电磁超声钢板测厚技术研究

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1、沈阳工业大学硕士学位论文电磁超声钢板测厚技术研究ResearchoftheSteelThicknessDetectionTechnologyBasedontheElectromagneticUltrasonic作者：陈俊哲单位：信息科学与工程学院指导教师：杨理践教授单位：沈阳工业大学协助指导教师：单位：单位：论文答辩日期：2015年2月28日学位授予单位：沈阳工业大学摘要电磁超声具有非接触、无需耦合、适于高温检测、易于激发各种超声波形等优点，近几十年来逐渐成为了人们研究的热点，并在工业生产中得到了广泛的应用。金属板广泛应用于航空航天

2、和汽车工业以及压力容器中，为了确保工厂和设备的安全，对金属板厚度进行精确的测量非常重要。电磁超声的上述优点能实现对金属板的高速自动测厚，能对有大范围腐蚀减薄的金属板进行检测。本文研究了电磁超声检测技术的基本理论，其中包括基于洛伦兹力的EMAT理论和基于磁致伸缩机理的EMAT理论。推导了在非铁磁性材料和铁磁性材料中电磁超声换能器各物理场中物理量之间的数学关系，分析了各物理场之间的耦合过程；研究了电磁超声横波和纵波产生机理、测厚原理以及横波和纵波测厚换能器结构；对EMAT的结构参数和换能器换能效率之间的关系进行了数学描述。采用有限元软件

3、COMSOL对电磁超声横波和纵波测厚换能器进行了实体建模及仿真分析。对于纵波测厚EMAT换能器，建立了马蹄形和圆环形两种模型，分析了其静态磁场和交变磁感应强度分布规律，得到钢板表面的涡流密度及其所受的洛伦兹力分布图，研究了电流频率、线圈的参数、永磁体结构参数对其换能效率的影响，确定了较优的换能器结构参数。结合实验平台，分别采用设计的电磁超声横波测厚EMAT和纵波测厚EMAT对钢板和铝板进行厚度检测实验。通过对不同厚度的钢板和铝板进行厚度检测，验证了理论和仿真的正确性。横波换能器对钢板厚度检测时，与铝板检测结果相比，回波数较少，表明在

4、钢板中声波衰减更快，需要选择合适的外磁场减小磁致伸缩力和洛伦兹力的相互干扰，以增强在钢板中的换能效率。对横波和纵波测厚的差异性进行了分析，横波测厚灵敏度更高，而纵波能实现更快速的厚度检测。设计的横波和纵波EMAT能很好地应用于金属板的厚度检测。关键词：电磁超声，厚度检测，横波，钢板，纵波，有限元分析，回波信号IAbstractEMAThastheadvantagesofnon-contact,nocoupling,suitableforhightemperaturetesting,anditeasilyinspiresvarieti

5、esofultrasonicwaveform.Inrecentdecades,EMAThasgraduallybecameahotresearchtopic,andhasbeenwidelyusedinindustrialproduction.Metalplatesarewidelyusedintheaerospaceandautomotiveindustriesaswellasthepressurevessel.Inordertoensurethesafetyoffactoryandequipment,theaccuratemea

6、surementsforthicknessofthemetalplateisveryimportant.TheseadvantagesofEMATcanmakeitachievehigh-speedautomaticmeasurementofmetalplatethickness,andhavetheabilitytodetectawiderangeofcorrosionandthinningofmetalplates.Inthispaper,theresearchincludesthebasictheoryofelectromag

7、neticultrasonictestingtechniqueswhichiscomposedofthetheoryoftheLorentzforceandtheEMATtheorybasedonthemagnetostrictivemechanism.ThemathematicalrelationshipbetweenEMATphysicalofeachphysicalfieldinnon-ferromagneticmaterialsandferromagneticmaterialsisderived.Thecouplingpro

8、cessbetweenthevariousphysicalfieldsisanalyzed.Studytheelectromagneticultrasonicshearandlongitudinalwavegenerationmech