第六届科技基金申请书07.11.29陈振华

编号：北京工业大学第六届研究生科技基金项目申请书项目名称：新型电磁超声换能器的研制申报人姓名：陈振华指导教师：王新华申请日期：类别：□自然科学类学术论文□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文□科技发明制作１填写说明一、填写申请书前请认真阅读《北京工业大学研究生科技基金章程》二、本申请书所列内容必须实事求是，逐项认真填写，表达要明确严谨。对于填写内容含糊不清的申请书，不予受理。三、表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。四、上报的申请书应用A4纸打印，一式两份交学院研究生工作组。五、研究年限原则上不超过一年。每项研究经费一般不超过贰仟元。六、有不清楚的地方请向党委研究生工作部咨询（67392531）。七、指导教师为本课题的指导教师，需填写对本课题的研究意义、特色、创新性及课题成员完成课题的能力等进行评价；八、申请书中的导师推荐意见请项目负责人的导师填写，内容包括本课题与导师在研课题是否重复，申请人能否有时间和精力完成本课题。２一、申报者情况说明：必须由项目负责人按要求填写；项目名称新型电磁超声换能器的研制起止时间自2008年1月到2008年12月项目负责人姓名陈振华性别男出生年月1985.9.15宿舍电话移动电话6739085613466763072学号[e-mail]系别、专业、年级机电学院2007级机械制造及其自动化项目组其他主要成员姓名性别出生年月学号学历宿舍电话本人签字谢阁新男1980.8S200601028硕士67394473张欣女1986.8S200701021硕士67394272田伟枫男1983.12S200701114硕士67390856指导教师姓名学院职称研究方向联系电话Email３二、立论依据立项背景及研究意义无损检测（NDT）技术在现代工业中的应用越来越广泛，它在不破坏被测物体的情况下，对物体内部的缺陷、结构、形状、状态等进行检测，从而判断该物体是否可以继续使用。无损检测技术可以实现对在用对象的静态和动态检测，在铁路运输、油气管道、飞机、轮船等大型工业中已经成为了主要检测手段，应用前景十分广阔。超声检测（UT）是无损检测中应用较为广泛的方法之一。常规的压电式超声换能器（PZT）往往需要使用耦合剂（油脂、软膏、水等）实现超声探头与被测试件的良好耦合，从而实现超声波信号的发送与传输。然而，在一些特殊的工况下，如高温的、运动的、粗糙及锈蚀的表面，这种传统的接触式超声检测方法就不能胜任了。20世纪60年代末期发展起来了利用电磁耦合激发和接受超声波的电磁超声技术，实现了非接触式的超声探伤。电磁超声换能器（EMAT）是电磁超声检测技术的核心装置。EMAT也是一个可逆换能器，是通过洛仑兹力（Lorentz力）或磁致伸缩效应在导体的表面激发和传播超声波的换能装置，使用EMAT不需要与被测试件接触，不需要耦合剂，能够用于检测高温、表面粗糙和运动的对象，同时还可以实现重复操作，检测速度高，分辨率高，可大大提高检测的效率。电磁超声检测技术作为20世纪发展起来的新技术，因为其诸多优点而受到广大无损检测与评估人员的关注。EMAT技术不仅实现了压电超声技术无法实现的功能，而且与其他非接触声学检测方法（空气耦合超声检测、激光和光全息或干涉测量法等）相比具有更吸引人的特点，如结构简单，能够应用于真空超声检测，产生多种形式的波形（如横波、纵波、Lamb波、表面波、SH波、SV波等）。在检测过程中，通过改变磁铁和线圈的结构以及它们相对位置，或改变激励信号的频率可以实现波形的自由选择，可以根据需要适时选择，实现对被测试件的多方面检测，如超声测厚、表面腐蚀缺陷检测、内部缺陷检测、应力测量等。然而，EMAT也存在一些不容忽视的缺点，如换能效率低，对环境噪音敏感度高，能量不集中等，这些问题都亟待解决。目前在EMAT的研究和开发方面，国内文献还相对较少，而且多数是在理论上在分析EMAT的作用机制。而已研制出的EMAT装置没有将其多种功能融合到一个装置中。项目结合EMAT的基本原理研制出新型的多种功能的EMAT样机，在一个EMAT上实现超声测厚、探伤及应力测量等功能。同时应用印刷电路板（PCB）技术提高线圈的精度，从而提高测试的性能。通过对该项目的研究，期望取得一定的研究成果，进一步提高和培养自主科研能力和科研意识，不断丰富工程实践经验和培养一定实际动手能力，扩大知识面和了解更多科学前沿知识，为今后的课题研究打下一定基础。４国内外现状分析国外对电磁超声技术的研究起步较早。美国、日本、德国、加拿大对EMAT进行了许多的研究，研究水平处于世界领先地位。20世纪70年代，EMAT已经得到了成功应用，80年代末，德国和美国也都研制出了电磁超声探伤装置。EMAT已经应用到输气管道、工业压力容器、焊缝、热交换钢管等方面的缺陷检测和厚度测量。日本利用EMAT激发纵波来检测长范围的钢丝绳，采用宽脉冲提高空间分辨率和缺陷定位，可检测10m远的10%的面积缺陷。国内在该方面的研究起步较晚，文献少，应用电磁超声检测技术的时间也不长。我国最早研究电磁超声的单位是北京钢铁研究总院，先后研究出检测钢板和车轮踏面的电磁超声探伤装置。航天工业总公司第二研究院研制了一套热扎钢板在线自动化电磁超声探伤系统，系统利用几十个探头对500oC以下的钢板进行在线检测，可确定缺陷的类别、大小和位置。我国已经拥有了关于EMAT方面的专利技术，如西南交通大学研制的机车测量轮对缺陷的在线动态检测用电磁超声换能器，用于车轮踏面表面/近表面缺陷的的自动高速检测。目前清华大学、上海交通大学、华中科技大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国矿业大学等高校都相继开展了电磁超声方面的研究。目前，人们对EMAT的研究主要包括EMAT的数学建摸、EMAT装置的优化设计、信号处理及EMAT的工程应用。现在已研制出的EMAT功能比较单一，针对固定被测对象而设计。因此，研制多功能的新型EMAT的前景十分广阔。三、研究方案研究内容、方法和技术路线1研究内容（1）分析EMAT物理原理，建立数学模型，进行数字仿真计算；（2）新型EMAT的实验研究及实验方案设计，包括EMAT换能器设计、外部脉冲发射电路设计、电压信号接受电路的设计、信号采集处理、电子按键开关电路的设计等；（3）新型EMAT系统的性能测试,通过反复测试，选择最佳静磁场强度和激励信号频率，以提高装置的信噪比；（4）样机研制与现场测试，根据实际情况对系统进行调试和改进，探索新型EMAT的工程应用。2基本方案2.1系统构成和原理分析EMAT主要有三部分组成：高频线圈、偏置磁铁和被测试件。高频线圈包括发射线圈和接受线圈，一般有曲折线圈和螺旋线圈两种类型，偏置磁场是由永久磁铁或直流电磁铁提供。如图1为EMAT的测试的示意图。（发射线圈和接受线圈也可以是同一个线圈）５研究内容、方法和技术路线图1EMAT测试示意图EMAT测试功能的实现是通过超声波在介质的不连续界面发生反射或衰减的特性来实现的，超声波在传播过程中遇到缺陷或被测试件的边界面时，声波会发生反射或衰减。通过检测反射或衰减的信号，从而实现超声测厚和缺陷定位。2.2磁场设计选用电磁铁来激励静态磁场，由一个正方体铁芯和两组绕组组成，这样既能在被测试件的表面激励平行于试件表面的磁场，又能激励垂直于试件表面的磁场。便于通过一个磁铁来提供激发体波、表面波、水平剪切波等波形的静磁场。如图2所示为电磁铁的示意图。图2电磁铁结构示意图2.3发射线圈的设计本方案欲采用印刷电路板（PCB）技术，将蛇行曲折线圈和螺旋线圈分别印在电路板的两面。在需要不同的线圈激励时，可以切换两面的线圈连接到电路中。同时采用PCB技术可以提高线圈的精度。2.4脉冲发生器电磁超声换能器比传统压电换能器的换能效率低，能量插入损失大。因此，线圈激励需要一个大功率的脉冲发生器来实现。本方案欲采用RF（射频）脉冲来提供线圈激励。６研究内容、方法和技术路线2.5接受线圈的设计采用脉冲反射检测时，发射线圈同时也可以充当接受线圈。采用一发一收检测时，发射线圈和接受线圈是分离的，由于接受到的信号一般较弱，线圈中电流很小，可采用直径较小的漆包线来绕制，通过数字仿真选择合适的线圈形式和间距。2.6接受信号处理单元接受信号处理单元是EMAT的关键组成部分之一，由于接受的信号非常微弱，受外界环境噪音的影响大，通常要求对接受电压信号采用低噪声前置放大器放大、然后送到信号处理电路的接受单元，包括主放大器和滤波器。再将处理后的信号送到示波器。信号用传统的超声测厚方法来评价。2.7电子按键开关电子按键开关在系统中主要是实现EMAT测试功能之间的切换，它具有机械式按键开关的功能，但比机械按键开关结构更简单，无需复杂昂贵的模具投入，动作可靠，安装简单。本方案欲采用一种用CMOS集成电路组成的通用多位电子按键开关，它具有直接切换和自锁切换功能，适用于功能转换之间有一定间隔的场合，可以有效防止直接切换带来不良后果。3技术路线采取理论和实践相结合的方法，请教相关专家和同仁。在前人的研究成果和设计经验的基础上，基于EMAT的物理原理，建立新型EMAT的数学模型，进行数字仿真计算，构建硬件系统和信号发生与接受电路，同过不反复的性能测试对系统的设计进行优化，以期达到最佳的测试性能，从而做作出样机，取得预期的研究成果。７拟解决的关键问题1）基于EMAT的物理原理，结合新型建立更有效的数学模型；2）新型EMAT的功能转换的电子按键开关电路的设计；3）通过测试选择最佳静磁场强度和激励信号频率，提高装置的测试性能。项目的特色与创新之处基于电磁超声换能器的的工作原理，通过改变电磁铁的结构和采用印刷电路技术，研制出综合电磁超声检测的多项功能的新型电磁超声换能器，使其应用于多种测试场合，满足多种检测需求。预期成果形式1新型电磁超声换能器样机1个、说明书1份、研究报告1份；2申请专利一项；3发表相关研究论文1～2篇。四、项目进度安排]项目进度安排2008年1月至3月查阅文献、制定总体研制方案；2008年4月至5月新型EMAT的实验设计；2008年6月至7月材料购置及硬件加工制作；2008年8月至9月整机装配与调试；2008年10月至11月编写样机说明书、撰写研究报告、项目鉴定。８五、经费预算申请金额资金预算清单支出款项金额（元）电子仪器700电子器件300硬件加工200耗材400交通、通讯200购买资料200总计2000六、审批意见指导教师意见导师意见９学院意见研究生科技基金管理委员会审批意见实批经费审批日期