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电磁声无损检测技术 Electromagnetic Acoustic Non-destructive Testing,报告人 郑阳 时 间 2013年9月13日,内容提纲,内容提纲,概述1.电磁声检测,电磁超声传感器（EMAT, Electromagnetic Acoustic Transducer）是一种通过将电磁能转化为超声波的换能器。 它是一种与压电传感器并列的超声波激励接收换能器。,电磁声？电磁超声？电磁导波？,概述1.电磁声检测,概述2.基本原理,Motor,Generator,激励过程,接收过程,线圈,电磁场,洛仑兹力,加载瞬态交变信号,概述3.可产生的超声波模式,Angle beam shear wave,Guided Wave in pipe or rods,概述4.主要优点,可产生独特的波模式,概述4.主要优点,EMAT检测无需耦合剂,概述5.存在问题,目前存在的主要问题,转换效率相比压电较低,需要宽带、大功率、线性的激励电路,需要大增益、高信噪比的采集电路,需要对传感器的激励、接收性能做大量优化设计,理论尚不完备,是一个多场耦合的问题,对详细作用机制认识尚不完全,概述6.可执行的检测,对于导体材料，几乎所有采用压电传感器执行的超声检测，均可采用EMAT传感器作为执行传感器。如：,测厚,由于EMAT自身的特点具有优势的应用场合，如：,隔防锈漆层进行测量,A型脉冲探伤,斜入射探射,TOFD检测,相控阵检测,板波检测,管道导波检测,管、板自动化在线检测,高温检测,宜于产生约1080的SV斜入射声束，特别适用于奥氏体焊缝等粗晶材料检测,采用单一S0或SH0模态的板或管检测,内容提纲,研究与挑战1.研究,关于EMAT应用于无损检测的最早文献,R. H. Randall, F. C. Rose and C. Zener, Physical Review, 56, p. 343, (1939).,关于EMAT应用于超声无损检测的最早的专利,J. R. Houck, et al, “Ultrasonic Transducer“, Patent 3,460,063, Aug. 9, 1969. J. R. Houck et al, “NDT of Conductive Objects“ Patent 3,583,213, June 8, 1971.,Cornell University,北京钢铁研究院探伤组.电磁声探伤实验. 物理学报 (1977).,研究与挑战1.研究,关于EMAT的早期应用,研究与挑战1.研究,EMAT研究SCI论文时间分布（1976-2012）,主要研究内容,研究与挑战2.挑战,提高EMAT的转换效率,激励、接收性能优化 大功率激励电路的实现 大增益高信噪比的前置放大器,理论模型的完备,更多材料作用机理的认识 多场耦合模型的完整求解,工业应用与推广,检测标准化 检测的适用性设计,GB 20935.1-2007-T 金属材料电磁超声检验方法 第1部分：电磁超声换能器指南 GBT 20935.2-2009 金属材料电磁超声检验方法 第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法 GB 20935.3-2009-T 金属材料电磁超声检验方法 第3部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法,内容提纲,理论模型与求解1.理论模型,多场耦合模型,1 、由线圈及固置磁场求解材料内部的电磁场,Maxwell方程,（安培定律）,（法拉弟定律）,欧姆定律,本构关系,激励过程,2 、由电磁场求解材料内部的体力,洛仑兹力,磁力,磁致伸缩力,铁磁性材料,理论模型与求解1.理论模型,3 、由体力求解产生的声场,接收过程,1 、由固体中的弹性波在固定磁场中产生产生电磁场,对于铁磁性材料，考虑逆磁致伸缩效应。,2 、振动表面边界条件 求解出空气中的电磁场,3、求解线圈处的电磁场,理论模型与求解2.求解,有限元方法,理论模型与求解3.电学模型,简易等效电路模型,- 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, et al. (2006). “A model for pulsed Rayleigh wave and optimal EMAT design.“ Sensors and Actuators A: Physical 128(2): 296-304.,内容提纲,仪器系统与传感器1.仪器系统,上位机控制分析软件,任意函数产生模块,功率放大模块,多通道自动切换模块,多通前置放大器,多通道数据采集模块,EMAT阵列,双工器,双工器,仪器系统与传感器2.传感器,超声波传感器,环形线圈,蝶形线圈,蛇形线圈,弧形线圈 立体线圈,仪器系统与传感器2.传感器,S0模态传感器,-郑阳等. 超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性. 机械工程学报. 2013, 49(4):6-12. -郑阳等.采用超声导波阵列技术研究板类结构大面积检测. 声学学报. 2013, 38(1):72-79. - 何存富，郑阳等.基于激光测振仪的Lamb波离面和面内位移检测研究机械工程学报，2012，48(8)：6-11,仪器系统与传感器2.传感器,SH0模态EMAT,S. H. Cho, et al., “Guided wave transduction experiment using 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, 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.,仪器系统与传感器2.传感器,变频SH0模态EMAT,一种多主频组合的SH0模态电磁声传感器（国家发明）,内容提纲,典型工业应用1.管道检测,钢管电磁超声检测,管道猪携带电磁超