增材制造过程中电磁超声在线缺陷检测系统的研究
发布时间：2021-06-14 12:59
增材制造过程试件内部易出现裂纹、气孔等焊接缺陷,单一的涡流、超声等无损检测技术受趋肤效应、高温、耦合介质等因素的影响,无法实现内部缺陷的在线检测。电磁超声基于麦克斯韦定理,利用涡流在偏置磁场作用下在试件表面和内部促使粒子振动来激发超声波,对缺陷实现定位,使非接触式探测和高温高速下内部缺陷的检测成为可能。本文重点研究针对增材制造过程中非铁磁性材料钛合金和铝合金材质缺陷的电磁超声检测模型,并设计了电磁超声检测系统。基于需求分析,建立检测过程的理论模型,确定检测波形和检测方法;基于理论模型,设计电磁超声检测系统并进行系统参数设计;基于理论模型和系统,进行电磁超声换能器探头设计和仿真,并建立对应的声波仿真模型。基于仿真,确立硬件电路设计参数,如功率、电压等;对系统的硬件电路进行模块划分,计算对应材质的检测中心频率、系统增益,并对主控系统和高功率脉冲模块进行设计。基于对应材质频散系数,确定回波信号带宽、采样频率和传输速率,进行芯片选型、多级滤波模块和数据采集模块设计。详细设计了基于“MUC-CPLD”双控系统的工作模式和固件系统,利用有限状态机工作转换的方式满足参数配置、用户控制、信号转换、数据...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EMAT曲折线圈方向选择实验
整的 EMAT 控制系统方程，后续结合了解析法验证了声场建模的准确性[10,11]。几乎在同一热潮下，Thompson 开始研究不同材质在基于洛伦兹力和磁致伸缩力两种力作用下的换能效率以及两种力随着磁场变化过程而产生的效应，后续又研究了有关磁化力的影响。到了九十年代，R.Ludwig 等研究人员在前人的工作基础上，对换能器加入接收过程描述，首次建立起一个囊括发射、接收为一体的完成的 EMAT 模型[12]。Kaltenbacher 等研究人员在此基础上首次完成 EMAT 系统的整体的过程仿真，为后续系统设计提供理论依据。随着研究领域的逐渐拓宽，电磁超声技术也从理论研究和系统设计逐步细化到单一领域的研究。英国曼彻斯特大学电气与电子工程学院深入研究EMAT 曲折线圈方向选择的问题[13]，如下图 1-1 所示，在表面波传播路径和模态分析方面取得很大进展。英国布鲁内尔大学创新中心利用电磁超声技术对不锈钢试样中的不变特征提取进行裂纹表征[14]，如下图 1-2 所示，通过设计阵列式换能器，对缺陷裂纹进行提取得到耦合模型，建立了不锈钢裂纹缺陷与电磁超声波的耦合关系，为铁磁性材质缺陷研究提供依据。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 兹力和磁致伸缩力两种换能机理下电磁超声系统的开发，并建理论模型，为后续研究提供了理论基础。天津大学精密仪器实对微小缺陷模态化识别进行声场模型仿真分析，通过仿真分析型和对应的数据库，为缺陷与波形耦合关系建立提供仿真基础方面，国内外也出现了很多电磁超声检测的工业产品。其中最ITEC 研发的服务于电磁超声系统的高功率脉冲发生器 RPR-4、高能门控放大器 GA2500A 和宽带射频接收器 BR640A 以及阻 等，如下图 1-3 所示。RITEC 公司研发的 RPR-4000 是 EMAT 达 8kw，宽带接收增益可达 100dB，发射频段和接收频段均带宽和功率级上能够实现高功率脉冲的发射，并且提供了数据收根据检测需求，设计专用换能器探头和对应上位机操作系统。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非铁磁性金属材料螺旋线圈电磁超声换能器接收效率场路耦合分析[J]. 石文泽,吴运新,龚海,张涛,谭良辰,韩雷. 中南大学学报(自然科学版). 2017(12)
[2]面向复杂梯度材料模具等离子熔积制造的建模与轨迹规划[J]. 王湘平,张海鸥,王桂兰. 中国机械工程. 2017(16)
[3]基于CPLD的多路数字信号复接分接技术与实现[J]. 曾舒婷,嵇孝明,徐黄涛. 电子科技. 2017(08)
[4]一种基于FPGA的异步FIFO设计方法[J]. 黄凡. 微处理机. 2017(01)
[5]管道内检测电磁超声在线测厚装置[J]. 孙峥,李永虔,杨金旭,翟国富. 中国测试. 2017(02)
[6]电磁超声体波方法对内部孔洞缺陷检测研究[J]. 蔡智超,张闯. 传感技术学报. 2017(01)
[7]基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计[J]. 嵇保健,王若冰,洪峰,臧鹏. 高电压技术. 2016(12)
[8]后续焊缝热处理对气体保护钨极电弧焊AA6061-T6合金显微组织和力学性能的影响（英文）[J]. Firouz FADAEIFARD,Khamirul Amin MATORI,Farhad GARAVI,Muath Al-FALAHI,Gholamreza Vahedi SARRIGANI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(12)
[9]基于脉冲涡流/电磁超声复合检测方法的复杂缺陷检测[J]. 田明明,解社娟,肖盼,裴翠祥,李勇,陈振茂. 无损检测. 2016(12)
[10]基于电磁超声兰姆波的铝合金板材小缺陷检测技术研究[J]. 梁慧敏,邓超然,康磊,汪开灿,翟国富. 仪表技术与传感器. 2016(09)
博士论文
[1]面向钢板缺陷检测的电磁超声兰姆波换能器研究[D]. 何健鹏.北京科技大学 2018
[2]面向钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器研究[D]. 苏日亮.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于数值模拟的模具设计与等离子熔积过程研究[D]. 郑重.华中科技大学 2011
[4]超声阵列层析成像检测方法研究[D]. 王浩全.中北大学 2011
[5]用于铝板检测的电磁超声导波换能器优化设计技术研究[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2011
[6]复杂件等离子熔积成形过程有限元及无网格法模拟[D]. 吴圣川.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]多频率脉冲探地雷达系统研究[D]. 唐军谊.华中科技大学 2016
[2]电磁超声系统的设计与研究[D]. 杨胜.电子科技大学 2015
[3]涡流与电磁超声复合无损检测技术研究[D]. 唐华溢.浙江大学 2014
[4]用于列车轮对在线探伤的电磁超声发射系统研究[D]. 赵昌鹏.哈尔滨工业大学 2012
[5]电磁超声无损检测技术的研究与实验[D]. 高潮.天津大学 2010
本文编号：3229882
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EMAT曲折线圈方向选择实验
整的 EMAT 控制系统方程，后续结合了解析法验证了声场建模的准确性[10,11]。几乎在同一热潮下，Thompson 开始研究不同材质在基于洛伦兹力和磁致伸缩力两种力作用下的换能效率以及两种力随着磁场变化过程而产生的效应，后续又研究了有关磁化力的影响。到了九十年代，R.Ludwig 等研究人员在前人的工作基础上，对换能器加入接收过程描述，首次建立起一个囊括发射、接收为一体的完成的 EMAT 模型[12]。Kaltenbacher 等研究人员在此基础上首次完成 EMAT 系统的整体的过程仿真，为后续系统设计提供理论依据。随着研究领域的逐渐拓宽，电磁超声技术也从理论研究和系统设计逐步细化到单一领域的研究。英国曼彻斯特大学电气与电子工程学院深入研究EMAT 曲折线圈方向选择的问题[13]，如下图 1-1 所示，在表面波传播路径和模态分析方面取得很大进展。英国布鲁内尔大学创新中心利用电磁超声技术对不锈钢试样中的不变特征提取进行裂纹表征[14]，如下图 1-2 所示，通过设计阵列式换能器，对缺陷裂纹进行提取得到耦合模型，建立了不锈钢裂纹缺陷与电磁超声波的耦合关系，为铁磁性材质缺陷研究提供依据。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 兹力和磁致伸缩力两种换能机理下电磁超声系统的开发，并建理论模型，为后续研究提供了理论基础。天津大学精密仪器实对微小缺陷模态化识别进行声场模型仿真分析，通过仿真分析型和对应的数据库，为缺陷与波形耦合关系建立提供仿真基础方面，国内外也出现了很多电磁超声检测的工业产品。其中最ITEC 研发的服务于电磁超声系统的高功率脉冲发生器 RPR-4、高能门控放大器 GA2500A 和宽带射频接收器 BR640A 以及阻 等，如下图 1-3 所示。RITEC 公司研发的 RPR-4000 是 EMAT 达 8kw，宽带接收增益可达 100dB，发射频段和接收频段均带宽和功率级上能够实现高功率脉冲的发射，并且提供了数据收根据检测需求，设计专用换能器探头和对应上位机操作系统。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非铁磁性金属材料螺旋线圈电磁超声换能器接收效率场路耦合分析[J]. 石文泽,吴运新,龚海,张涛,谭良辰,韩雷. 中南大学学报(自然科学版). 2017(12)
[2]面向复杂梯度材料模具等离子熔积制造的建模与轨迹规划[J]. 王湘平,张海鸥,王桂兰. 中国机械工程. 2017(16)
[3]基于CPLD的多路数字信号复接分接技术与实现[J]. 曾舒婷,嵇孝明,徐黄涛. 电子科技. 2017(08)
[4]一种基于FPGA的异步FIFO设计方法[J]. 黄凡. 微处理机. 2017(01)
[5]管道内检测电磁超声在线测厚装置[J]. 孙峥,李永虔,杨金旭,翟国富. 中国测试. 2017(02)
[6]电磁超声体波方法对内部孔洞缺陷检测研究[J]. 蔡智超,张闯. 传感技术学报. 2017(01)
[7]基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计[J]. 嵇保健,王若冰,洪峰,臧鹏. 高电压技术. 2016(12)
[8]后续焊缝热处理对气体保护钨极电弧焊AA6061-T6合金显微组织和力学性能的影响（英文）[J]. Firouz FADAEIFARD,Khamirul Amin MATORI,Farhad GARAVI,Muath Al-FALAHI,Gholamreza Vahedi SARRIGANI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(12)
[9]基于脉冲涡流/电磁超声复合检测方法的复杂缺陷检测[J]. 田明明,解社娟,肖盼,裴翠祥,李勇,陈振茂. 无损检测. 2016(12)
[10]基于电磁超声兰姆波的铝合金板材小缺陷检测技术研究[J]. 梁慧敏,邓超然,康磊,汪开灿,翟国富. 仪表技术与传感器. 2016(09)
博士论文
[1]面向钢板缺陷检测的电磁超声兰姆波换能器研究[D]. 何健鹏.北京科技大学 2018
[2]面向钢轨轨底缺陷检测的电磁超声换能器研究[D]. 苏日亮.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于数值模拟的模具设计与等离子熔积过程研究[D]. 郑重.华中科技大学 2011
[4]超声阵列层析成像检测方法研究[D]. 王浩全.中北大学 2011
[5]用于铝板检测的电磁超声导波换能器优化设计技术研究[D]. 康磊.哈尔滨工业大学 2011
[6]复杂件等离子熔积成形过程有限元及无网格法模拟[D]. 吴圣川.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]多频率脉冲探地雷达系统研究[D]. 唐军谊.华中科技大学 2016
[2]电磁超声系统的设计与研究[D]. 杨胜.电子科技大学 2015
[3]涡流与电磁超声复合无损检测技术研究[D]. 唐华溢.浙江大学 2014
[4]用于列车轮对在线探伤的电磁超声发射系统研究[D]. 赵昌鹏.哈尔滨工业大学 2012
[5]电磁超声无损检测技术的研究与实验[D]. 高潮.天津大学 2010
本文编号：3229882
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