用于板材缺陷检测的电磁超声相控阵换能器设计

发布时间：2020-03-25 10:02

【摘要】：金属板材是重要的工业原材料,需要采用无损检测方法保证质量。传统压电超声技术由于耦合剂限制难以应用于高温、自动化等场合。电磁超声技术无需耦合剂,但单一换能器存在换能效率低、声束控制能力差的问题。将电磁超声技术与相控阵技术结合的电磁超声相控阵技术既能够弥补压电超声技术不足,又具备较强的声束控制能力。然而目前电磁超声相控阵换能器理论研究不足,无法指导电磁超声相控阵换能器设计,而电磁超声相控阵实验平台匮乏又进一步限制了电磁超声相控阵技术发展。针对以上不足,本文将研究用于板材缺陷检测的电磁超声相控阵换能器设计技术。针对目前电磁超声相控阵换能器理论研究不足、声场特点不明确的问题,提出电磁超声相控阵换能器有限元建模方法。该方法在分析相控阵技术原理和单阵元电磁超声换能器声场分布的基础上,确定电磁超声相控阵换能器结构,进而建立其时域与频域的二维有限元模型,仿真得到其声场分布特点。针对电磁超声相控阵换能器阵列参数设计缺乏理论指导的现状,采用有限元方法仿真分析不同阵列参数下电磁超声相控阵声场变化规律。在确定相控阵声场评价方法基础上,仿真分析阵元间距、阵元宽度、阵元数量对于电磁超声相控阵激发声场的影响,据此提出电磁超声相控阵换能器设计方法,该方法能够为电磁超声相控阵技术的实用化奠定良好的基础。针对目前电磁超声相控阵实验平台匮乏的问题,设计电磁超声相控阵实验平台。结合电磁超声相控阵技术特点,确定电磁超声相控阵实验平台总体方案与关键参数;设计八通道电磁超声相控发射电路,实现多通道高精度相控延时发射;完成八通道电磁超声可控接收电路制作,对电磁超声信号进行可控低噪声放大;编写上位机软件控制整个实验平台。搭建电磁超声相控阵声场测量平台,验证仿真模型与阵列参数声场影响规律的正确性;搭建电磁超声相控阵扇形扫描平台,对板材底部宽、深均为2mm的槽缺陷进行扇形扫描成像。实验结果表明,本文所设计的电磁超声相控阵换能器能够有效进行板材缺陷检测。
【图文】：

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人设计了 32 通道电磁超声 SH 波相控阵，其实物图如 1-1 所示。该系统单通道发射功率可达 3kW，最大发射频率 5MHz。该系统对焊缝中缺陷有着较高的敏感度，其最高工作温度可达 150℃，该系统能够在焊接完成后高温状态下立即进行检测[28]。上述两套系统虽然能够实现缺陷检测，，但均采用了分立式电磁超声换能器，体积庞大。电磁超声换能器由于磁铁的限制体积较大，分立式换能器结构使相控阵阵元间距较大，因而相控阵阵元产生声波需要通过较长距离才能形成干涉，增大了相控阵检测的盲区。

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图 1-2 Innerspec 公司设计的 8 通道电磁超声相控阵虽然印刷电路板线圈能够很好的控制工艺参数，但其无法叠绕限制了电磁声相控阵换能器的收发功率。为此，英国帝国理工大学的 J. Isla 采用骨架线圈绕了八通道 SV 波电磁超声相控阵换能器，采用闭合线圈充当单个阵元，其结构如1-3 所示。J Isla 利用脉冲压缩技术收发电磁超声，成功实现了板材槽缺陷的扇形
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB552

【参考文献】