金屬板材在工業(yè)領域應用廣泛,但難免存在缺陷,而超聲無損檢測技術可以有效地檢測其缺陷,保證其質量。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、聚焦,檢測效率高。但常用的壓電超聲相控陣技術依賴耦合劑,應用范圍受限。電磁超聲相控陣技術結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,應用前景更廣闊。但相控陣EMAT聲場理論復雜、聚焦聲場參數(shù)繁多、電磁超聲相控陣裝置設計難度大,導致電磁超聲相控陣技術發(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果進行函數(shù)擬合,得到其近似解析解。結合單陣元EMAT聲場的解析解和相控陣遠場聚焦延時法則,推導相控陣EMAT遠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、偏轉角度對聲束指向性函數(shù)的影響,提出遠場聚焦相控陣EMAT的參數(shù)設計方法。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:軸向分辨力和徑向分辨力。仿真分析關鍵參數(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,總結近場聚焦相控陣EMAT的參數(shù)設計方法。針對電磁超聲相控陣裝置設計難度大的問題,設計8通道電磁超聲相控陣檢測系統(tǒng)。設計高信號強度的相控陣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。設計易于操作的上位機控制軟件,克服了相控陣參數(shù)繁多、控制復雜的難點。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的槽缺陷和內部直徑6mm的孔缺陷進行扇掃成像,驗證其板材缺陷檢測性能。利用子陣列合成相控陣技術,彌補檢測系統(tǒng)通道數(shù)較少的不足,提高了相控陣EMAT的聚焦能力。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB552
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學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]。法國原子能機構同樣采用 PCB 聲縱波相控陣檢測系統(tǒng)，并利用聲束偏轉實現(xiàn)了對檢測[43,44]。利用 PCB 線圈設計的相控陣 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 線圈構成的相控陣 EMAT 的信號器的信號強度，英國帝國理工大學的 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果，反向并列永磁體幾何結構可以提高靜磁場強度，但當鐵的體積相同時，這種提升效果不明顯。因此在設計相控陣 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 的聲場強度。.2 相控陣 EMAT 線圈設計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 。

調節(jié)各通道之間回波信號差異，優(yōu)化缺陷檢測結果�？煽卦鲆娣糯箅娐方Y構框圖如圖 4-19 所示。-5V+5VGAIN CR1R2R3R4R5圖 4-19 可控增益放大電路結構框圖4.6 上位機控制軟件設計為了便于對相控陣硬件系統(tǒng)的控制，本文設計了基于 Labwindows 的上位機控制軟件，其可以控制發(fā)射頻率、重復頻率、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)關聯(lián)控制，極大地提高了控制效率。上位機控制軟件界面如圖 4-20 所示。

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本文編號：2831244