电磁超声无损检测技术的ANSYS仿真研究

电子测量技术
ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣＭＥＡＳＵＲＥＭ［ＥＮＴＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ第３１卷第７期２００８年７月
电磁超声无损检测技术的ＡＮＳＹＳ仿真研究
任晚可李健
（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津３０００７２）
摘要：利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对电磁超声无损检测技术进行了研究，通过仿真，比较了电磁超声检测过程中缺陷对被测导体表面磁流密度、磁感应强度和涡流等的影响，并介绍了ＡＮＳＹＳ软件进行瞬态电磁场仿真的过程，为电磁超声的研究提供了帮助。

关键词：电磁超声；有限元；无损检测；管道
中图分类号：ＴＨ８７８文献标识码：Ａ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｏｕｓｔｉｃＮＤＴｂｙＡＮＳＹＳ
ＲｅｎＸｉａｏｋｅＬｉＪｉａｎ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｆｙｏｆｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ（ＮＤＴ）ｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｏｕｓｔｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＥＭＡＴ）ｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳ．Ｉｔｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｗｈｉｃｈｃｏｍｅｓｆｒｏｍｄｅｆｅｃｔｉｎｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙ，ｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｔｅｓｔｉｎｇ．ＴｈｅｓｔｅｐｓｏｆｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳｔＯｓｉｍｕｌａｔｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｔｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｈｅｌｐｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＭＡＴ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ
０引言
管道作为能源运输的主要方式，其安全性是相当重要的。

油气管道无损检测技术就是预测隐患、为安全评价提供基础资料的一种重要手段。

管道无损检测技术的原理有很多种，目前应用较多的是超声法、漏磁法和涡流法。

新兴的电磁超声技术作为一种激发原理特殊的超声，因其不需要耦合介质，易于选定所激发的超声模式等优点，正引起无损检测领域越来越高的重视［１］。

电磁超声虽然具有众多优点，但由于其转换效率低，衰减严重，受噪声污染大，检测结果常常不理想。

因此，利用有限元分析软件，建立ＥＭＡＴ的二维模型，通过仿真比较了缺陷对被测物体表面磁流密度、磁感应强度和涡流等情况的影响，提出了设计ＥＭＡＴ检测装置和进行检测数据分析时值得注意的方面，对指导ＥＭＡＴ无损检测的研究具有重要的意义。

１电磁超声检测技术的理论依据
在被测物体表面设置一曲折线圈，某一时刻，通过往线圈中加载一高压窄脉冲或时谐电流源激励产生一个交变的电磁场Ｈ，会在被测物体内部产生感应电流，即涡流Ｉ。

如果同时施加一由永磁体产生的稳定磁场曰，就会与金属内部涡流相互作用，产生洛伦兹力。

被测物体的质点在此力的作用下产生机械振动，从而产生沿被测件辐射或沿表面传播的超声波。

这就是电磁超声激发的基本原理［２］。

电磁超声的接收是激发的逆过程。

当被测物体表面有超声自内部投射时，质点发生位移，带正电荷的晶格在偏置磁场的作用下受力，产生交变电流。

这个交变电流将导致被测导体的表层出现交变的磁场，这个交变磁场漏出导电体，在被测导体上方的线圈中感生出电动势。

这样，就可以进行检测了。

在电磁超声无损检测中，被测物体作为龟磁超声传感器的一部分，必须是电导体或磁导体。

若被测物体是铁磁性材料，除洛仑兹力外，还受到磁致伸缩力的作用‘３ｌ。

２仿真方法
有限元分析是将物体划分成有限个单元，单元看作是不可变形的刚体，通过有限个节点相互连接，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵，在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体特性计算和分析。

ＡＮＳＹＳ软件是目前最常用的有限元分析软件之一，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体‘“。

软件主要包括３个模块：前处理模块，求解模块和后处理模块。

任晓可等：电磁超声无损检测技术的ＡＮＳＹＳ仿真研究
第７期
２．１前处理
根据电磁超声无损检测装置的结构和工作特点，取单元类型为空气、线圈和被测导体，定义材料属性。

设被测导体的相对磁导率胁一５００，电阻率Ｐ＝９．１７×１０－８０·ｒｎ，线圈的相对磁导率雎一１，电阻率Ｐ＝１．６８×１０１
Ｑ·ｍ。

考虑到模型具有对称性，且假设线圈导线的长度比线间距要大得多，可将模型简化成二维情况来进行有限元分析口８］。

设被测物体为半无限大导体，在其上方放置曲折线圈，线圈由一根导线来回沿直角弯曲成一组６条平行线，相邻导线间距ｂ一１ｍｍ，提离距离ｈ一０．５ｍｍ，导线横截面为正方形，边长ａ一０．２１ＴＬｒｎ，相邻两导线电流方向相反。

导体处在磁感应强度Ｂ。

＝１Ｔ的偏置磁场中，方向竖直向下。

为比较缺陷对电磁超声检测过程中各因素的影响，在导线３下方设置了一个０．１
ｍｍ×０．２ｌＴＬｒｎ的裂缝，ＥＭＡＴ
模型如图１所示。

建立模型后，给面赋予特性，确定单元
关系，并进行智能网格划分。

图１
ＥＭＡＴ激发系统二维平面模型
２．２求解
在电磁场微分方程的求解过程中，只有限制了边界条件和初始条件，才有确定解，因此，为被测导体设置边界条件，并规定各项力标志。

根据电磁超声的激发机理，采用时变电流对线圈施加激励。

设激励电流的形式为ｉ（ｆ）一
１００ｓｉｎｚ（７ｃ×１０５ｔ）ｃｏｓ（ｎ×１０６ｔ），取分析时间为１０脚，此时激励电流可视为衰减到０，时间步长设为０．２卢ｓ，信号波形如图２所示。

根据所加激励的类型，耦合线圈自由度，进行瞬态磁场分析。

蠢
时间，。

图２激励电流信号波形
２．３后处理
求解结束后，可选择相应时间步，获得分析过程中相关的等值线图，云图和矢量图等。

可通过选择节点，读取其在分析过程中某一参数随时间或频率连续变换的情况啪。

还可以以麦克斯韦方程组为出发点，求解磁通、力和能量等参数。

３仿真实验结果
当线圈受时谐电流源激励时，会产生一个交变的电磁
场Ｈ，交变磁场的磁流密度如图３和图４所示。

磁流密度的具体数值可通过等值线读取。

可见当不存在缺陷时，各条导线下方的磁流密度大致相等，当存在缺陷时，缺陷两侧钢板表面的磁流密度就比其它地方大，而缺陷深处磁流密度却变得非常小。

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Ｂ＝．１８２Ｅ．０３Ｃ＝．３０３Ｅ－０３Ｄ＝．４２４Ｅ．０３Ｅ＝．５４５Ｅ－０３Ｆ＝．６６６Ｅ－０３Ｇ＝．７８７Ｅ．０３
日＝．９０８Ｅ．０３
Ｉ＝．００１０２９
图３被测导体表面不存在缺陷时交变磁场的磁流密度
衙画』画否一、、。

＾Ｂ九Ｃ
ｄ．Ｋ
Ｄ，．、爿』、。

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可一溺—～
图４被测导体表面存在缺陷时交变磁场的磁流密度
＝．８００Ｅ．０４＝．２４０Ｅ．０３＝．４００Ｅ．０３＝．５６０Ｅ．０３＝．７２０Ｅ．０３＝．８８０Ｅ．０３。

．００１０４＝．００１２
一．００１３６
爿口ＣＤＥＦＧ
Ｈ，
第３１卷电子测量技术
导线下方感应出的动态磁场的磁感应强度如图５
和图６所示。

当不存在缺陷时，各条导线下方的磁感应
强度曲线类似，只是幅值稍有不同。

当存在缺陷时，选
取的是导线３下方缺陷最深处正中央的节点，和导线４
下方节点的磁感应强度进行比较。

显然缺陷处磁感应
强度要小的多，交变的磁场会在导体表面感应出电涡
流，导体的电涡流受多种参数的共同影响，材料的电导
率、磁导率、激励的频率、相邻导线的间距以及线圈与导
体之间的提离距离等都影响其分布［８］。

２种情况下被
测导体表面感生的电涡流如图７和图８所示。

可见缺
陷处的涡流密度要比正常情况下小的多，这与缺陷处的
磁感应强度也是成正比的，这说明涡流受到趋肤效应的影响，在被测导体中随深度衰减严重，若缺陷过深，那么其深处表面的感生涡流很可能无法测得。

因此，无论是在ＥＭＡＴ检测装置的设计或是检测数据的分析中，都应充分考虑到涡流的趋肤效应，通过改变线圈的物理特性或提高换能器的转换效率来克服由趋肤效应引起的影响。

（×Ｉ伊２）
０．１－２－３＿４．５－６．７．８．９ｌ
时问／ｓ
ｌ伊ｑ
图５没有缺陷时线圈下方磁感应强度
图６存在缺陷时线圈下方磁感应强度
．３
－２．５
—』争线３下方
一＿导线４下方
０·ｌ－２·３＿４．５．６－７－８．９１
时间性
图７没有缺陷时导体表面两点电涡流
——导线３下方
一一导线４下方
图８存在缺陷时导体表面两点电涡流
４结论
电磁超声无损检测技术用电磁感应涡流原理激发超声波，具有换能器与被测体表面非接触、无需耦合剂、重复性好、检测速度高等优点。

通过有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对ＥＭＡＴ进行仿真，直观地分析了缺陷对被测物体表面磁感应强度和涡流等的影响，为利用ＥＭＡＴ无损检测技术进行缺陷检测奠定了基础。

［１］
［２］
［３］
［４］
［５］
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（下转第３４页），之
２
４
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协膨。

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第３１卷电子测量技术
参考文献
图３神经元网络网格原始数据［１３［２］［３］
根据算法。

在Ｍａｔｌａｂ中仿真如图４所示。

［４］
图４Ｍａｔｌａｂ数据仿真结果
可以看出基于模糊神经元理论的人脸识别研究，可以很好把人脸识别出来‘…。

３结论
神经网络方法在人脸识别上的应用比起前述几类方法来有一定的优势，因为对人脸识别的许多规律或规则进行显性的描述是相当困难的，而神经网络方法则可以通过学习的过程获得对这些规律和规则的隐性表达，它的适应性更强，一般也比较容易实现．
神经元作为有层次的工具，在人脸检测和图像初始化方面，方法快速、简单、准确。

利用预测法先确定人眼在眉眼区域的大概位置，通过检测眉眼部位的边缘及边缘神经分组，确定双眼的坐标位置。

然后根据双眼的坐标位置对人脸进行尺寸的归一化，保证了识别的正确性。

［５］
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ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＭａｃｈｉｎｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ。

２００７，１９（７）：
７１１－７２０．
作者简介
侯铁兵，讲师，主要研究方向为应用
电子技术。

（上接第２８页）
［６］ＫＡＬＲＥＮＢＡＣＨＥＲＭ，ＬＥＲＣＨＲ，ＬＡＮＤＥＳＨ，
ｅｔａ１．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ａｃｏｕｓｔｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｅｓ
Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９８，２：１０２９—１０３４．
［７］ＫＡＩ。

ＲＥＮＢＡＣＨＥＲＭ，ＥＴＴＩＮＧＥＲＫ，ＬＥＲＣＨＲＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｕｐｌｅｅｌ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｏｕｓｔｉｃｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎ
Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，１９９９，３５（３）：１６１０－１６１３．
［８］ＪＡＦＡＲＩ，ｓＨＡＰＯＯＲＡＤＡＤＩＲ，ｓＩＮｃＬＡＩＲＡＮ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｅｔｈｏｄｆｏｒＥＭＡＴａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ，
２００１。

３７（４）：２８２１－２８２３．
作者简介
任晓可，女，１９８４年出生，硕士，主要从事油气管道电磁超声无损检测技术方
面的研究。

李健，男，１９７３出生，博士，副教授，硕士生导师，主要
从事检测技术与仪器的研究和开发。

电磁超声无损检测技术的ANSYS仿真研究
作者：任晓可， 李健， Ren Xiaoke， Li Jian
作者单位：天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072
刊名：
电子测量技术
英文刊名：ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
年，卷(期)：2008，31(7)
引用次数：0次
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4.李莺莺.靳世久.魏茂安管道漏磁法检测的ANSYS仿真研究[期刊论文]-无损检测 2005(2)
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1.会议论文裴翠祥.陈振茂电磁超声的数值模拟方法研究2008
电磁超声无损检测技术由于无需媒介及与被测物体非接触，不但可提高检测效率，而且可将超声无损检测技术的应用扩展到高温、高速和在线检测，其相关课题是当前超声无损检测研究的热点。

本文基于电磁超声传感器工作原理，建立了有限元电磁超声无损检测数值分析方法，开发了相应的计算程序，并验证了其有效性。

应用开发的电磁超声数值模拟程序，研究了不同激励方式对电磁超声波的影响，得到了相应超声波在均匀各向同性金属介质中的传播过程。

该计算方法和程序为实际电磁超声无损检测中缺陷的定量和探头优化提供了手段。

2.学位论文师蔚通过式轨道车辆车轮无损检测装置的研究2005
轨道车辆车轮中的缺陷，特别是车轮踏面裂纹是引发事故的巨大隐患。

目前国内对运行中的车辆轮对的检测主要依靠工作人员以耳听、眼看、手摸为主的人工检测，这种检测方式对于车轮踏面细小裂纹不易查出，同时由于停站时间和工作人员数量的限制，不能对每一个车轮进行全面检测，检测结果令人堪忧。

随着铁路运行速度的提高，车轮的裂纹、磨损等破坏急剧增加，这种检测手段已经不能满足现代化高速铁路发展的需要，因此研究一种在线的通过式轨道车辆车轮无损检测装置具有重要的现实意义。

本文研究的通过式轨道车辆车轮的检测装置是一种采用基于电磁超声技术的检测装置，能够及时快捷地在车辆进站时对每一个通过的车轮踏面进行全面检测。

本文首先研究了轨道车辆车轮踏面缺陷的种类及扩展规律。

其次，根据轨道车辆车轮踏面在线无损检测的特点和要求，运用电磁超声的基本理论，设计了电磁超声表面波无损检测装置。

该检测装置的设计主要包括电磁超声换能器、系统的整体方案设计及其辅助机械系统设计等。

然后，深入研究电磁超声换能过程的数学模型，并借助有限元分析软件对设计出的电磁超声装置中的关键部分一电磁超声换能器部分进行分步仿真，分别对静磁场、涡流场、力分布场、波动场进行仿真，研究出电磁超声换能器中各参数及外部测量参数分别对电磁超声换能器及检测的影响程度，从而进一步优化电磁超声换能器中的设计参数。

最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

3.学位论文雷华明电磁超声换能器机理研究及其在管道检测中的应用探索2005
石油天然气的管道输送在国民经济中占有极为重要的战略地位，其基本要求是保证其安全、高效地运行，因而需要定期或不定期地对在役管道进行检测以评价其安全性。

工业发达国家均非常重视油气管道检测技术的研究和开发。

目前我国在役管道约二万公里，随着我国海上油气资源的开发及“西气东输”工程的投资，管道检测技术的需求将变得越来越迫切。

目前世界各国已研制出漏磁法、超声法、涡流法、电磁超声、X射线等不同原理的管道无损检测器，并配以先进的信号处理和数据存贮系统，可以检测管道壁厚变化、腐蚀坑、裂纹及所承受的应力等，并进行缺陷的大地定位。

这些检测方法各有优缺点，适用于不同特点的检测。

其中电磁超声技术以其精度高、不需要耦合剂、非接触、适合于高温检测、移动检测和相控阵操作，以及容易激发各种超声波型等优点，正越来越受到人们的关注和重视。

其缺点为换能效率低，信号微弱，这是检测中要克服的主要困难之一。

电磁超声换能器(ElectromagneticAcoustic/UltrasonicTransducer,EMAT)的理论基础主要是两种效应，一种是洛伦兹力，另一种是磁致伸缩。

当一载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个静态偏置磁场，由于洛伦兹机制将在金属中产生交变的作用力，这种变化的力将激发出超声波。

基于磁致伸缩机制的EMAT仅适用铁磁质或磁性材料的检测。

同时EMAT为一个可逆的换能器，它可用来接收超声波。

论文在回顾多年来EMAT技术发展和应用，总结前人研究成果的基础上，对EMAT的电-声换能机理进行了探讨，根据EMAT的作用过程，将一个完整的EMAT分为三个关联的场：电磁场、作用力场和超声波场，根据媒质磁化的Ampère模型和系统动量定律，推导了与EMAT有关的电磁场方程和弹性动力学方程式，给出了EMAT系统的动能力表达式，同时还推导了EMAT的电磁和应力边界条件。

论文采用残数加权有限元方法对电动力学方程及弹性动力学方程进行数值求解，仿真了检测试样中脉冲电涡流的分布。

同时将这些求解得到的电涡流分布与弹性动力学方程式相耦合，仿真得到了各向同性线性媒质中的瞬态超声波。

为了减小编程的复杂度和程序计算时间，文中采用有限元和有限时间步的计算方法求解二维场中电动力学和声学波动方程。

在分析仿真结果的基础上讨论了材料特性、结构参数等对EMAT性能影响，研究了考虑源电流分均匀分布的EMAT有限元算法。

同时，文中还对磁致伸缩产生超声进行了数学分析，推导了产生Lamb波的与磁致伸缩力有关的磁致伸缩应变系数的计算方法，分析了偏置磁场的幅值及加磁方向对EMAT性能的影响。

结果表明，在铁磁
及相应电路设计的指导性作用。

此外，论文在充分考虑管道检测特殊性的基础上，对管道检测中可能遇到的问题进行了一些理想化的假设，设计了EMAT用于管道检测的总体方案及EMAT管道检测系统的硬件方案和软件模块，重点探讨了管道检测超声波模式的选择、缺陷检测和壁厚测量的EMAT换能器设计等问题，并针对管道EMAT检测中缺陷内部定位问题，提出了一发多收式的EMAT布置方案，并研究了相应的信号处理技术。

4.学位论文任晓可电磁超声技术在钢板缺陷检测中的研究2008
新兴的电磁超声技术基于电磁感应原理激发超声波，因不需要耦合介质等优点，引起了无损检测领域的高度重视，本论文即以电磁超声无损检测技术在钢板缺陷检测中的应用为重点进行研究。

本文首先介绍了EMAT技术发展和应用的历史，对EMAT的换能机理进行了探讨，研究了电磁超声系统的基本理论，在此基础上对电磁超声检测系统进行了有限元分析。

建立了EMAT激发系统的二维有限元模型，分别在激励线圈中加载瞬变电流和高压脉冲激励，研究了由两种不同激励所产生的感应交变磁场、感生电涡流和洛仑兹力的情况。

分析了磁导率、电阻率、提离距离等因素对电涡流的影响。

通过在被测导体表面设置不同的缺陷类型，建立了缺陷下的二维仿真模型，研究和分析了不同缺陷对被测导体表面感应磁场和感生电涡流的影响情况，为实验研究和系统优化奠定了基础。

在理论研究和仿真分析的基础上，对电磁超声检测系统进行了设计。

研究了电磁超声换能器的励磁方式，比较了永磁体、直流电磁铁和交流电磁铁的特点，同时分析了几种不同形状的激励线圈，对EMAT的探头线圈进行了优化设计。

基于直接数字频率合成技术，研究设计了激发电磁超声的正弦波脉冲串发生器，并研制了相应的功率放大系统。

针对电磁超声接收信号微弱的特点，设计相匹配的前置放大器和主放大器，放大了接收到的微弱电压信号。

进行了一系列的缺陷实验研究，并提出了一种基于传统傅立叶变换的非线性自适应的时域信号处理方法，对被噪声严重污染的电磁超声回波信号进行了处理，得到了良好的效果。

对缺陷与被测导体表面的角度，激励脉冲的个数等影响检测结果的因素进行了实验分析和研究，得出了它们和检测结果之间的关系。

5.会议论文王淑娟.康磊.翟国富电磁超声换能器优化设计综述2007
电磁超声换能器(EMAT)是一种非接触型超声波发射、接收装置,因工作时无需声耦合剂、无需对试件预处理等诸多优点而有效扩展了超声无损检测技术的应用领域。

EMAT包含3种换能机理，且试件参与能量转换过程。

工作机理的复杂性以及待测试件的多样性等特点致使其设计多以较为盲目的经验为基础。

因此,换能器的效率等诸多性能均不尽如人意,严重限制了该技术的进一步推广。

为了从根本上改善或解决上述缺陷,学者们以优化装置性能为目标对电磁超声换能器展开了广泛而深入的研究,提出了多种优化设计方法,开发了专用设计工具,改进了换能器结构,并实现了EMAT的部分关键性能的初步优化。

本文以国内外发表的文献为基础,对EMAT优化设计的研究现状进行了综述。

本文较为全面地总结了EMAT的换能效率、探头体积、对提离效应的敏感度等优化研究对象,综述了基于建模、基于实验的优化设计方法及其特点,结合电磁超声技术的应用需求和现有研究中存在的不足对EMAT优化设计的研究趋势进行了展望。

6.学位论文李莺莺油气管道在线内检测技术若干关键问题研究2006
油气管道在线检测技术是保障管道运输安全的重要手段,管道在线检测的原理有多种,漏磁法和超声波法的应用最为广泛.新兴的电磁超声技术作为一种激发原理特殊的超声,因不需要耦合介质等优点,引起了无损检测领域的高度重视,本论文以管道检测的漏磁技术和电磁超声技术为重点进行研究.
针对缺陷漏磁检测定量化、智能化的难题,结合油气管道检测现场的实际需求,通过理论分析和大量实验,系统分析了管道缺陷漏磁检测技术.首先根据漏磁检测的工作原理,引出基于解析法的偶极子管道缺陷理论模型,并分别以有限长矩形、无限长矩形和锥形缺陷为例做了相应的漏磁场分布研究.针对磁偶极子模型的不足,将有限元法应用到缺陷漏磁场分析中,实现了常见管道样本缺陷的漏磁场仿真.研究了漏磁信号特征的有关影响因素,例如缺陷的外形尺寸、传感探头提离距离、检测仪移动速度、管壁磁化水平、磁铁形状和管道内应力等,得到了各种因素对漏磁检测的影响规律,为相关补偿提供了理论指导.研究了感应线圈漏磁检测信号的小波去噪方法,并详细阐述了应用插值技术去除坏死通道的影响的方法.引入缺陷漏磁信号的模式识别方法,根据实测信号典型管道附件的信号特征,对环焊缝、直焊缝和螺旋焊缝进行了模式识别研究,同时根据缺陷尺寸参数识别结果采用最大安全工作压力方法进行了管道缺陷安全性评价研究.为实际应用的管道检测设备编制了漏磁检测数据分析系统软件,实现了缺陷漏磁场数据的显示,缺陷及焊缝的自动识别量化和评估.论文研究了漏磁检测的缺陷定量分析问题,将神经网络和模式识别方法应用到缺陷漏磁检测中,通过实验和仿真结合的方法建立了缺陷特征样本库,采用BP网络建立了缺陷特征量提取的网络模型；采用RBF网络建立缺陷轮廓的网络映射,并在此基础上提出一种收敛速度更快,精度更易控制的小波基函数神经网络缺陷识别算法. 电磁超声技术可以进行油气管道应力腐蚀裂纹的探测.本文推导了电磁超声激发和接收过程的模式方程,并采用有限元的方法建立了EMAT换能器脉冲电涡流的有限元模型,分析了电涡流的趋肤效应,及各种因素对电涡流分布的影响,建立了感应涡流在静磁场作用下,受到洛仑兹力作用激发和接收超声波的模型. 电磁超声信号由于受到噪声的污染质量较差,课题采用电磁超声探伤仪获取实测信号,并针对接收信号属于非稳态时变信号的特点,提出采用一种非线性自适应的时域信号处理方法进行信号去噪.
7.学位论文张劼用于无损检测的电磁超声换能器数值模拟2007
电磁超声换能器（EMAT）是一种新型的超声波发射接收装置。

因为无需与被测物接触，电磁超声换能器将传统的超声无损检测技术扩展到了高温、高速和在线检测中。

同时，由于能够省略对被测物表面较为繁琐的预处理工作，电磁超声换能器显著提高了检测效率。

然而电磁超声换能器本身换能效率低下，需要通过研究其原理并优化参数来改进提高换能效率。

由于电磁超声换能器中的非线性问题及电磁-应力多场耦合问题十分复杂，采用传统的解析方法，难以分析研究电磁超声换能器的原理，因此本文在给出电磁超声换能器数学方程的基础上，建立了电磁超声换能器的物理模型，并用有限元手段来建模仿真。

同时对电磁超声换能器几个主要参数进行分析，得出了各参数对电磁超声换能器影响的规律。

8.期刊论文朱红秀.吴淼.刘卓然.吕晓军.ZHU Hong-xiu.Wu Miao.LIU Zhuo-ran.Lü Xiao-jun电磁超声传感器
(EMAT)最佳磁感应强度的研究-煤炭学报2005,30(4)
通过实验研究,确定了电磁超声传感器最佳励磁电流,利用ANSYS有限元软件,对用于钢管缺陷检测的电磁超声传感器的磁感应强度进行了计算,得到磁感应强度的分布规律.确定了钢管表面最佳磁感应强度数值范围为0.20～0.29T.
9.会议论文康磊.王淑娟.杨文英EMAT 三维有限元分析及其关键参数的提取2008
电磁超声换能器（EMAT）工作机理较为复杂，设计难度较大。

因此，目前EMAT 的设计 多以盲目的经验和反复实验为主，其各项性能常不尽如人意，严重限制了电磁超声技术的 进一步发展。

为了从根本上解决该问题，本文对EMAT 的Lorentz 力机理进行了三维有限 元建模和分析，并在所建模型基础上，利用正交试验提取了影响换能器效率的关键参数。

研究表明，由于EMAT 线圈相邻导线产生的涡流相互削弱、线圈导线端部效应较为显著、 磁铁产生的静磁场均匀度较差等原因致使EMAT 的换能效率较低，适当增加EMAT 线圈 的导线长度、降低其提离距离、增加EMAT 磁铁的厚度可有效提高EMAT 的换能效率。

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下载时间：2010年3月12日。