聚焦换能器电磁超声检测系统的设计与研究
发布时间：2020-05-07 01:47
【摘要】：随着我国工业化进程的加快与工业技术的快速发展,无损检测技术的重要性逐渐显现。无损检测(NDT)是一种检测试件缺陷和老化而不损坏被测试件的重要技术。当前我们正面临着结构缺陷引起的严重问题,故检测试件的疲劳、应力、热老化、腐蚀等导致的组织缺陷具有十分重要的意义。在传统的无损检测技术中,超声波测试(UT)是应用于关键结构(如管道和固化外壳)的最常见的无损检测技术,这确保了关键部件的安全性,避免了巨大的经济损失和严重的环境污染。常见的超声检测方法包括压电检测和电磁超声检测。压电检测技术存在着一些明显的缺点,如在检测过程中必须使用耦合剂,换能器与空气层、空气层与试件之间存在着较大的声阻抗,用于激发的能量无法完全传递。与压电检测技术相比,电磁超声换能器(EMAT)最大的优势就是不需要耦合剂且并且可以非接触检测。但同时,电磁超声检测技术存在具有固有的缺点,即能量转换效率低、回波信号幅度低、信噪比较低等,这些是在设计电磁超声检测试系统时不可忽视的地方。本文针对现有电磁超声检测系统匮乏、传统换能器回波信号幅值低、缺陷空间分辨率不高等问题,设计了一种能够使用聚焦换能器的电磁超声检测平台。本文首先论述了电磁超声换能机理和两种聚焦换能器工作原理,使用三维与二维软件构建出了聚焦型换能器的空间与平面结构,并将其导入到COMSOL多物理场仿真软件中,对聚焦型换能器的多项参数如永磁铁尺寸等进行仿真优化,构建出其聚焦声场模型,进一步提高了其理论可行性。在电磁超声检测试验平台的硬件系统设计中,首先根据FPGA内控件PLL的基本原理,设计出了频率、占空比、周波数等可调的稳定时钟信号;为防止后端高压电路冲击前端FPGA控制电路,设计了可阻隔前后端直接联系的光耦电路;为提高驱动N型MOS管的能力,采用了MOS管专用驱动芯片,极大的提高了驱动MOS管的能力;然后设计出了由四个MOS管组成的可以将直流信号变为交流信号的全桥逆变转换电路,输出高频、高压、大电流的脉冲激励信号。在信号调理电路中,首先设计能够放大回波信号的三级放大电路。然后选用了一个中心频率可调的带通滤波器,用于回波信号的滤波处理。使用Labview软件设计了可用于观察信号波形的显示界面,可用于实时观测缺陷波形。在带有人工制造缺陷的铝板上分别进行了压电超声、常规型EMAT、聚焦型EMAT的检测试验,检测结果表明聚焦型EMAT回波幅值高于常规型EMAT,具有明显的聚焦效果,实用效果突出。
【图文】：
到了明显的聚焦现象[4]，如图 1-1 所示。1998、1999 年，Ogi 等提出了一种可增强SV波指向性的线聚焦 EMAT，它通过在固定频率下不断改变曲折线圈间使激发的 SV 波聚焦成一条线，然后沿着对角线路径在固体中传播。其辐射指性测量结果表明聚焦EMAT的回波峰值比具有等间距线圈的EMAT更尖锐[172015 年，Takishita 等人提出了点聚焦剪切垂直（ PFSV）波电磁声换能（PFSV-EMAT），，成功的检测出至少 0.05mm 以下的焊缝缺陷，并通过测量缺底部表面的振幅分布、缺陷侧向的振幅分布以及缺陷周围的振幅分布来评价聚面积的大小[23]。2016 年，Thring 等提出了一种具有恒定线圈间距的点聚焦瑞波 EMAT，并讨论了线圈孔径角与聚焦行为之间的关系，但分析并不全面[19同年，Nakamura 等人设计了用于检测耐腐蚀性不锈钢管的点聚焦 EMAT，利点聚焦技术和 SV 波的干扰研究了 PFSV-EMAT 缺陷检测的最佳频率及其可检性[25]。2018 年，Jia 等从孔径角和焦深对点聚焦剪切垂直波电磁超声换能器性进行了研究，得到了较大的孔径角可以提升信号幅值的结论。后又研究了驱动率对 PF-EMAT 生成波形的影响，结果发现了 PF-EMAT 具有固有的干扰特性产生的超声波的类型可以通过简单地改变输入信号的频率来控制。
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论年李爽等用了 CPLD 和 EPM1270 芯片设计了一种激励频率为 500kHz，可输出电流峰值为 3A 左右的激励系统[32]。2012 年，姜海君提出一种使用 NiosⅡ软核处理器及各种外围模块构建嵌入式处理器系统的方法，同时使用了 SOPC 技术设计了软硬件系统，但该系统结构较为复杂，实用性不高[33]。2015 年，杨胜等使用恒压电容开发出了充放电电源，并设计了数控模块。同时对电路调试中遇到的问题给出了解决方案，实现了微弱回声信号提取的目标[34]。2016 年，范吉志等人研究了等人研究了基板厚度，铜箔厚度和提升距离对电磁超声波 EMAT 中双层叠加螺旋线圈转换效率的影响，结果表明了基板厚度越薄、铜箔厚度越厚、降低提离距离会显著提升回波信号的幅值[35]。2017 年，易振凯等人采用激励线圈放电电路、脉冲选择控制电路和 BOOST 升压电路设计了电磁超声检测系统的脉冲电路系统[36]。2018 年，刘素贞提出了一种基于 LabVIEW 的缺陷在线识别方法，实现了电磁超声缺陷识别的成像、数字化、智能化和系统化[37]。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH878.2
【图文】：
到了明显的聚焦现象[4]，如图 1-1 所示。1998、1999 年，Ogi 等提出了一种可增强SV波指向性的线聚焦 EMAT，它通过在固定频率下不断改变曲折线圈间使激发的 SV 波聚焦成一条线，然后沿着对角线路径在固体中传播。其辐射指性测量结果表明聚焦EMAT的回波峰值比具有等间距线圈的EMAT更尖锐[172015 年，Takishita 等人提出了点聚焦剪切垂直（ PFSV）波电磁声换能（PFSV-EMAT），，成功的检测出至少 0.05mm 以下的焊缝缺陷，并通过测量缺底部表面的振幅分布、缺陷侧向的振幅分布以及缺陷周围的振幅分布来评价聚面积的大小[23]。2016 年，Thring 等提出了一种具有恒定线圈间距的点聚焦瑞波 EMAT，并讨论了线圈孔径角与聚焦行为之间的关系，但分析并不全面[19同年，Nakamura 等人设计了用于检测耐腐蚀性不锈钢管的点聚焦 EMAT，利点聚焦技术和 SV 波的干扰研究了 PFSV-EMAT 缺陷检测的最佳频率及其可检性[25]。2018 年，Jia 等从孔径角和焦深对点聚焦剪切垂直波电磁超声换能器性进行了研究，得到了较大的孔径角可以提升信号幅值的结论。后又研究了驱动率对 PF-EMAT 生成波形的影响，结果发现了 PF-EMAT 具有固有的干扰特性产生的超声波的类型可以通过简单地改变输入信号的频率来控制。
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论年李爽等用了 CPLD 和 EPM1270 芯片设计了一种激励频率为 500kHz，可输出电流峰值为 3A 左右的激励系统[32]。2012 年，姜海君提出一种使用 NiosⅡ软核处理器及各种外围模块构建嵌入式处理器系统的方法，同时使用了 SOPC 技术设计了软硬件系统，但该系统结构较为复杂，实用性不高[33]。2015 年，杨胜等使用恒压电容开发出了充放电电源，并设计了数控模块。同时对电路调试中遇到的问题给出了解决方案，实现了微弱回声信号提取的目标[34]。2016 年，范吉志等人研究了等人研究了基板厚度，铜箔厚度和提升距离对电磁超声波 EMAT 中双层叠加螺旋线圈转换效率的影响，结果表明了基板厚度越薄、铜箔厚度越厚、降低提离距离会显著提升回波信号的幅值[35]。2017 年，易振凯等人采用激励线圈放电电路、脉冲选择控制电路和 BOOST 升压电路设计了电磁超声检测系统的脉冲电路系统[36]。2018 年，刘素贞提出了一种基于 LabVIEW 的缺陷在线识别方法，实现了电磁超声缺陷识别的成像、数字化、智能化和系统化[37]。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH878.2
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本文编号：2652224
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