基于不同模式导波的管道电磁超声检测技术研究

基于电磁超声换能器 Electromagnetic Acoustic Transducers (EMAT)激励的导波无损检测技术具有导波和电磁激励的两方面的优点，目前被广泛地应用在管道缺陷的检测。 然而，由于导波具有不同的模式（mode），每一模式又具不同的特性，因此有必要对不同模式的导波进行研究，使之能更好地实现管道缺陷的识别。本研究首先过对导波的不同模式进行理论研究，通过有限元模拟的方法分析每一模式的频率特性，衰减特性及对缺陷的敏感特性；其次根据不同模式的特性设计多模式管道探测用EMAT换能器探头，对不同模式导波的激励特性及对管道缺陷的检测性能进行研究；最后通过对管道缺陷的信号处理及模式识别来实现管道损伤状况的评估。本研究可推动导波理论的基础研究及电磁超声导波检测技术的发展，不仅为自主开发管道检测用 EMAT探头奠定基础，而且为实现管道检测的定量评估提供科学依据。

由于导波具有不同的模式（mode），每一模式又具不同的特性，因此有必要对不同模式的导波进行研究，使之能更好地实现管道缺陷的识别。本项目主要研究板中的导波-Lamb wave的特性及应用。本项目完成了多模式管道探测用EMAT探头的设计，考查了洛伦兹力式EMAT和磁致伸缩式EMAT的异同，讨论了激励线圈的形状与导波类型的关系。研究了Lamb wave自身的物理特性和几何特性对频散曲线的影响，主要考察了Lamb wave在不同材质中、不同厚度下的频散特性。同时对Lamb wave的理论频散曲线进行了深入研究，分别考查了不同Lamb wave mode的特点，找出每个模式的激励频率及传播特性。搭建了导波检测的实验系统，完成了检测系统的发射和接收电路的设计，主要包括发射端的功率放大电路、接收端的前置放大电路及信号采集处理电路的设计，基本实现了对EMAT信号的发射、接收、放大及采集。进行管道检测实验研究，对具体的Lamb wave mode 特性做了进一步的研究，实现了不同厚度钢板中Lame wave 的各个mode的激励频率、频散速度及信号幅度的检测，并应用导波实现了钢板及管道的缺陷检测。本项目设计的EMAT检测系统的分辨率达到了1ｍｍ，检测准确率到达了80％以上。