基于编码压缩技术的钢板电磁超声导波检测方法研究

作     者：黄祺凯 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石文泽

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：金属板材 电磁超声 导波检测 编码压缩 成像检测 优化设计 

摘      要：大型锅炉、储存罐等高压耐压容器是工业领域中的重要设备,这些设备在长期服役过程中需要保持高度气密性,而高温高压、酸碱性环境等特殊工作状况,会使工件表面、内部产生裂纹或任意形状腐蚀等缺陷,降低设备整体气密度,引发泄漏、爆炸等严重安全事故,影响设备工作的安全性、可靠性,而这些设备的外径、高度可达到几十米至几百米,因此,需要一种数据准确、快速高效的原位检测方法。针对上述技术难题,本文将电磁超声导波检测技术与编码压缩技术相结合,对脉冲压缩原理、旁瓣抑制方法、电磁超声导波等方面进行研究,优化电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)设计参数和编码压缩激励信号参数,提高了EMAT信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),此外,重点开展了基于编码压缩技术的新型多阵元EMAT设计及在线电磁超声成像检测系统研制,实现了Barker码编码形式电磁超声SH导波检测。具体内容如下:首先,本文研究了Barker码脉冲压缩技术在水平剪切(shear horizontal,SH)导波EMAT中的应用。通过建立基于Barker码信号激励的钢板SH导波检测有限元模型,分析了Barker码序列长度、码元长度、提离高度、EMAT设计参数等因素对脉冲压缩后接收回波SNR及主瓣宽度的影响,并与tone-burst激励方式进行对比实验。综合数值计算及实验结果可知:与tone-burst激励方式相比,采用Barker码编码压缩技术,可将圆孔缺陷回波SNR提升5.8 dB。另外,当EMAT提离距离增加至3 mm时,旁瓣抑制后缺陷波脉压信号SNR8.7 dB,而tone-burst激励方式对应的SNR接近于0 dB。当Barker码序列长度为13位、码元长度为15μs时,编码压缩效果最佳,能够获取深度为1 mm、直径Ф20 mm的圆孔缺陷回波,且SNR25.4 dB。其次,针对大型钢板Lamb波EMAT检测中换能效率低、SNR低等难题,本文以5.6 mm厚度钢板为实验对象,建立了基于Barker码编码压缩技术的Lamb波EMAT检测多物理场有限元模型,研究了永磁体宽度、永磁体高度、线圈匝数等EMAT参数和Barker码序列长度、码元长度等编码压缩参数对Lamb波EMAT检测结果的影响。实验结果表明:基于Barker码编码压缩技术的Lamb波EMAT经优化后,与传统tone-burst激励方式相比,SNR提高9.69 dB,同时最小能够检出0.5 mm深的小裂纹,裂纹回波SNR可达23.47 dB。此外,当频率为1 MHz时,脉冲压缩后的缺陷波包分离为A、S模态,其中Lamb波A模态SNR最高可达35.23 dB。再其次,与传统tone-burst激励方式相比,Barker码编码压缩技术在大型钢板EMAT导波快速扫查检测时,需要更长的激励时间,这不仅对脉冲功率放大器的占空比和单次最大脉冲宽度提出更高的要求,而且导致始波持续时间及其引起的电磁串扰信号持续时间较长,影响近距离缺陷检测能力。针对上述问题,本文设计了一种基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的钢板SH导波多阵元EMAT,结合仿真数据与实验结果,分析了多阵元EMAT序列长度、永磁体对数、激励信号周期数、阵元间距等因素对脉冲压缩后SH导波的影响。研究结果表明,与Barker码脉冲压缩配合单阵元lamb波EMAT技术相比,新型EMAT可以将始波持续时间及其引起的电磁串扰信号持续时间减小54.56%以上,激励信号周期数大幅度增加,并可以实现脉冲压缩,同时降低了功率放大器输出电流的要求。最后,搭建了钢板在线快速电磁超声导波成像系统,提高了大型钢板检测效率和能力。本文采用LABVIEW软件编写了钢板电磁超声可视化成像检测界面,设计了EMAT探头,并安装编码器用于记录探头位置信息,连接软硬件进行调试,最终实现了基于编码压缩技术的导波可视化成像检测。实验比较了Barker码脉冲压缩技术和传统tone-burst激励方式对SH导波成像结果的影响。结果表明,采用Barker码脉冲压缩技术的导波成像图的信噪比显著提升,能够识别长10 mm×宽1 mm×深0.5 mm的裂纹和Ф5 mm×深0.5 mm的圆孔。而Lamb波EMAT对提离敏感性强,经封装后检测回波SNR大幅下降,不利于导波信号成像。编码脉冲压缩技术能有效提高EMAT导波检测的空间分辨率和SNR,可以在不增加EMAT实验系统的功放输出功率和噪音抑制能力的条件下,极大程度地提高缺陷检测能力。本文将Barker码脉冲压缩技术应用于导波EMAT检测,对提高在役钢板缺陷检测回波的信噪比和空间分辨率以及实现大范围在线快速扫查具有重要的工程应用价值。