基于Halbach原理的电磁超声换能器研究

• 作 者: 侯军
• 出 处: 西南石油大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: Halbach原理 电磁超声 厚度测量 无损检测 信噪比

电磁超声检测技术是近几十年刚刚兴起的一项无损检测技术,该技术以其非接触、不需要耦合剂、适用于高速在线检测等优点而被广泛应用于工业领域。电磁超声产生波模比较灵活,可以通过不同的磁铁与线圈的组合产生超声横波与纵波,适用于不同的检测现场。电磁超声在检测的过程中,由于不需要对被检试件做前处理,可以有效的避免被检材料因为检测而受到损伤。但是电磁超声的缺点是其接收信号的信噪比低,这也增加了实际应用中的难度。本文分别以铝板和天然气管道为研究对象,用电磁超声技术对其测厚机理进行研究,用仿真设计优化了换能器的结构,并对其进行了实验验证和信号去噪,主要工作如下:首先,本文以数学建模的形式分别推导了基于洛伦兹力的模型和基于磁致伸缩力的模型,并给出了电磁超声方程的边界条件,从理论上验证了电磁超声换能机理的正确性。介绍了电磁超声换能器的结构,根据超声波波形的特点,选择了 N52永久磁铁和螺旋线圈结构,运用超声横波对金属板进行厚度测量。用有限元软件对三种偏置磁场进行了仿真对比,在相同的物理条件下得出,基于Halbach原理的永久磁铁具有良好的“单边”效应,它能将磁感线集中磁铁的一面而削弱另一面的磁场强度,这有利于电磁超声换能器超声波的激发,由此确定了换能器的结构。然后,用有限元仿真方法对选定的永久磁铁结构进行了优化设计,仿真结果显示:增加了衔铁板的结构更加易于磁感应强度的增强,最佳衔铁厚度为2mm。选定衔铁厚度后,分别对永久磁铁的长宽高参数进行优化设计,得出最优的参数为:长和宽均为12mm,高为30mm。通过理论的计算,优化后的永久磁铁结构可以使换能器的信噪比提高2.16倍。再者,通过对比不同的信号后处理方法,选择了小波阈值降噪法对原始信号进行降噪。选择阈值为Heursure阈值,采用软阈值法对原始信号进行处理,最后由信噪比公式计算得出信噪比提高了 19.6944dB。最后,在以上工作的基础上,搭建了电磁超声的实验系统,对9mm的天然气管道和10mm的铝板进行了厚度测量。用数理统计的方法验证了实验的准确性,实验结果显示,电磁超声的测厚误差控制在3%以内。