电磁超声检测钢板厚度实验的参数优化_江念
电磁超声换能器的仿真分析与优化
ｔ ｒ ｅ ｍｅｈ ｓｂ ｒ ｏ ｅ ｏ ｉ ｒ ｖ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒｅ ｃｅ ｃ ｈ ｅ ｔ ｏｄ ｅｐ ｏｐ ｓ ｄｔ ｍｐ ｏ ｅｔａ ｓ ｕ ｅ ｆ ｉｎ ｙ ｉ
．
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ： ＥＭ Ａ Ｔ； Ｅｄ ｙ ｕ ｒ ｎ ｓ Ｌｏ ｅ ｔ ｆ ｒ ｅ Ｅｌ ｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔｃ Ｕｌｒ ｓ ｎｉ Ｗ ａ ｅ ｄ ｃ ｒｅ ｔ； ｒｎｚ ｏｃ ； ｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｔａ ｏ ｃ ｖ；
ｏ ｔｍｉｅ ｔ ｅ ｉ ｏ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ ｔｃ ｎ ｂ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｃｒ ｐ ｉ ｚ ｈｅ ｄ ｓｇｎ ｆ ｔａ ｓ ｕ ｅ ．Ｉ ａ ｅ ｓ ｅ ｈ ｔｅ ｅ ｔｏｍａ ｎ ｔｃ ｌ ａ ｏ ｉ ｖ ｅ ａ ｇ ｅ ｉ ｕｔ ｓ ｎ ｃ ｗａ ｅ ｄ ｃ ｙｓ ｒ ｒ ｐ ｄ ｙ ｉ ｅ ｙ ｓ ｏｒ ｔｍｅ ｂ ｅ ｎ ｈ ｈ ｎｇ ｓｏ ａ ｔｃｅ ｄｉｐｌｃ ｍｅ ｔ Ｔｈ ｏ ｇ ｉ ｌｔｏｎ ａ ｉ ｌ ｎ ａ ｖ ｒ ｈ ｔ ｉ ｙ ｖｉｗｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ａ ｅ ｆｐ ｒｉ ｌ ｓ ａ ｅ ｎ ｒ ｕ ｈ ｓｍｕ ａ ｉ
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摘 要 ：针对 电磁超声换能器换 能效 率低 的问题，研 究 了垂直磁场下 电磁超 声换 能器产 生超 声 波的机 理 利用有 限元分析软件对铝板 内感生 出的涡流 、受到 的洛伦兹力 以及振 动产 生电磁超 声波进行仿真分析 。通过改变线圈的问距 、提 离距 以及频厚积等参数来分析 它们对 电磁超 声换 能器效率的影响， 以此 为依据优化 电磁超 声换 能器 的设计。通过对质 点位移 的变化 可看 出电磁 超声波在很短的时间内迅速衰 减；通 过单个质点三个方 向位移 的仿真得到 了垂直磁场 下产 生的 电磁超 声波质 点位 移的最大方 向。通过对 Ｅ Ａ Ｍ Ｔ参数的优 化提 出 了三种提高换 能器 效率的方法 。
基于Ansys-Maxwell的矿用电磁铁优化和仿真
ｓｔａｒｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ３.４７ Ｎ ｔｏ １３.９ Ｎꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆａｒ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ
高电磁铁的启动电磁力ꎮ
２ 电磁铁启动电磁力有限元仿真优化
由于用户要求电磁铁的外形尺寸不变ꎬ因此在仿真优
推动先导阀芯ꎬ当先导阀入口压力下降代表先导阀导通ꎬ
化时需要保留线圈尺寸、衔铁尺寸、阀芯行程和激励安匝
此时测力计上的值即为先导阀打开时作用力大小ꎮ 从图
数不变ꎮ 通过对矿用电磁铁结构分析发现ꎬ其特殊之处在
磁力的不断增加ꎬ当电磁力大于复位弹簧力时ꎬ阀芯吸合
( 电磁铁阀芯与推杆之间为螺纹配合连接) ꎬ推杆推动杠
杆ꎬ使对侧的先导阀芯运动ꎬ先导阀芯克服弹簧力和液压
力ꎬ先导阀打开ꎻ当电磁铁断电时ꎬ先导阀芯在液压力和先
导阀复位弹簧力的作用下复位ꎬ电磁铁阀芯也在复位弹簧
力作用下复位ꎮ
图 ３ 电磁铁启动电磁力测试试验
圈安匝数为 ３８０ Ａꎬ求解设置中最大收敛步数为 １０ꎬ收敛
百分比误差为 １％ꎬ每步细化百分比为 ３０％ꎬ非线性残差
为 ０.０００ １ꎮ
(a) K-(J8 mm
在原电磁铁结构中隔磁环长度 ｈ２ ＝ ３.０ ｍｍꎬ隔磁环下
端面距导向筒下端面距离 ｈ１ ＝ ７.５ ｍｍꎬ由于线圈尺寸和衔
电磁超声测厚原理及其应用一种新型超声测厚法
到 %ICOG
关 键 词 A电 磁 超 声 J测 厚 仪 J单 片 机
中 图 分 类 号 APQR$#?#JPS$KT?C!
文 献 标 识 码 AU
文 章 编 号 A#%%RBDK!V&$%%$’%#B%%RRB%T
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可 见 " 万在方一数般据铁 磁 材 料 中 "同 时 存 在 磁 致 伸 缩 与 逆 磁 致 伸 缩 现 象 ! 此 外 "由 于 电 磁 感 应 的 存 在 "材 料
图 G 测厚模型 ’()*G +,-./,012(345.66)78).
某 一 时 刻 在 线 圈 中 加 一 高 压 窄 脉 冲"脉 冲 波 形 如图 H所示"其电压幅度 IJ 为 BCCF%CCCK"脉宽 LM为 C*%N6左右!强大的脉冲电压在线圈中产生一 定 的 脉 冲 电 流 "并 在 周 围 产 生 很 强 的 电 磁 场 !辐 射 到 钢板 表面的 电磁 场"会 在 钢 板 表 面 产 生 垂 直 于 由 永 磁体产生的恒磁场 A的涡旋电流 OP磁场 A&涡旋电 流 O&钢板三者之间的关系如图 Q所示P
电 磁 声 能 用 于 铁 磁 材 料 的 测 厚"必 须 能 方 便 地 在 材 料 中 激 发 电 磁 声 "又 方 便 地 接 收 ! 为 此 "采 用 了 如下 方法@永磁 体 在 钢 板 表 面 建 立 一 垂 直 于 钢 板 表 面的磁场 A"在实验中"A值可达 BCCCDE以上!在 永磁体与钢板之间布置线圈"线 圈匝数 为 BCF %CC" 线圈平面垂直于磁场"如图 G所示!
电磁超声钢板测厚装置中脉冲电磁铁的设计
电磁超声钢板测厚装置中脉冲电磁铁的设计作者：邱佳明丁汉绅王淑娟来源：《中国测试》2018年第05期摘要：针对传统电磁超声换能器（dectromagnetic acoustic transduccr，EMAT）在钢板表面移动困难、探头易磨损等问题，提出利用脉冲电磁铁替代永磁铁为换能器提供偏置磁场的方法。
该方法通过控制激励电流来控制脉冲电磁铁仅在超声体波发射接收瞬间激发脉冲磁场，提高换能器在试件表面多点测量时的移动性。
通过对脉冲电磁铁励磁线圈、铁芯以及驱动电路的设计，使得脉冲磁场满足EMAT对于偏置磁场强度及维持时间的需求。
为测试该脉冲电磁铁的性能，搭建电磁超声钢板测厚实验平台。
结果表明：激励电流仿真值与实测值相似度达90%，脉冲电磁铁可产生峰值约0.8T、维持时间120μs的脉冲磁场，以该方法设计的换能器可对50Inn厚钢板进行测厚同时具有良好的移动性。
关键词：电磁超声换能器；脉冲电磁铁；测厚；移动性文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2018）05-0077-060引言电磁超声钢板测厚技术属于非接触式检测，具有结构简单、无需耦合剂的优点。
其核心组件电磁超声换能器通常由发射（接收）线圈、永磁铁和待测试件3部分组成，工作中依靠换能器在钢板中激发体波，通过测量体波信号的往返时间计算试件厚度。
实际应用中EMAT需在试件表面不断移动进行多点测量，但永磁铁磁场时时存在，使得换能器部分在钢板表面移动困难、易磨损。
而脉冲电磁式电磁超声换能器（pulsed electromagnetic acoustic transducer，PE-EMAT）通过控制脉冲电磁铁的激励电流可以控制所激发磁场的强弱和有无，仅在工作周期内对试件有吸附力，大大提高了换能器在试件表面多点测量时的移动性。
脉冲电磁式电磁超声换能器的核心是脉冲电磁铁，目前在电磁超声钢板测厚领域，对脉冲电磁铁的相关研究较少，仅在个别团队中进行。
如英国华威大学的F.Hernandez-Valle和S.Dixon设计了一个可对表面温度300℃的钢板进行测厚的大体积脉冲电磁铁；俄罗斯乌拉尔联邦大学的A.V.Mikhailova，Yu.L.Gobov等设计了一款能耗较高但可产生1.8T脉冲磁场的U 型脉冲电磁铁：张恒等以硅钢片为铁芯设计了一种用于钢轨探伤的E型脉冲电磁铁；西安交通大学裴翠祥、肖盼等设计了一种以脉冲电流源为激励的薄片式脉冲电磁铁，可贴在表面弯曲的试件上进行检测。
基于电磁超声表面波干涉增强的钢板表面检测
基于电磁超声表面波干涉增强的钢板表面检测王丽;武新军;汪玉刚【摘要】电磁超声检测在具有非接触优势的同时,存在换能效率低、信号噪声大的不足.利用电磁超声无需耦合剂对声波传播无干扰的特点,研究了基于声波干涉增强的钢板表面缺陷超声检测方法.在制作了一种用于扫查检测的电磁超声表面波传感器的基础上,搭建了相应的试验平台,对钢板表面人工刻槽进行了检测.试验结果表明:当传感器与刻槽满足一定的位置关系时,超声信号将增强10％～20％.利用此现象进行缺陷评判,可避免分析相对较弱的缺陷回波,为电磁超声检测技术的应用提供了一种新方法.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2014(036)004【总页数】4页(P5-7,13)【关键词】电磁超声;表面波;干涉增强;钢板;刻槽【作者】王丽;武新军;汪玉刚【作者单位】华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TG115.28;TB553近年来，电磁超声检测技术因具有非接触性、不需要耦合剂等优点受到广泛研究，其在高温、高速、在线无损检测领域中具有广阔应用前景［1－2]。
当电磁超声传感器（EMAT）用于钢板表面探伤时，一般采用一发一收的传感器模式，声波通过一个传感器激励得到并沿钢板表面传播一定距离后被另一个传感器接收。
常用脉冲回波反射法进行缺陷检测信号的分析，理论上当钢板表面存在缺陷时，接收到的检测信号含有通过信号波包与缺陷反射信号波包，通过分析反射波的时间、幅值等信息判断缺陷的位置和大小。
国外学者利用激光超声方法，研究发现在接收传感器距离缺陷很近时，通过信号会有明显增强的现象［3－5]。
对此 Edwards等人采用 EMAT－EMAT检测模式进行了进一步的研究［6]，通过分析声波的面内振动，证明该现象是由于检测距离很近时缺陷反射信号与通过信号在时域上进行波形叠加，从而造成通过信号出现简单的干涉增强。
电磁超声螺栓轴向应力测量的有限元分析与试验
螺栓作为重要的连接件，广泛应用于航空航天、船舶、风力发电、桥梁、数码产品等领域。
在实际工况中，螺栓上施加的应力直接影响设备的运行、结构安全和可靠性，因此对螺栓进行监测具有重要的工程意义。
螺栓轴向应力的常用无损检测方法主要有扭矩扳手法、磁敏电阻传感器法、光纤应变法和电阻应变片法等，但是这些方法尚未在工程中得到应用，而超声波法测量螺栓轴向应力可以应用于实际工程中。
传统的压电超声探头存在对材料的表面状态要求高、无法在高温下进行监测、需要和工件进行耦合等缺点，限制了超声波法的应用。
电磁超声作为一种新兴的超声检测方法，可以避免传统超声法测量螺栓轴力（轴向应力）的缺点，在一些领域中已经得到了广泛的应用。
现有研究中，电磁超声模拟多集中于探头优化方面，主要应用在测厚、无损检测等领域，而电磁超声测量螺栓轴向应力的研究较少。
因此，西南交通大学材料科学与工程学院的研究人员利用软件模拟电磁超声换能器激发纵波和纵波在螺栓中的传播过程，分析了螺栓在轴向载荷状态下的应力分布，以及夹紧长度对超声传播声时差的影响，并通过模拟确认了螺栓的夹紧长度与应力系数的关系，将有限元分析结果和真实试验结果进行对比，验证了有限元分析结果的可靠性。
1声弹效应的理论基础采用电磁超声激励纵波对螺栓轴向应力进行测量，该方法结合了胡克定律和声弹效应。
根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值为材料的弹性模量E，可得到：Lσ=L1(1+σ/E)(1)L0=L1+L2 (2)式中：L1，Lσ为螺栓有效受力区间未受应力的长度和受力后的长度；σ为所受应力；L2为螺栓不受力区间的长度；L0为螺栓未受力时的总长。
根据声弹性效应，固体中的声速与应力有关。
假定螺栓紧固应力为单轴均匀拉伸应力，则超声波在螺栓内沿轴向传播的速度与应力有线性关系，可得到：vσ=v0(1+A·σ) (3)v0=2L0/t0 (4)式中：v0为超声波在无应力状态下的传播速度；vσ为超声波在应力状态下的传播速度；t0为无应力状态下的纵波渡越时间；A为声弹性系数。
测厚实验报告
一、实验模块材料科学实验二、实验标题测厚实验三、实验日期及实验操作者实验日期：2023年3月15日实验操作者：张三四、实验目的1. 了解测厚实验的基本原理和方法。
2. 掌握使用超声波测厚仪进行材料厚度测量的操作步骤。
3. 通过实验，提高对材料厚度测量的实际操作能力。
五、实验原理超声波测厚实验是利用超声波在材料中传播的速度和衰减特性来测量材料厚度的方法。
根据超声波在材料中传播的时间，可以计算出材料的厚度。
实验中，通过测量超声波在材料中传播的时间，结合超声波在材料中的传播速度，即可得到材料的厚度。
六、实验步骤1. 准备实验材料：超声波测厚仪、样品、测量尺等。
2. 样品准备：将待测样品放置在测量平台上，确保样品表面平整、无划痕。
3. 调整测厚仪：打开测厚仪，根据样品材料选择合适的探头，调整探头与样品表面的距离，确保探头与样品表面紧密贴合。
4. 测量厚度：按下测厚仪的测量按钮，读取显示的厚度值。
5. 重复测量：对同一位置进行多次测量，取平均值作为最终测量结果。
6. 记录实验数据：将测量结果、样品材料、测量时间等数据记录在实验报告中。
七、实验环境实验地点：材料科学实验室实验设备：超声波测厚仪、样品、测量尺等实验温度：室温实验湿度：正常八、实验过程1. 实验前，检查实验设备是否正常，确保超声波测厚仪、样品、测量尺等设备齐全。
2. 将待测样品放置在测量平台上，确保样品表面平整、无划痕。
3. 打开测厚仪，选择合适的探头，调整探头与样品表面的距离，确保探头与样品表面紧密贴合。
4. 按下测厚仪的测量按钮，读取显示的厚度值。
5. 对同一位置进行多次测量，取平均值作为最终测量结果。
6. 记录实验数据，包括样品材料、测量时间、测量结果等。
九、实验结论通过本次实验，掌握了超声波测厚仪的使用方法，了解了超声波测厚实验的基本原理。
实验结果表明，使用超声波测厚仪可以快速、准确地测量材料厚度，具有较高的实用价值。
十、后记或附录1. 参考书籍：《材料科学实验教程》《超声波测厚技术与应用》2. 实验数据：样品材料：不锈钢测量时间：2023年3月15日测量结果：5.2mm平均值：5.15mm实验过程中，注意以下事项：1. 实验过程中，确保超声波测厚仪、样品、测量尺等设备齐全。
NBT47013.3-2015标准(2016超声Ⅲ级班)
9、合并了碳素钢和低合金钢钢板、铝及铝合金板材、钛及钛合金板材、 镍及镍合金板材、奥氏体不锈钢及双相不锈钢钢板等超声检测方法和质 量分级。重新设计了对比试块。检测灵敏度主要以对比试块平底孔距离 波幅曲线来确定。修改了质量等级要求，各个级别的合格指标均有所严 格，JB/T 4730.3—2005的板材检测质量等级要求偏低，已难以控制板 材质量要求，且和ISO、欧盟EN等标准相关质量要求的具体指标有较大 差距，故参考欧盟EN等标准对质量分级进行了修订；
3、增加了超声检测仪和探头的具体性能指标要求； 4、增加了超声检测仪和探头的校准、核查、运行核查和检查的要求； 5、增加了“安全要求”，对人员在超声检测中的安全提出了要求； 6、增加了工艺文件的要求，并列出了制订工艺规程的相关因素；
7、重新对本部分所用试块类型进行了划分，主要按国内相关通用的规 定进行划分，而不是在本部分自行划定标准试块和对比试块的类型；
NB/T47013.3-2015 承压设备无损检测
超声检测
NB/T47013.3标准的发展
1、JB4730-94 第三篇 超声检测
包括钢板、锻件、复合钢板、无缝钢管、高压螺栓件、 奥氏体钢锻件、钢焊缝、不锈钢堆焊层、铝焊缝、超声 测厚等；
2、 JB/T4730.3-2005
去除了超声测厚，增加了小径管对接焊缝、奥氏体不 锈钢焊缝、T型焊接接头、在用设备、测高、动态波型等， 基本覆盖了承压设备部件的超声检测；
13、细化了不同类型焊接接头超声检测要求。涉及内 容包括平板对接接头、T型焊接接头、插入式接管角接 接头、L型焊接接头、安放式接管与筒体（或封头）角 接接头、十字焊接接头、嵌入式接管与筒体（或封头） 对接接头等；
电磁超声钢板测厚装置中脉冲电磁铁的设计
电磁超声钢板测厚装置中脉冲电磁铁的设计邱佳明;丁汉绅;王淑娟【摘要】针对传统电磁超声换能器(electromagnetic acoustictransducer,EMAT)在钢板表面移动困难、探头易磨损等问题,提出利用脉冲电磁铁替代永磁铁为换能器提供偏置磁场的方法.该方法通过控制激励电流来控制脉冲电磁铁仅在超声体波发射接收瞬间激发脉冲磁场,提高换能器在试件表面多点测量时的移动性.通过对脉冲电磁铁励磁线圈、铁芯以及驱动电路的设计,使得脉冲磁场满足EMAT对于偏置磁场强度及维持时间的需求.为测试该脉冲电磁铁的性能,搭建电磁超声钢板测厚实验平台.结果表明:激励电流仿真值与实测值相似度达90%,脉冲电磁铁可产生峰值约0.8 T、维持时间120 μs的脉冲磁场,以该方法设计的换能器可对50 mm厚钢板进行测厚同时具有良好的移动性.%Aiming at the problems of traditional EMAT (electromagnetic acoustic transducer) on steel plate surface such as difficulty in moving and damages of probe, a pulsed electromagnet is developed to provide bias magnetic field for the EMAT instead of a permanent magnet. By controlling the excitation current, the method controls the pulsed electromagnet to motivate pulsed magnetic field only at the moment when ultrasonic wave is transmitted and received, which improves the mobility of the transducer on the surface of specimen during multi-point measurement. Through the design of the excitation coil, iron core and driver circuit of the pulsed electromagnet, the pulsed magnetic field meets the requirements of EMAT on the strength and duration time of the bias magnetic field. To test the performance of the pulsed electromagnet, an electromagnetic ultrasonic steel thicknessgauging platform is set up. The results show that the simulation values and the measured values of the current have a similarity of 90%, and the pulsed electromagnet can generate a pulsed magnetic field with about 0.8 T amplitude and 120 μs duration time. The transducer can gauge steel plate with 50 mm thickness and also has a good mobility.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2018(044)005【总页数】6页(P77-82)【关键词】电磁超声换能器;脉冲电磁铁;测厚;移动性【作者】邱佳明;丁汉绅;王淑娟【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文0 引言电磁超声钢板测厚技术属于非接触式检测，具有结构简单、无需耦合剂的优点[1]。
电磁超声换能器设计与优化
电磁超声换能器设计与优化申建中张仲宁张淑仪（近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）【摘要】简要介绍了产生表面波的电磁声换能器(EMAT)的工作原理，设计、制作了收发分开的两种EMAT，并建立了实验测试系统，测量了信号和提离距离的关系曲线，研究了激励脉冲个数、接收线圈的匝数对换能器信号的影响等等,提出某些优化措施。
【关键词】电磁声换能器 EMAT 回折线圈【Abstract】The w orking principle of electromagnetic acoustic transducer s(EMATs) i s introduced briefly. Two exciting and receiving EMATs have been designed and fabricated, and an experimental system has been established. The received signal-distance relationship and t he influence of the emitted pulse numbers and the circles of the receive coil on the signals of the transducers are also given in this paper.【Key words】Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT), meandered line coil1 引言超声波探伤是工业领域里应用最广泛的无损检测方法之一。
常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测。
60年代末发现并逐渐发展起来的电磁耦合产生超声波的方法，是一种非接触式的超声波探伤方法。