用于板材缺陷检测的聚焦型电磁超声相控阵换能器设计

发布时间：2020-09-30 19:03

　　金属板材在工业领域应用广泛,但难免存在缺陷,而超声无损检测技术可以有效地检测其缺陷,保证其质量。传统的单阵元超声换能器,声束控制能力差,检测效率低,而多阵元的相控阵超声换能器,易于控制声束的偏转、聚焦,检测效率高。但常用的压电超声相控阵技术依赖耦合剂,应用范围受限。电磁超声相控阵技术结合了电磁超声无需耦合剂和相控阵易于控制声束的优点,应用前景更广阔。但相控阵EMAT声场理论复杂、聚焦声场参数繁多、电磁超声相控阵装置设计难度大,导致电磁超声相控阵技术发展缓慢。针对以上问题,本文研究了相控阵EMAT聚焦声场,并设计了8通道聚焦型电磁超声相控阵换能器及检测系统。针对EMAT声场解析法精确表述难度大而数值法研究效率低的问题,提出基于单阵元EMAT声场近似解析解,计算相控阵EMAT的远场聚焦声场的方法。该方法对单阵元EMAT的有限元仿真声场结果进行函数拟合,得到其近似解析解。结合单阵元EMAT声场的解析解和相控阵远场聚焦延时法则,推导相控阵EMAT远场聚焦声场的声束指向性函数。理论分析阵元数目、阵元间距、偏转角度对声束指向性函数的影响,提出远场聚焦相控阵EMAT的参数设计方法。针对相控阵EMAT近场聚焦声场难以通过解析法近似的问题,提出基于相控阵EMAT近场聚焦有限元仿真模型的数值分析方法。该方法通过分析相控阵EMAT近场聚焦二维仿真模型,提取其聚焦声场特性的两个指标:轴向分辨力和径向分辨力。仿真分析关键参数(阵元数目、阵元间距、阵列孔径、阵元宽度、工作频率、偏转角度、聚焦位置)对相控阵EMAT近场聚焦的声束指向性函数、轴向分辨力和径向分辨力的影响,总结近场聚焦相控阵EMAT的参数设计方法。针对电磁超声相控阵装置设计难度大的问题,设计8通道电磁超声相控阵检测系统。设计高信号强度的相控阵EMAT,大功率相控阵发射电路,高增益、低噪声的可控接收电路,解决了电磁超声换能效率低、回波信号弱的问题。设计易于操作的上位机控制软件,克服了相控阵参数繁多、控制复杂的难点。搭建电磁超声相控阵实验平台,测试相控阵EMAT的聚焦声场分布,验证聚焦声场理论和仿真分析的正确性。利用实验平台对铝板底面2×2mm的槽缺陷和内部直径6mm的孔缺陷进行扇扫成像,验证其板材缺陷检测性能。利用子阵列合成相控阵技术,弥补检测系统通道数较少的不足,提高了相控阵EMAT的聚焦能力。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB552
【部分图文】：

相控阵,帝国,理工大学,骨架线

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文缺陷检测的要求，但两套系统的相控阵 EMAT 均、阵元间距较大，检测盲区较大。器体积，美国 Innerspec 公司利用 PPM 永磁铁阵列波电磁超声相控阵检测系统，实现了对不锈钢焊接的扇扫成像[41,42]。法国原子能机构同样采用 PCB 声纵波相控阵检测系统，并利用声束偏转实现了对检测[43,44]。利用 PCB 线圈设计的相控阵 EMAT 虽近似，实现了减小换能器体积的目的，但由于工艺以叠绕。因此 PCB 线圈构成的相控阵 EMAT 的信号器的信号强度，英国帝国理工大学的 J.Isla 采用骨电磁超声相控阵 EMAT，每个通道采用多匝的跑道现了对40mm厚铝板的底面尺寸为0.2mm*0.2mm

分布曲线,线圈,实物,相控阵

-40 -30 -20 -10 0 10 20 3040-0.50.1-0.1-0.3y轴位移(mm)By(T)图4-5 单块体积相同的不同形式磁铁的By分布曲线综合以上研究结果，反向并列永磁体几何结构可以提高静磁场强度，但当铁的体积相同时，这种提升效果不明显。因此在设计相控阵 EMAT 时，可度较小的永磁铁反极性并列的方式来代替宽度较大的单块永磁铁，提升 By相控阵 EMAT 的声场强度。.2 相控阵 EMAT 线圈设计2.1 线圈材料的选择EMAT 线圈一般有 PCB 线圈和手绕线圈两种，这两种线圈的实物图如图。

结构框图,上位机控制,软件界面

调节各通道之间回波信号差异，优化缺陷检测结果。可控增益放大电路结构框图如图 4-19 所示。-5V+5VGAIN CR1R2R3R4R5图 4-19 可控增益放大电路结构框图4.6 上位机控制软件设计为了便于对相控阵硬件系统的控制，本文设计了基于 Labwindows 的上位机控制软件，其可以控制发射频率、重复频率、周波数、相位延时等发射参数和如通道增益的接收参数。此外各通道的相位延时可实现关联控制，极大地提高了控制效率。上位机控制软件界面如图 4-20 所示。

【参考文献】