超声导波电磁声传感器的设计与应用

本书稿主要内容涉及超声导波电磁声传感器的设计及应用两大部分，分为超声导波检测原理，EMAT工作原理与结构设计，应用于管道检测的EMAT设计，应用于平板Lamb波检测的EMAT设计，水平剪切模态的EMAT设计，磁集中器式EMAT设计，共6个章节。

前言
第1章 超声导波检测原理 1
1.1 超声导波基本概念 1
1.1.1 相速度与群速度 1
1.1.2 导波特性 2
1.1.3 波结构 3
1.2 超声导波传播特性 3
1.2.1 板中的超声导波 3
1.2.2 管道中的超声导波 7
1.3 超声导波无损检测方法 13
1.3.1 自发自收法 13
1.3.2 一发一收法 14
1.3.3 激励信号 15
参考文献 16
第2章 电磁声传感器工作原理与结构设计 17
2.1 电磁声传感器工作原理 17
2.1.1 洛伦兹力机理 19
2.1.2 磁致伸缩机理 20
2.2 电磁声传感器结构配置 24
2.2.1 磁铁 24
2.2.2 线圈 26
2.3 电磁声传感器优化设计 27
2.3.1 模态选择 27
2.3.2 声场分布 28
2.3.3 频率响应特性 30
2.3.4 电磁声传感器的仿真建模 30
参考文献 31
第3章 兰姆波电磁声传感器的设计 32
3.1 A0模态电磁声传感器 32
3.1.1 传感器结构 32
3.1.2 传感器工作原理 33
3.1.3 有限元仿真 34
3.1.4 单一A0模态激励与缺陷检测 40
3.1.5 传感器性能测试 41
3.1.6 传感器结构参数优化 43
3.2 S0模态电磁声传感器 46
3.2.1 传感器结构 46
3.2.2 传感器工作原理 47
3.2.3 单一S0模态的激励和接收 47
3.2.4 传感器性能测试 48
3.2.5 传感器结构参数优化 51
3.3 双模态电磁声传感器 53
3.3.1 传感器结构 53
3.3.2 传感器工作原理 54
3.3.3 单一模态的激励和接收 55
3.3.4 传感器性能测试 57
3.3.5 缺陷检测 58
3.4 A1模态电磁声传感器 63
3.4.1 传感器结构 63
3.4.2 传感器工作原理 64
3.4.3 有限元仿真 66
3.4.4 A1模态的激励和接收 71
3.4.5 传感器性能测试 72
参考文献 74
第4章 水平剪切模态电磁声传感器的设计 75
4.1 平面螺线管阵列式磁致伸缩贴片传感器 75
4.1.1 传感器结构 75
4.1.2 传感器工作原理 76
4.1.3 单一SH0模态的激励和接收 76
4.1.4 传感器性能测试 77
4.2 柔性印刷电路板阵列式磁致伸缩贴片传感器 79
4.2.1 传感器结构 79
4.2.2 传感器工作原理 80
4.2.3 单一SH0模态的激励和接收 81
4.2.4 传感器性能测试 81
4.2.5 DT-SHMA-MPT的优化 83
4.3 周期格栅线圈电磁声传感器 88
4.3.1 传感器结构 89
4.3.2 传感器工作原理 89
4.3.3 单一SH0模态的激励和接收 90
4.3.4 传感器性能测试 90
4.3.5 PGC-EMAT的优化 92
4.4 全向型周向周期永磁铁阵列式电磁声传感器 99
4.4.1 传感器结构 99
4.4.2 传感器工作原理 101
4.4.3 有限元仿真 102
4.4.4 单一SH0模态的激励和接收 104
4.4.5 传感器性能测试 105
参考文献 107
第5章 磁集中器式电磁声传感器的设计 108
5.1 指向型磁集中器式电磁声传感器 108
5.1.1 D-MC-EMAT结构 108
5.1.2 D-MC-EMAT工作原理 109
5.1.3 D-MC-EMAT有限元仿真 110
5.1.4 单一S0模态的激励与缺陷检测 114
5.1.5 传感器性能测试 117
5.1.6 D-MC-EMAT的优化 118
5.2 全向型磁集中器式电磁声传感器 121
5.2.1 OD-MC-EMAT结构 122
5.2.2 OD-MC-EMAT工作原理 123
5.2.3 OD-MC-EMAT有限元仿真 123
5.2.4 单一S0模态的激励与缺陷检测 128
5.2.5 传感器性能测试 130
5.2.6 OD-MC-EMAT的优化 131
5.3 模态可调磁集中器式电磁声传感器 134
5.3.1 MT-MC-EMAT结构 134
5.3.2 MT-MC-EMAT工作原理 136
5.3.3 MT-MC-EMAT有限元仿真 137
5.3.4 单一S0模态与单一A0模态激励 143
5.3.5 传感器性能测试 144
5.3.6 MT-MC-EMAT的优化 147
5.4 变角度磁集中器式A1模态电磁声传感器 151
5.4.1 变角度磁集中器式A1模态电磁声传感器结构 151
5.4.2 变角度磁集中器式A1模态电磁声传感器工作原理 152
5.4.3 变角度磁集中器式A1模态电磁声传感器有限元仿真 153
5.4.4 A1模态的激励和接收 157
5.4.5 传感器性能测试 158
参考文献 159
第6章 管中导波电磁声传感器的设计 160
6.1 扭转模态磁致伸缩传感器 160
6.1.1 扭转模态MPT阵列结构 160
6.1.2 扭转模态MPT阵列工作原理 161
6.1.3 扭转模态MPT阵列的优化 161
6.1.4 单一T(0,1)模态激励与缺陷检测 163
6.1.5 频率响应特性 165
6.1.6 传感器结构参数优化 166
6.2 纵向模态磁致伸缩传感器 169
6.2.1 纵向模态MPT阵列结构 170
6.2.2 纵向模态MPT阵列工作原理 170
6.2.3 纵向模态MPT阵列的优化 171
6.2.4 单一L(0,2)模态激励与缺陷检测 173
6.2.5 频率响应特性 174
6.2.6 传感器结构参数优化 175
6.3 表面波电磁声传感器 176
6.3.1 表面波检测原理 177
6.3.2 柔性磁铁表面波电磁声传感器结构 177
6.3.3 柔性磁铁表面波电磁声传感器工作原理 178
6.3.4 柔性磁铁表面波电磁声传感器结构优化 178
6.3.5 柔性磁铁表面波电磁声传感器性能测试 179
6.3.6 柔性磁铁表面波电磁声传感器性能分析 181
参考文献 190
第7章 基于电磁声传感器阵列的金属板中缺陷成像检测 191
7.1 基于电磁声传感器阵列的概率损伤定位成像 191
7.1.1 概率损伤成像原理 191
7.1.2 缺陷成像实验 194
7.1.3 基于多种典型损伤因子的成像结果 195
7.2 基于电磁声传感器阵列的圆弧成像 200
7.2.1 圆弧成像原理 200
7.2.2 数据融合方法 201
7.2.3 缺陷成像实验 203
7.2.4 原始检测信号处理 204
7.2.5 板中缺陷成像定位检测 205
7.3 基于电磁声传感器阵列的椭圆成像 207
7.3.1 椭圆成像原理 207
7.3.2 缺陷成像实验 208
7.3.3 板中缺陷的定位检测成像结果 209
7.4 基于电磁声传感器阵列的双曲线成像 212
7.4.1 双曲线成像原理 212
7.4.2 板中缺陷成像定位检测 213
7.5 基于电磁声传感器阵列的复合成像 214
7.5.1 复合成像算法 214
7.5.2 波包分离技术 215
7.5.3 板中缺陷成像定位检测 217
7.6 基于电磁声传感器阵列的时间反转方法 219
7.6.1 时间反转过程 219
7.6.2 兰姆波时间反转聚焦和重构模型 220
7.6.3 时间反转聚焦和重构特性实验验证 222
7.6.4 基于时间反转方法的椭圆成像 225
7.6.5 基于时间反转方法的概率损伤成像算法 229
参考文献 233
第8章 基于MPT阵列的复合材料板中缺陷成像检测 235
8.1 OSHM-EMAT 235
8.1.1 OSHM-EMAT结构与工作原理 235
8.1.2 OSHM-EMAT频率响应特性 236
8.1.3 SH0模态的激励和接收 237
8.1.4 OSHM-EMAT声场分布 238
8.1.5 提离距离影响 239
8.2 双匝OSHM-MPT设计 240
8.2.1 双匝OSHM-MPT结构 240
8.2.2 双匝OSHM-MPT工作原理 242
8.2.3 双匝OSHM-MPT频率响应特性 242
8.2.4 SH0模态的激励和接收 244
8.2.5 双匝OSHM-MPT声场指向性 246
8.2.6 双匝OSHM-MPT结构优化 246
8.3 双匝OSHM-MPT阵列复合材料板中缺陷RAPID成像 249
8.3.1 复合材料板中缺陷检测实验设置 249
8.3.2 RAPID成像系数 250
8.3.3 RAPID成像差异系数计算 252
8.3.4 RAPID中阵列概率值分布 253
8.3.5 RAPID缺陷成像结果及分析 254
8.3.6 RAPID成像阈值选取 258
8.4 双匝OSHM-MPT阵列复合材料板中缺陷椭圆成像 260
8.4.1 椭圆成像实验设置 261
8.4.2 同一尺寸不同位置的模拟缺陷成像 261
8.4.3 不同尺寸不同位置的模拟缺陷成像 264
8.4.4 基于通用阈值的成像结果 268
8.4.5 复合材料板中缺陷的椭圆成像 270
参考文献 272