電磁聲無損檢測(cè)技術(shù)PPT課件

1、內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱概述概述1研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2理論模型與求解理論模型與求解3儀器系統(tǒng)及傳感器儀器系統(tǒng)及傳感器4典型工業(yè)應(yīng)用與前景典型工業(yè)應(yīng)用與前景5目前開展的研究目前開展的研究6第1頁(yè)/共32頁(yè)概述概述1.電磁聲檢測(cè)電磁聲檢測(cè) 電磁超聲傳感器電磁超聲傳感器（EMAT, Electromagnetic Acoustic Transducer）是一種通過將電磁能轉(zhuǎn)）是一種通過將電磁能轉(zhuǎn)化為化為超聲波超聲波的換能器。的換能器。 它是一種與它是一種與壓電傳感器壓電傳感器并列的并列的超聲波超聲波激勵(lì)激勵(lì)接收換能器。接收換能器。p 電磁聲？電磁超聲？電磁導(dǎo)波？電磁聲？電磁超聲？電磁導(dǎo)波？第2頁(yè)/共32頁(yè)

2、概述概述1.電磁聲檢測(cè)電磁聲檢測(cè)第3頁(yè)/共32頁(yè)概述概述2.基本原理基本原理MotorGenerator激勵(lì)激勵(lì)過程過程接收接收過程過程磁鐵磁鐵線圈線圈渦流渦流電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)固置磁場(chǎng)固置磁場(chǎng)洛侖茲力洛侖茲力磁致伸縮力（鐵磁性）磁致伸縮力（鐵磁性）磁化力（鐵磁性）磁化力（鐵磁性）加載瞬態(tài)交變信號(hào)加載瞬態(tài)交變信號(hào)第4頁(yè)/共32頁(yè)概述概述3.可產(chǎn)生的超聲波模可產(chǎn)生的超聲波模式式Angle beam shear waveAngle beam shear waveSurface WaveSurface WaveGuided Wave in pipe or rodsGuided Wave in pipe o

3、r rodsLamb Wave ( especially suitable Lamb Wave ( especially suitable for symmetric mode )for symmetric mode )SH guided WaveSH guided Wave第5頁(yè)/共32頁(yè)概述概述4.主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)壓電壓電傳感器需斜入射傳感器需斜入射經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后形成經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后形成SV波；波；EMAT無需波型轉(zhuǎn)換，無需波型轉(zhuǎn)換，可在結(jié)構(gòu)中直接產(chǎn)生可在結(jié)構(gòu)中直接產(chǎn)生橫波（橫波（SV/SH）。壓電壓電傳感器需斜入射傳感器需斜入射產(chǎn)生產(chǎn)生Lamb波，難產(chǎn)生波，難產(chǎn)生對(duì)稱模態(tài)，難產(chǎn)生單對(duì)稱模態(tài)，難

4、產(chǎn)生單一模態(tài)；一模態(tài)；EMAT特別容易產(chǎn)生特別容易產(chǎn)生單單一對(duì)稱模態(tài)一對(duì)稱模態(tài)Lamb波波?？僧a(chǎn)生獨(dú)特的可產(chǎn)生獨(dú)特的波模式波模式第6頁(yè)/共32頁(yè)概述概述4.主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)EMAT檢測(cè)檢測(cè)無需耦合劑無需耦合劑指標(biāo)壓電傳感器EMAT重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定性一般好陣列檢測(cè)時(shí)傳感器一致性難易保證很好保證非接觸式測(cè)量無法（空氣耦合探頭除外）可以檢測(cè)時(shí)打磨材料表面需要無需高溫檢測(cè)難（常規(guī)探頭小于60C，高溫探頭一般小于300C）可大于300C第7頁(yè)/共32頁(yè)概述概述5.存在問題存在問題目前存在的目前存在的主要問題主要問題l 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率相比壓電相比壓電較低較低 需要寬帶、大功率、線性的激勵(lì)電路需要寬帶、大功率

5、、線性的激勵(lì)電路 需要大增益、高信噪比的采集電路需要大增益、高信噪比的采集電路 需要對(duì)傳感器的激勵(lì)、接收性能做大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)需要對(duì)傳感器的激勵(lì)、接收性能做大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)l 理論理論尚不完備尚不完備 是一個(gè)多場(chǎng)耦合的問題是一個(gè)多場(chǎng)耦合的問題 對(duì)詳細(xì)作用機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不完全對(duì)詳細(xì)作用機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不完全第8頁(yè)/共32頁(yè)概述概述6.可執(zhí)行的檢測(cè)可執(zhí)行的檢測(cè) 對(duì)于對(duì)于導(dǎo)體導(dǎo)體材料，幾乎所有材料，幾乎所有采用壓電傳感器執(zhí)行的超聲采用壓電傳感器執(zhí)行的超聲檢測(cè)，均可采用檢測(cè)，均可采用EMAT傳感傳感器作為執(zhí)行傳感器。如：器作為執(zhí)行傳感器。如： 測(cè)厚測(cè)厚 由于由于EMAT自身的特點(diǎn)自身的特點(diǎn)具有具有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)的應(yīng)

6、用場(chǎng)合，如：，如： 隔隔防銹漆層防銹漆層進(jìn)行測(cè)量進(jìn)行測(cè)量 A型脈沖探傷型脈沖探傷 斜入射探射斜入射探射 TOFD檢測(cè)檢測(cè) 相控陣檢測(cè)相控陣檢測(cè) 板波檢測(cè)板波檢測(cè) 管道導(dǎo)波檢測(cè)管道導(dǎo)波檢測(cè) 管、板管、板自動(dòng)化自動(dòng)化在線檢測(cè)在線檢測(cè) 高溫檢測(cè)高溫檢測(cè) 宜于產(chǎn)生約宜于產(chǎn)生約1080的的SV斜入射聲束，特別適斜入射聲束，特別適用于用于奧氏體焊縫奧氏體焊縫等粗晶等粗晶材料檢測(cè)材料檢測(cè) 采用采用單一單一S0或或SH0模態(tài)模態(tài)的板或管檢測(cè)的板或管檢測(cè)第9頁(yè)/共32頁(yè)內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱概述概述1研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2理論模型與求解理論模型與求解3儀器系統(tǒng)及傳感器儀器系統(tǒng)及傳感器4典型工業(yè)應(yīng)用與前景典型工業(yè)應(yīng)用與

7、前景5目前開展的研究目前開展的研究6第10頁(yè)/共32頁(yè)研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)1.研究研究關(guān)于關(guān)于EMAT應(yīng)用于無應(yīng)用于無損檢測(cè)的最早文獻(xiàn)損檢測(cè)的最早文獻(xiàn)R. H. Randall, F. C. Rose and C. Zener, Physical Review, 56, p. 343, (1939).關(guān)于關(guān)于EMAT應(yīng)用于超聲應(yīng)用于超聲無損檢測(cè)的最早的專利無損檢測(cè)的最早的專利J. R. Houck, et al, Ultrasonic Transducer, Patent 3,460,063, Aug. 9, 1969. J. R. Houck et al, NDT of Conductive

8、 Objects Patent 3,583,213, June 8, 1971.Cornell University北京鋼鐵研究院探傷組.電磁聲探傷實(shí)驗(yàn). 物理學(xué)報(bào) (1977).第11頁(yè)/共32頁(yè)研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)1.研究研究關(guān)于關(guān)于EMAT的早期應(yīng)用的早期應(yīng)用管管道道豬豬火火車車鋼鋼軌軌檢檢測(cè)測(cè)無無縫縫鋼鋼管管檢檢測(cè)測(cè)鋼鋼板板生生產(chǎn)產(chǎn)線線第12頁(yè)/共32頁(yè)研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)1.研究研究EMAT研究SCI論文時(shí)間分布（1976-2012）主要研究?jī)?nèi)主要研究?jī)?nèi)容容多場(chǎng)耦合模型及多場(chǎng)耦合模型及電磁聲作用機(jī)理電磁聲作用機(jī)理1系統(tǒng)方程的有限系統(tǒng)方程的有限元及解析求解元及解析求解2儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)儀

9、器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)與開發(fā)3傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器的設(shè)計(jì)與開發(fā)開發(fā)4測(cè)量系統(tǒng)的電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的電學(xué)模型模型5激勵(lì)接收性能的激勵(lì)接收性能的優(yōu)化優(yōu)化6檢測(cè)影響因素分析檢測(cè)影響因素分析7應(yīng)用研究應(yīng)用研究8第13頁(yè)/共32頁(yè)研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2.挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)提高提高EMAT的的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 激勵(lì)、接收性能優(yōu)化激勵(lì)、接收性能優(yōu)化 大功率激勵(lì)電路的實(shí)現(xiàn)大功率激勵(lì)電路的實(shí)現(xiàn) 大增益高信噪比的前置放大器大增益高信噪比的前置放大器理論模型理論模型的完備的完備 更多材料作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)更多材料作用機(jī)理的認(rèn)識(shí) 多場(chǎng)耦合模型的完整求解多場(chǎng)耦合模型的完整求解工業(yè)應(yīng)用與推廣工業(yè)應(yīng)用與推廣 檢測(cè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化化 檢測(cè)的檢測(cè)的適用

10、性適用性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)GB 20935.1-2007-T 金屬材料電磁超聲檢驗(yàn)方法 第1部分：電磁超聲換能器指南GBT 20935.2-2009 金屬材料電磁超聲檢驗(yàn)方法 第2部分：利用電磁超聲換能器技術(shù)進(jìn)行超聲檢測(cè)的方法GB 20935.3-2009-T 金屬材料電磁超聲檢驗(yàn)方法 第3部分：利用電磁超聲換能器技術(shù)進(jìn)行超聲表面檢測(cè)的方法第14頁(yè)/共32頁(yè)內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱概述概述1研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2理論模型與求解理論模型與求解3儀器系統(tǒng)及傳感器儀器系統(tǒng)及傳感器4典型工業(yè)應(yīng)用與前景典型工業(yè)應(yīng)用與前景5目前開展的研究目前開展的研究6第15頁(yè)/共32頁(yè)理論模型與求解理論模型與求解1.理論模理論模型型多場(chǎng)

11、耦合模型多場(chǎng)耦合模型磁鐵磁鐵固置磁場(chǎng)固置磁場(chǎng)線圈線圈聲場(chǎng)聲場(chǎng)邊界條件邊界條件體力體力1 、由線圈及固置磁場(chǎng)求解材料內(nèi)由線圈及固置磁場(chǎng)求解材料內(nèi)部的電磁場(chǎng)部的電磁場(chǎng)Maxwell方程方程tDHJt BE（安培定律）（安培定律）（法拉弟定律）（法拉弟定律）歐姆定律歐姆定律JE本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系0BHMn 激勵(lì)過程激勵(lì)過程2 、由電磁場(chǎng)求解材料內(nèi)部的體力由電磁場(chǎng)求解材料內(nèi)部的體力洛侖茲力洛侖茲力磁力磁力磁致伸縮力磁致伸縮力0LefJB*()Mf M H鐵磁性鐵磁性材料材料Sf第16頁(yè)/共32頁(yè)理論模型與求解理論模型與求解1.理論模理論模型型3 、由體力求解產(chǎn)生的聲場(chǎng)、由體力求解產(chǎn)生的聲場(chǎng)22ijiij

12、uftxn 接收過程接收過程1 、由固體中的彈性波在固定磁場(chǎng)中產(chǎn)生產(chǎn)生電磁場(chǎng)由固體中的彈性波在固定磁場(chǎng)中產(chǎn)生產(chǎn)生電磁場(chǎng)0()tuJEB對(duì)于鐵磁性材料，考慮逆磁致伸縮效應(yīng)。對(duì)于鐵磁性材料，考慮逆磁致伸縮效應(yīng)。2 、振動(dòng)表面邊界條件振動(dòng)表面邊界條件 求解出空氣中的電磁場(chǎng)求解出空氣中的電磁場(chǎng)3、求解線圈處的電磁場(chǎng)求解線圈處的電磁場(chǎng)3000000()()() ()VVVVutnEEBBnHHnHH第17頁(yè)/共32頁(yè)理論模型與求解理論模型與求解2.求解求解有限元方法有限元方法縱波縱波橫波橫波表面波表面波第18頁(yè)/共32頁(yè)理論模型與求解理論模型與求解3.電學(xué)模電學(xué)模型型簡(jiǎn)易等效電路模型簡(jiǎn)易等效電路模型-

13、Jian, X., S. Dixon, et al. (2006). Coupling mechanism of an EMAT. Ultrasonics 44: E653-E656.- Jian, X., S. Dixon, et al. (2006). Coupling mechanism of electromagnetic acoustical transducers for ultrasonic generation. Journal of the Acoustical Society of America 119(5): 2693-2701.- Jian, X., S. Dixon

14、, et al. (2006). A model for pulsed Rayleigh wave and optimal EMAT design. Sensors and Actuators A: Physical 128(2): 296-304.第19頁(yè)/共32頁(yè)內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱概述概述1研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2理論模型與求解理論模型與求解3儀器系統(tǒng)及傳感器儀器系統(tǒng)及傳感器4典型工業(yè)應(yīng)用與前景典型工業(yè)應(yīng)用與前景5目前開展的研究目前開展的研究6第20頁(yè)/共32頁(yè)儀器系統(tǒng)與傳感器儀器系統(tǒng)與傳感器1.儀器儀器系統(tǒng)系統(tǒng)上位機(jī)控制分析軟件任意函數(shù)產(chǎn)生模塊功率放大模塊多通道自動(dòng)切換模塊多通前置放大器多通

15、道數(shù)據(jù)采集模塊EMAT陣列雙工器雙工器第21頁(yè)/共32頁(yè)儀器系統(tǒng)與傳感器儀器系統(tǒng)與傳感器2.傳感傳感器器超聲波超聲波傳感器傳感器環(huán)形線圈環(huán)形線圈蝶形線圈蝶形線圈蛇形線圈蛇形線圈 弧形線圈弧形線圈 立體線圈立體線圈第22頁(yè)/共32頁(yè)儀器系統(tǒng)與傳感器儀器系統(tǒng)與傳感器2.傳感傳感器器S0模態(tài)傳感器模態(tài)傳感器50100150200250300-100-95-90-85-80-75-70-65頻率(kHz)dB離面位移測(cè)量的A0模態(tài)頻率響應(yīng)曲線面內(nèi)位移測(cè)量的S0模態(tài)頻率響應(yīng)曲線00.050.10.150.2-5051015202530354045Time (ms)Voltage (V)00.050.10

16、.150.2-2024681012141618Time (ms)Voltage (V)-鄭陽(yáng)等. 超聲蘭姆波斜入射裂紋時(shí)的散射特性. 機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2013, 49(4):6-12.-鄭陽(yáng)等.采用超聲導(dǎo)波陣列技術(shù)研究板類結(jié)構(gòu)大面積檢測(cè). 聲學(xué)學(xué)報(bào). 2013, 38(1):72-79.- 何存富，鄭陽(yáng)等.基于激光測(cè)振儀的Lamb波離面和面內(nèi)位移檢測(cè)研究機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(8)：6-11第23頁(yè)/共32頁(yè)儀器系統(tǒng)與傳感器儀器系統(tǒng)與傳感器2.傳感傳感器器SH0模態(tài)模態(tài)EMATS. H. Cho, et al., Guided wave transduction experiment u

17、sing a circular magnetostrictive patch and a figure-of-eight coil in nonferromagnetic plates, Applied Physics Letters, vol. 88, May 2006.J. S. Lee, et al., Radiation pattern of Lamb waves generated by a circular magnetostrictive patch transducer, Applied Physics Letters, vol. 90, Jan 2007.J. S. Lee,

18、 et al., Beam-focused shear-horizontal wave generation in a plate by a circular magnetostrictive patch transducer employing a planar solenoid array, Smart Materials & Structures, vol. 18, Jan 2009.第24頁(yè)/共32頁(yè)儀器系統(tǒng)與傳感器儀器系統(tǒng)與傳感器2.傳感傳感器器變頻變頻SH0模態(tài)模態(tài)EMAT一種多主頻組合的SH0模態(tài)電磁聲傳感器（國(guó)家發(fā)明）第25頁(yè)/共32頁(yè)內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱概述概述1研究與挑戰(zhàn)研究與挑戰(zhàn)2理論模型與求解理論模型