用于鋁板檢測(cè)的電磁超聲導(dǎo)波換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、鋁合金板材是國(guó)防、工業(yè)中重要的基礎(chǔ)性材料，板材質(zhì)量直接決定了其下游產(chǎn)業(yè)眾多產(chǎn)品的質(zhì)量。作為控制板材質(zhì)量的必要手段，傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)技術(shù)因嚴(yán)重依賴于耦合劑，而在檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、環(huán)境適應(yīng)性等方面受到限制。電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)具有檢測(cè)時(shí)無(wú)需耦合劑、檢測(cè)效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高鋁合金板材檢測(cè)水平具有重要意義。然而，作為電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)的核心器件，電磁超聲換能器(EMAT)不僅輸出信號(hào)相對(duì)較弱，而且存在多模式、頻散特性不利影響，制約

2、了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣。為了改善 EMAT性能，本文對(duì)用于鋁合金板材缺陷檢測(cè)的兩種電磁超聲導(dǎo)波換能器(電磁超聲表面波換能器和電磁超聲蘭姆波換能器)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)開展了深入研究。
　　針對(duì)工程中常用的曲折線圈結(jié)構(gòu)的電磁超聲表面波換能器，提出一種電磁超聲表面波換能器三維建模方法。該方法在考慮交變磁場(chǎng)影響基礎(chǔ)上，將有限元方法與基于“點(diǎn)力”的解析方法相結(jié)合，建立了一個(gè)涵蓋 EMAT電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力場(chǎng)和聲場(chǎng)的三維模型，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前 EMAT模

3、型精度和完整性較低的不足，為研究 EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型具有較高精度，模型理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果最大偏差約為4.3％。
　　針對(duì)電磁超聲表面波換能器主要存在的信號(hào)強(qiáng)度較弱問(wèn)題，在 EMAT模型三維仿真分析基礎(chǔ)上，提出了基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的表面波 EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得了換能器參數(shù)與表面波信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，確定了信號(hào)最強(qiáng)時(shí)的EMAT最優(yōu)參數(shù)組合，并提出了電磁超聲表面波換能器的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)

4、化后的電磁超聲信號(hào)幅值提高為原始信號(hào)的2.62倍。
　　針對(duì)電磁超聲蘭姆波換能器主要存在的多模式、頻散特性不利影響，通過(guò)建立電磁超聲蘭姆波激發(fā)方程，提出了降低電磁超聲蘭姆波多模式特性影響的“雙交點(diǎn)法”和削弱蘭姆波頻散現(xiàn)象的“零斜率準(zhǔn)則”，獲得了蘭姆波 EMAT的最優(yōu)工作頻率和線圈導(dǎo)線間距；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)蘭姆波信號(hào)強(qiáng)度較弱問(wèn)題，提出了基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電磁超聲蘭姆波換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得了換能器其余可控設(shè)計(jì)參數(shù)與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，

5、確定了換能器的最優(yōu)參數(shù)組合，并提出了電磁超聲蘭姆波換能器的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后電磁超聲蘭姆波信號(hào)的多模式和頻散現(xiàn)象不僅得到顯著抑制，而且蘭姆波信號(hào)幅值也增強(qiáng)為原始信號(hào)的2.16倍。
　　最后，針對(duì)鋁合金板材缺陷檢測(cè)的實(shí)際工程背景，設(shè)計(jì)并開發(fā)了電磁超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。該裝置主要包括高頻大功率發(fā)射電路，高增益低噪聲接收電路，基于USB的8通道12位高速數(shù)據(jù)采集電路以及基于LabWindows CVI的PC機(jī)軟件等部分。實(shí)驗(yàn)