摘要
电磁超声传感器(EMAT)检测技术——新兴的无损检测和结构健康监测方法，摆脱了常规检测效率低、成本高的限制，具有长距离检测、不需要耦合剂、对人体无害等优点，在远程、大规模检测方面具有独特的优势。本文在电磁超声换能器换能机理和Lamb波传播特性的理论基础上，结合钢板焊缝的检测需要，利用COMSOL软件模拟钢板焊缝中特征导波的传播，研究钢板焊缝中特征导波的传播特性和缺陷识别效果，研究设计电磁超声Lamb波传感器，并搭建钢板对接焊缝电磁超声Lamb波检测试验系统，详细内容如下。 首先，介绍了电磁超声换能器的传导机理，对Lamb波的传播特性和焊缝特征导波的形成原因进行理论分析，利用Matlab对Lamb波特征频率方程进行编程求解，最终得出3mm厚度钢板的Lamb波频散曲线。由此可以得到不同频厚积所对应的模态波，以及群速度和相速度值。 利用COMSOL软件，建立钢板对接焊缝的三维有限元模型。分别对多场耦合条件下电磁场、机械力场和超声波场进行数值模拟分析。在焊缝端部施加载荷，激励出焊缝特征导波，在此基础上模拟了焊缝和母材中的声波传播过程和声场分布，证明了加载方式的正确性和焊缝特征导波模态的存在，并仿真分析焊缝中有缺陷与无缺陷情况。进一步对焊缝特征导波和缺陷的相互作用进行了仿真分析，研究焊缝中矩形通孔缺陷深度、宽度、位置，以及激励频率和线圈提离距离对焊缝特征导波缺陷识别的影响，结果表明：焊缝特征导波检测能有效地识别矩形通孔缺陷，并且当检测距离为400mm，缺陷平均定位误差小于2%。 设计焊缝电磁超声Lamb波检测试验系统，对激励和接收部分进行设计，设计激励系统中的FPGA控制电路，再输出脉冲时钟信号，该信号通过光耦、驱动芯片以及全桥逆变电路之后，经由输出脉冲时钟信号经光耦与驱动芯片、全桥逆变电路，获得可激励EMAT的高频高压脉冲信号；绘制出接收系统中的三级放大电路和滤波电路及A/D转换电路，最后对Labview上位机程序进行介绍。 在已完成的试验平台上进行相关试验设计，采用多种激励频率的探头进行试验，最终选择激励频率为200kHz的探头。首先对所激励波形进行鉴别；然后研究了钢板焊缝中特征导波的衰减特性；最后利用焊缝特征导波对焊缝中不同距离人工矩形通孔缺陷进行检测。试验结果验证了焊缝的“能陷效应”；特征导波在传播200mm内衰减比较大，后续衰减平缓，且缺陷回波能量能够直观反映缺陷距离，仿真结果与试验结果相吻合。
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