电磁超声换能器

摘要： 目前评价固井质量的声波测井方法均是在井内泥浆中辐射声波,再耦合到套管中激发套管波,这种测量方式在重泥浆或含气的井筒内应用时受到了限制.本文将电磁超声换能器引入到套管井中,无需井内介质的声耦合直接在套管中激发沿着套管轴向偏振、周向传播的准SH波.利用多物理场有限元仿真技术优化设计了磁盘阵列式的偏置磁场和跑道型线圈结构的电磁超声换能器,基于洛伦兹力机理实现了在铁磁材料的套管中激发和接收环向传播的准SH波的电磁超声转换技术.根据优化设计结构在实验室研制了电磁超声换能器,有限元模拟和实验室测量均观测到了沿套管环向传播的零阶及一阶准SH波.有限元模拟结果还显示在胶结良好的套管井中,准SH波一边沿着套管环向传播,一边向水泥环中辐射准SH波;在水泥和地层界面准SH波还会发生反射,再耦合到套管中被接收器接收到,通过对比硬地层和软地层两种套管井模型中接收的反射波信息,可观测到反射的准SH波相位相反,反射波和直达波的相位变化充分验证了准SH波的传播特征.

摘要： 表面粗糙度直接决定着工件的性能和使用寿命,由于传统的基于光学或三维形貌的表面粗糙度检测方法存在对工件表面清洁状态及操作环境要求较高等问题,因此,该文提出一种基于深度学习的非接触式电磁超声表面粗糙度识别方法。首先通过建立不同表面粗糙度的电磁超声有限元仿真模型,研究了涡流密度和洛仑兹力对激励与接收信号的影响。然后利用所提出的卷积神经网络,对从电磁超声换能器检测得到的A扫描信号的时频系数图进行特征提取,输入至预训练的支持向量机分类器中完成表面粗糙度识别和预测。为了验证所提方法的有效性,对通过立铣工艺加工的表面粗糙度比较样块进行测试。实验结果表明,所提出的超声识别方法平均精度为98.83%,具有较高的预测精度与稳定性,解决了超声信号信噪比较低而导致信号特征识别困难的问题,同时减少了特征提取过程对于人工干预的依赖。

摘要： 超声波在变厚板中的传播特性尚不明确,构建高精度超声非线性响应模型是将超声非线性技术用于变厚板早期损伤检测的关键。基于金属塑性形变的本构关系,推导单轴拉伸下变厚板塑性应变的分布方程,将表征变厚板塑性应变分布的函数与超声波波动方程结合,构建变厚板超声非线性响应模型。由构建模型可知:二次谐波幅值(A_(2))与基波幅值(A_(1))二次方的比值(A_(2)A_(1)^(2))随传播距离及波数均呈“二次方”增长;相同传播距离,A_(2)A_(1)^(2)与总体塑性形变呈正相关,A_(2)A_(1)^(2)携带了变厚板塑性形变信息。在COMSOL中构建铝合金变厚板弹塑性模型,验证了利用线性方程描述变厚板塑性应变分布的合理性;构建电磁超声系统,验证了超声非线性响应模型的有效性。制备不同塑性形变的变厚板试件,研究电磁超声表面波在其中的传播规律。实验结果表明,构建的超声非线性响应模型能够精确描述变厚板中超声波的传播行为。该文为利用超声非线性技术实现变厚板塑性损伤的量化检测提供理论基础,为超声非线性技术在异形结构上的应用提供了研究思路。

摘要： 为了减少多通道电磁超声换能器的磁铁数量,提高检测信号的信噪比,提出了一种组合型磁铁结构EMAT(电磁超声换能器),使用该EMAT可以在一次检测过程中完成超声测厚、轴向导波和周向导波扫查。通过仿真优化了换能器结构设计,分析了其结构参数对磁场强度的影响。设计换能器并搭建试验平台,验证了模型结构的正确性。与传统换能器的励磁效果相比,该换能器在工件近表面产生的磁场强度较大,可以在一次检测中同时完成测厚与轴向和周向两个方向的导波扫查;测厚信号的信噪比提升了2 dB,导波信号的信噪比提升了19.5%,检测效率得到提高。

摘要： 在焊接工艺中,焊缝缺陷是不可避免的,它将直接影响到工件、设备的性能与安全,因此,对于焊缝的检测显得尤为重要。针对铝材焊缝中细小裂纹检测问题,提出了一种基于电磁超声换能器的无损检测方法。首先根据板中兰姆波(Lamb波)在焊缝中的传播特性,采用有限元软件仿真分析了Lamb波在检测铝板焊缝时的传播过程,从而得到了Lamb波A0模态沿焊缝传播的规律。接着在研究Lamb波声场的基础上,构建了含有纵向裂纹的有限元仿真模型,仿真分析了裂纹周围Lamb波的响应特性,得出了裂纹尺寸、位置与缺陷回波幅值、到达时间的关系,为焊缝裂纹缺陷的定量检测打下基础。最后根据有限元仿真模型搭建出焊缝检测平台,通过对铝板中0.2 mm的细小裂纹进行了焊缝检测实验,研究表明Lamb波的A0模态能够识别焊缝中细小裂纹特征,证明了仿真分析的正确性和有效性。

摘要： 为实现管道剩余厚度的精确检测,设计了一种基于电磁超声横波的非接触式管道厚度检测系统。采用自研的电磁超声大功率激励源与换能器产生测厚横波,并由接收器对回波电压信号进行实时滤波和处理,得到铝制管道的精确剩余厚度。针对电磁超声回波的小信号和低信噪比对激励线圈参数进行优化,在此基础上对横波声束在圆形管道界面辐射特性进行分析。根据换能器线圈匝数、线圈宽度分别为回波信号峰峰值和信噪比的最大影响因子,设计优化后检测换能器并实现了误差小于0.2%的剩余厚度检测。

摘要： 针对电磁超声导波主声束传播方向受钢板中裂纹方向影响的问题,分析电磁超声主声束与磁场参数的函数关系,建立基于毕奥-萨伐尔定律的导波传播方向分析模型,研究换能器线圈工作导线的偏转角与导波传播关系的方向控制模型,实验验证了主声束方向可控及其裂纹检测能力.结果表明:钢板中电磁超声导波主声束传播方向垂直于换能器线圈工作导线,工作导线偏转角变化可实现电磁超声导波在钢板中的传播方向控制,为钢板中全向裂纹检测提供了理论依据与应用基础.

摘要： 电磁超声换能器(EMAT)激励的Lamb波中经常存在多种模式,给波形分析造成困难,甚至会干扰对缺陷信息的判断,从而导致误判.常规的EMAT线圈空间波数谱中含有谐波,谐波是造成多模式现象的重要原因.该文提出试件涡流密度分布(洛伦兹力分布)相当于对线圈电流密度分布的空间低通滤波,通过对线圈空间域进行有效设计从而抑制空间域谐波,进而实现激发单波数正弦形式的涡流密度分布.结合正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术的特点,提出将时域中的SPWM技术应用于空间域以实现线圈参数设计.通过建立有限元仿真模型,仿真证明了正弦形式的涡流密度空间分布可以被激励.该文以激励S0模态Lamb波为例进行实验,实验结果表明,由波数谱中的3次谐波激励的A0模态被极大地抑制,抑制比为21dB.

摘要： 大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长.为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波(SH波)的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测.建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化.在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证.结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据.

摘要： 钢板是大型钢结构中的主要构件,被应用于各类设施中,其腐蚀性将带来巨大风险.提出一种大型钢结构中钢板腐蚀程度的电磁检测方法:选型具备频率可变功能的电磁超声换能器,对不同频率下的电磁波功率进行放大,适应不同类型钢板在磁场区域下的检测;明确电磁检测探头提离值设定与钢板厚度的关系,分析钢板构件腐蚀区域的标记方法.将电磁检测方法应用于某大型起重机钢结构,得到5个腐蚀区域范围;记录现场检测波形信号图,观察到5个异常振幅波动,检测和研究得知振幅波动与各腐蚀区域的腐蚀程度具有相关性.结果表明:设计的电磁检测方法能够准确标出存在腐蚀缺陷问题的大型钢结构钢板构件,可明确安全隐患为预防风险、维修提供指导和建议,具有较好的应用前景.

摘要： 对于铁磁性材料,当频率较低时,利用磁致伸缩力可实现超声波的激励;利用压磁效应可以实现超声波的接收.对于钢板导波检测,设计出导波模式单一的换能器是电磁超声检测成功的前提条件.利用钢板中SH型导波传播规律,本文提出了一种新的电磁超声换能器优化设计思路.实验证明按该思路设计的电磁超声换能器较好的实现了单一导波模式的激励、接收.

摘要： 电磁超声换能器作为一种石油管道检测技术正在迅速兴起,具有无需耦合剂、无需对是件表面进行处理等优点,因此被广泛应用在高温、高速等恶劣环境中.文中设计研制了一种洛伦兹力型的lamb波电磁超声换能器,对lamb波的频散特性进行分析,并对电磁超声换能器进行了二维有限元建模和仿真分析.对设计的电磁超声换能器进行激励测试,结果表明,设计的电磁超声换能器具有较好的模态选择性,能在铝板中激励出lamb波.建立电磁超声lamb波换能器二维有限元仿真，对永磁铁和永磁铁的磁通量在边缘处最大，距离边缘处越远磁场逐渐减弱，且在中心处磁场方向垂直向下，边缘处磁场方向接近水平，1mm铝板上下表面的磁通量在边缘处相差较大，远离边缘处相差不大。求解铝板上表面一点处的洛伦兹力密度大小，洛伦兹力密度大小基本成正弦。电磁超声二维有限元模型的建立为研究电磁超声lamb波换能器的优化设计方法奠定理论基础。

摘要： 电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)的信噪比较低,严重限制了电磁超声技术的进一步发展.为解决这一问题,提高EMAT的信噪比,本文研究了影响EMAT信噪比的关键因素-静态偏置磁场.本文以麦克斯韦方程组和波动方程为理论基础,建立了铁磁材料电磁超声换能器数值模拟方法并开发了相应的程序,在此基础上研究了静态偏置磁场强度对EMAT的影响.结果表明随着静态偏置磁场的增加,磁致伸缩体力逐渐减小,而洛伦兹力一直增加.研究结果还显示永磁体厚度的增大,使回波信号幅值逐渐减弱,但趋于稳定.

摘要： 针对电磁超声换能器(EMATs)换能效率低、无法控制探头与铁磁性被测构件间磁吸附力通断的问题,提出了一种增强偏置磁场且磁力可断的EMATs.首先,基于中空柱状永磁体空间磁通密度分布理论模型,推导了两实心柱状永磁体压缩磁场的空间磁通密度分布方程;在此基础上,仿真分析了主永磁体厚度、直径和主永磁体间距等参数对偏置磁场的影响关系,为选择主永磁体的最佳尺寸提供参考依据;最后,通过仿真试验,验证了所提出EMATs增强偏置磁场和控制磁力通断的能力.

摘要： 针对表面波电磁超声换能器(EMAT)的激励性能低这一问题,在Comsol Multiphysics软件中,建立了分裂型曲折线圈EMAT激励过程有限元模型,在此基础上比较了三种组合形式磁体在待测试样表面形成的静偏置磁场;研究分裂型曲折线圈的匝数、导线宽度/高度、提高等参数对铝板表面脉冲电涡流的影响规律;设计了0.9MHZ表面波EMAT探头,可检出铝板表面的0.5mm深U型槽缺陷.

摘要： 提出了一种通过检测铁磁性材料的磁致伸缩特性来反映残余应力的研究思路,设计了一种基于磁致伸缩原理的电磁超声应力检测系统.该系统使用FPGA产生激励信号,经功率放大后激励换能线圈,进而在铁磁性材料中激发超声波.针对电磁超声换能器信号十分微弱的特点,设计了微弱信号放大电路,提高了系统的抗干扰能力.利用此系统对多种铁磁性材料进行检测实验,绘制信号-场强曲线.实验测试结果表明,该曲线可以反映材料的磁致伸缩特性.

摘要： 在管道中周向超声导波中有周向Lamb波和SH波两种类型.本文主要研究电磁超声换能器参数对周向Lamb波的幅值和波形模态的影响.电磁超声导波换能器工作时,在线圈的两端同时激发出两组超声波,两组波的激励条件和传播路径均相同,因此管道两侧的传播情况对称.有限元仿真结果表明,两组波沿圆周传播在某一点相遇后的波形幅值减弱、模态数不变,这样会有利于管道缺陷的检测.通过研究EMAT各参数对类Lamb波特性的影响,以达到提高管道中周向Lamb波幅值的目的,为管道电磁超声换能器的优化奠定基础.

摘要： 电磁超声(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)是一种广泛应用于无损检测的技术,但是电磁超声换能器效率低、回波信号幅值小,而且信号被噪声高度污染,导致信噪比和分辨率都比较低.本文针对电磁超声回波信号噪声干扰大、信噪比较低的问题,提出了一种基于改进阈值小波包的集总经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)降噪方法,利用该方法对实验采集的电磁超声回波信号进行降噪处理,并与传统的小波降噪法进行了去噪效果的比较,结果表明:基于小波包的EEMD降噪方法可更有效地去除回波信号噪声,提高信噪比和分辨率.

摘要： 电磁超声换能器的换能效率低是限制电磁超声技术广泛应用的一个重要因素,提高换能器的换能效率一直以来都是电磁超声领域的研究重点.激励线圈是激励系统中十分重要的一部分,激励电流的大小决定试件表面产生电磁力的大小.根据电抗元件网络可精确实现调谐和变阻的特性,结合二进制的组合方式,本文设计了能够匹配多种频率线圈的电抗网络.该网络的接入可实现功率源和负载之间的最大功率传递,提高加载在线圈上的电流,为电磁超声激励提供足够的能量.仿真和实验结果表明:该匹配网络能在0.5MHz-5MHz宽频率范围内有效地提高电源的输出效率,提升电磁加载的信噪比及转换效率,为电磁超声的后续研究奠定基础.

摘要： 电磁超声兰姆波换能器由于其激发的兰姆波具有多模式、频散和信号较弱的特点,一定程度上限制了其发展、应用.针对这一问题,提出了电磁超声兰姆波换能器的优化设计方法:通过改变曲折线圈间距有效控制兰姆波模式;通过控制兰姆波群速度变化率削弱兰姆波频散现象;通过使用超微晶减小永磁铁表面的涡流,从而增强铝板中的信号强度,解决兰姆波信号较弱的问题.本文重点研究超微晶对电磁超声信号的影响,采用有限元软件进行仿真分析,并进行了实验,实验结果表明:该优化方法能够有效改善兰姆波信号较弱的问题.

摘要： 一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷方法，本发明属于电磁超声无损检测领域，具体涉及一种电磁超声表面波换能器及检测金属表面缺陷方法。本发明解决了现有电磁超声表面波换能器无法对厚度超过30mm的金属的表面进行缺陷检测的问题。本发明包括永磁体、一号线圈和二号线圈，永磁体的充磁方向为垂直充磁，它还包括检测电路和上位机，检测电路的一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接一号线圈的一端，一号线圈的另一端接地，检测电路的另一个正弦信号输出与表面波信号接收端连接二号线圈的一端，二号线圈的另一端接地，检测电路的检测信号输出端连接上位机的检测信号输入端。本发明适用于电磁超声无损检测领域。

摘要： 一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法，本发明涉及电磁超声无损检测领域，本发明解决了现有线聚焦电磁超声斜入射体波换能器无法实现超声波单向发射，以及金属内部缺陷的检测准确性低问题，本发明所述一号线圈与二号线圈水平叠加设置，且一号线圈与二号线圈均置于永磁体正下方，一号线圈的首端到聚焦线的距离与二号线圈的首端到聚焦线上同一点距离的差为通入该两个线圈的正弦信号波长的1/4，一号线圈与二号线圈长度相同，每个线圈中相邻导线部分到聚焦线上同一点的距离的差为发射电路所发射的正弦信号的波长的1/2；本发明适用于电磁超声无损检测。

摘要： 本发明提供了一种电磁超声换能器及包括该换能器的在线探伤系统，其中，电磁超声换能器具有探测底面，电磁超声换能器的侧壁上连接有限位件，限位件朝向探测底面延伸地设置，限位件的底面低于探测底面，限位件的底面与探测底面的距离d的范围为0mm＜d≤1mm，限位件的底面在电磁超声换能器的工作状态下与被探测物的表面接触。本发明设置在电磁超声换能器的限位件，限制了电磁超声换能器的探测底面与被探测物之间的距离，确保了电磁超声换能器的探测信噪比，提高了探伤精度，同时防止了电磁超声换能器的探测底面与被探测物表面的碰撞，防止了因碰撞而造成的对探测底面的损害。

摘要： 本发明公开一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其包括外壳，及设置在其内的主永磁体、辅永磁体、磁轭、主激励线圈、辅激励线圈、隔板。所述主永磁体与辅永磁体并排放置，主永磁体与辅永磁体的极性相反，且与磁轭形成连通的磁路。主激励线圈与辅激励线圈均为回折线圈，主激励线圈置于主永磁体正下方，辅激励线圈置于辅永磁体正下方。主激励线圈与辅激励线圈反向串联连接。本发明在不影响超声波激发效果的条件下，通过辅激励线圈产生反向交变电磁场，可以有效消除主激励线圈产生的电磁干扰。

摘要： 本发明涉及一种电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备。该换能器包括换能器外壳体，安装在换能器外壳体内的线圈以及永久磁铁，其特殊之处是：还包括用于控制换能器磁场系统“开通”或“关闭”的磁场切换装置、用于减少摩擦的导向轮并且导向轮通过高度可调的L型支架固定在换能器外壳体上。通过上述三个改进不仅实现了磁场系统的开闭，同时减小了电磁超声换能器和待测钢板之间的摩擦力，并且自动检测过程中保证了最佳的提离间隙使待测钢板顺利移动。

摘要： 本发明提供了一种电磁超声换能器及包括该换能器的在线探伤系统，其中，电磁超声换能器具有探测底面，电磁超声换能器的侧壁上连接有限位件，限位件朝向探测底面延伸地设置，限位件的底面低于探测底面，限位件的底面与探测底面的距离d的范围为0mm＜d≤1mm，限位件的底面在电磁超声换能器的工作状态下与被探测物的表面接触。本发明设置在电磁超声换能器的限位件，限制了电磁超声换能器的探测底面与被探测物之间的距离，确保了电磁超声换能器的探测信噪比，提高了探伤精度，同时防止了电磁超声换能器的探测底面与被探测物表面的碰撞，防止了因碰撞而造成的对探测底面的损害。

摘要： 本发明公开一种可消除电磁干扰的双线圈电磁超声换能器，其包括外壳，及设置在其内的主永磁体、辅永磁体、磁轭、主激励线圈、辅激励线圈、隔板。所述主永磁体与辅永磁体并排放置，主永磁体与辅永磁体的极性相反，且与磁轭形成连通的磁路。主激励线圈与辅激励线圈均为回折线圈，主激励线圈置于主永磁体正下方，辅激励线圈置于辅永磁体正下方。主激励线圈与辅激励线圈反向串联连接。本发明在不影响超声波激发效果的条件下，通过辅激励线圈产生反向交变电磁场，可以有效消除主激励线圈产生的电磁干扰。

摘要： 本发明属于电磁超声无损检测领域，公布了一种能够改善EMAT性能、减小EMAT探头体积和功耗的用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁。目的在于解决现有电磁超声换能器中由于磁铁的存在引发的诸多问题，减小探头体积。用于电磁超声换能器的脉冲电磁铁是由脉冲电磁铁和脉冲电磁铁驱动电路组成的，其中脉冲电磁铁由骨架和线圈组成，脉冲电磁铁驱动电路由功率脉冲成型电路、功率驱动电路、控制主机和升压电路组成。它能够在EMAT开始工作前的很短时间内建立起强磁场，满足EMAT工作的需求，在EMAT工作结束后，磁场能够很快消失。脉冲电磁铁工作时间短，功耗低、体积小，能够用于低功耗、便携性、铁磁性试件在线检测等场合中。

摘要： 本实用新型涉及一种电磁超声换能器及用电磁超声换能器自动检测钢板的设备。该换能器包括换能器外壳体，安装在换能器外壳体内的线圈以及永久磁铁，其特殊之处是：还包括用于控制换能器磁场系统“开通”或“关闭”的磁场切换装置、用于减少摩擦的导向轮并且导向轮通过高度可调的L型支架固定在换能器外壳体上。通过上述三个改进不仅实现了磁场系统的开闭，同时减小了电磁超声换能器和待测钢板之间的摩擦力，并且自动检测过程中保证了最佳的提离间隙使待测钢板顺利移动。

摘要： 本实用新型提供了一种电磁超声换能器及包括该换能器的在线探伤系统，其中，电磁超声换能器具有探测底面，电磁超声换能器的侧壁上连接有限位件，限位件朝向探测底面延伸地设置，限位件的底面低于探测底面，限位件的底面与探测底面的距离d的范围为0mm＜d≤1mm，限位件的底面在电磁超声换能器的工作状态下与被探测物的表面接触。本实用新型设置在电磁超声换能器的限位件，限制了电磁超声换能器的探测底面与被探测物之间的距离，确保了电磁超声换能器的探测信噪比，提高了探伤精度，同时防止了电磁超声换能器的探测底面与被探测物表面的碰撞，防止了因碰撞而造成的对探测底面的损害。