5.2 凝固坯典型液芯类型

5.3 凝固末端电磁超声检测仿真分析

5.3.1 凝固末端检测有限元建模

5.3.2 凝固末端检测频域分析

5.3.3 凝固坯末端检测仿真分析

5.4 凝固末端电磁超声检测实验分析

5.4.1 常温下凝固末端检测

5.4.2 高温下凝固末端检测

5.4.3 实验结果与分析

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间取得的主要学术成果

B. 攻读博士期间参与的主要科研项目

C. 攻读博士期间申请的发明专利

D. 学位论文数据集

致谢