發(fā)布時間：2020-09-30 19:03

　　 金屬板材在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但難免存在缺陷,而超聲無損檢測技術(shù)可以有效地檢測其缺陷,保證其質(zhì)量。傳統(tǒng)的單陣元超聲換能器,聲束控制能力差,檢測效率低,而多陣元的相控陣超聲換能器,易于控制聲束的偏轉(zhuǎn)、聚焦,檢測效率高。但常用的壓電超聲相控陣技術(shù)依賴耦合劑,應(yīng)用范圍受限。電磁超聲相控陣技術(shù)結(jié)合了電磁超聲無需耦合劑和相控陣易于控制聲束的優(yōu)點,應(yīng)用前景更廣闊。但相控陣EMAT聲場理論復(fù)雜、聚焦聲場參數(shù)繁多、電磁超聲相控陣裝置設(shè)計難度大,導(dǎo)致電磁超聲相控陣技術(shù)發(fā)展緩慢。針對以上問題,本文研究了相控陣EMAT聚焦聲場,并設(shè)計了8通道聚焦型電磁超聲相控陣換能器及檢測系統(tǒng)。針對EMAT聲場解析法精確表述難度大而數(shù)值法研究效率低的問題,提出基于單陣元EMAT聲場近似解析解,計算相控陣EMAT的遠(yuǎn)場聚焦聲場的方法。該方法對單陣元EMAT的有限元仿真聲場結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合,得到其近似解析解。結(jié)合單陣元EMAT聲場的解析解和相控陣遠(yuǎn)場聚焦延時法則,推導(dǎo)相控陣EMAT遠(yuǎn)場聚焦聲場的聲束指向性函數(shù)。理論分析陣元數(shù)目、陣元間距、偏轉(zhuǎn)角度對聲束指向性函數(shù)的影響,提出遠(yuǎn)場聚焦相控陣EMAT的參數(shù)設(shè)計方法。針對相控陣EMAT近場聚焦聲場難以通過解析法近似的問題,提出基于相控陣EMAT近場聚焦有限元仿真模型的數(shù)值分析方法。該方法通過分析相控陣EMAT近場聚焦二維仿真模型,提取其聚焦聲場特性的兩個指標(biāo):軸向分辨力和徑向分辨力。仿真分析關(guān)鍵參數(shù)(陣元數(shù)目、陣元間距、陣列孔徑、陣元寬度、工作頻率、偏轉(zhuǎn)角度、聚焦位置)對相控陣EMAT近場聚焦的聲束指向性函數(shù)、軸向分辨力和徑向分辨力的影響,總結(jié)近場聚焦相控陣EMAT的參數(shù)設(shè)計方法。針對電磁超聲相控陣裝置設(shè)計難度大的問題,設(shè)計8通道電磁超聲相控陣檢測系統(tǒng)。設(shè)計高信號強(qiáng)度的相控陣EMAT,大功率相控陣發(fā)射電路,高增益、低噪聲的可控接收電路,解決了電磁超聲換能效率低、回波信號弱的問題。設(shè)計易于操作的上位機(jī)控制軟件,克服了相控陣參數(shù)繁多、控制復(fù)雜的難點。搭建電磁超聲相控陣實驗平臺,測試相控陣EMAT的聚焦聲場分布,驗證聚焦聲場理論和仿真分析的正確性。利用實驗平臺對鋁板底面2×2mm的槽缺陷和內(nèi)部直徑6mm的孔缺陷進(jìn)行扇掃成像,驗證其板材缺陷檢測性能。利用子陣列合成相控陣技術(shù),彌補(bǔ)檢測系統(tǒng)通道數(shù)較少的不足,提高了相控陣EMAT的聚焦能力。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB552
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文缺陷檢測的要求，但兩套系統(tǒng)的相控陣 EMAT 均、陣元間距較大，檢測盲區(qū)較大。器體積，美國 Innerspec 公司利用 PPM 永磁鐵陣列 波電磁超聲相控陣檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對不銹鋼焊接的扇掃成像[41,42]。法國原子能機(jī)構(gòu)同樣采用 PCB 聲縱波相控陣檢測系統(tǒng)，并利用聲束偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)了對檢測[43,44]。利用 PCB 線圈設(shè)計的相控陣 EMAT 雖近似，實現(xiàn)了減小換能器體積的目的，但由于工藝以疊繞。因此 PCB 線圈構(gòu)成的相控陣 EMAT 的信號器的信號強(qiáng)度，英國帝國理工大學(xué)的 J.Isla 采用骨電磁超聲相控陣 EMAT，每個通道采用多匝的跑道現(xiàn)了對40mm厚鋁板的底面尺寸為0.2mm*0.2mm

-40 -30 -20 -10 0 10 20 3040-0.50.1-0.1-0.3y軸位移(mm)By(T)圖4-5 單塊體積相同的不同形式磁鐵的By分布曲線綜合以上研究結(jié)果，反向并列永磁體幾何結(jié)構(gòu)可以提高靜磁場強(qiáng)度，但當(dāng)鐵的體積相同時，這種提升效果不明顯。因此在設(shè)計相控陣 EMAT 時，可度較小的永磁鐵反極性并列的方式來代替寬度較大的單塊永磁鐵，提升 By相控陣 EMAT 的聲場強(qiáng)度。.2 相控陣 EMAT 線圈設(shè)計2.1 線圈材料的選擇EMAT 線圈一般有 PCB 線圈和手繞線圈兩種，這兩種線圈的實物圖如圖 。

調(diào)節(jié)各通道之間回波信號差異，優(yōu)化缺陷檢測結(jié)果。可控增益放大電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 4-19 所示。-5V+5VGAIN CR1R2R3R4R5圖 4-19 可控增益放大電路結(jié)構(gòu)框圖4.6 上位機(jī)控制軟件設(shè)計為了便于對相控陣硬件系統(tǒng)的控制，本文設(shè)計了基于 Labwindows 的上位機(jī)控制軟件，其可以控制發(fā)射頻率、重復(fù)頻率、周波數(shù)、相位延時等發(fā)射參數(shù)和如通道增益的接收參數(shù)。此外各通道的相位延時可實現(xiàn)關(guān)聯(lián)控制，極大地提高了控制效率。上位機(jī)控制軟件界面如圖 4-20 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2831244