远程教育学院 本科生毕业论文（设计） 题目 电磁超声换能器的研究与设计 姓名与学号 朱强 714128202050 年级与专业 14秋华家池专本2班 电 气 学习中心 浙大校内直属学习中心（华家池） 指导教师 许 诺 浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）诚信承诺书 1.本人郑重地承诺所呈交的毕业论文（设计），是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。
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朱强 2016 年 10 月 29 日 论文版权使用授权书 本论文作者完全了解 浙江大学远程教育学院 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学远程教育学院 可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文。
毕业论文（设计）作者签名：朱强 2016 年 10 月 29 日 摘要 电磁超声换能器(EMAT)是一种基于电磁超声转换技术的新型电声转换器。同时，它也是一款集超声波发射、接收装置于一体的非接触型换能器。因为电磁超声波无损技术在进行作业的时候是不需要有介质耦合的，也无需对试件进行准备处理等诸多优点，故其检测时的温度可以高达1000℃，对一般的被探测的工件表面也无需经过特殊处理，可以直接进行无损处理，因此电磁超声换能器广泛的应用在超声无损检测技术领域中。
本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。
关键词：毕电磁超声换能器；
超声无损检测；
调查分析；
优化设计 目录 摘要 I 第1章 绪论 1 第2章 电力负荷理论 2 2.1电力负荷预测基本模型和方法 2 2.2模糊逻辑理论概述 2 2.3人工神经网络概述 3 2.4模糊神经网络概述 4 第3章 混合模糊神经网络相关数据处理方法 5 3.1样本负荷数据的预处理 5 3.1.1样本负荷数据的收集和处理 5 3.1.2样本负荷数据的归一化处理 6 3.2影响因素的模糊化处理 6 3.3模糊神经网络模型的设计 6 3.3.1网络层数的设计 6 3.3.2网络节点数的设计 7 第4章 负荷预测结果及分析 8 4.1预测模型计算一般步骤 8 4.2 一些注意事项 8 总结 9 参考文献 10 致谢 11 一、绪论 1.1研究研究背景 传统的超声波产生方式主要是通过压电换能器实现的，虽然它的结构设计起来比较简单，换能的效率也比较高，但是在使用的时候经常需要耦合剂作为耦合介质，而且有的时候还需要对试件进行事先的准备处理工作，而且在温度测量技术上存在诸多限制。
王仲生万小朋无损检测诊断现场实用技术机械工业出版社,2003.11~47 随着国内点次声波换能技术的不断进步，为国内超声波无损检测技术的发展指明了道路，人们将利用电磁超声转换技术来弥补传统换能技术中的不足之处。所说的电磁超声指的是通过洛伦兹力理论和磁力伸缩原理，来达成不用接触就能被激发的新型技术，相对于传统的压电超声换能器其具备以下优点：
1）可以轻易的通过改变电磁场的方向和大小，来产生不同需要的各种超声波，例如兰姆波和表面波。在对待测物体进行测量的时候通过磁电转换产生兰姆波，其产生的兰姆波是通过线扫描的方式对待测物进行大范围的快速高效率的检测，相比较传统的逐点体波扫描方式要方便很多，为测试节省了很多的时间，大大的提高了检测工作的效率，在板材无损检测方面应用特别广泛。
2）可以实现在不需要接触待测物体的前提下对待测物体进行测量，有效的避免了在待测物不方便进行预先处理的问题，也解决了在使用耦合剂时对测量精度存在影响的问题。
3）因为可以实现非接触的测量形式，所以在测量的温度上也有了大大的提高，一般可以达到上千度以上，同时对高速运动的物体的测量也是可以很方便的是实现的。
因为电磁超声换能器拥有的这些优点，决定了其在材料无损检测，运动物体运动过程中各参数的测量上的广泛应用，介于其在测量领域上存在的巨大的潜力，国内外学术界以及工程界都对其产生了浓厚的研究兴趣。为了实现电磁超声能够在工业领域上得到推广，各研究者早已对其进行了深入的研究，希望能够在电声转换效率上得到显著的提高，这样子就可以大大提高工业设计与检测上的效率，提高工业自动化水平有的非常重要的研究意义，也是学术研究确定了非常有价值的研究方向。
而电磁超声换能技术存在的非接触换能问题也让众多优秀设计师费尽了心思：
1）在能量转换的过程中，有不同能量同时转换的现象。在电磁场，力场和声场的相互作用下，换能过程变得非常的复杂，在理论上对其过程很难进行分析理解，因此只能通过实验对其进行研究设计。
2）因为经过多种能量的相互转换，导致电磁超声换能器在换能效率上非常的低，而且需要的激励电源的频率的要求还很高，因此在硬件设计上存在很大的困难。
3）超声波的回波信号的振幅比较小，与传统的压电超声换能器相比较，信噪比明显下降，幅值下降了40分贝左右，因此在设计过程中和还要对回波信号进行复杂的后期处理。因为电磁超声换能器存在的设计困难，使得目前电磁超声换能器还只能停留在实验研究阶段，还未正式进入工业测试应用当中。
《超声波探伤》编写组编超声波探伤电力工业出版社,1980.225~246 不过，随着近几年来电子科技技术的快速发展，为电磁超声换能器步入工业检测领域提供了强有力的后盾。尤其是近几年在MOSFET管工艺上的进步，MOSFET管可以实现电路大电流的通过，而且可以实现快速有效的开关动作控制，这项技术可以为电磁超声换能器提高稳定的可靠的高频高压发射回路，极大程度得提高了换能器的发射功率。另外的，随着集成电路的快速进步以及芯片封装工艺的创新优化，很多器件采用先进的集成封装形式，这样也减少了一大部分的噪声的产生，让芯片的噪声的幅度有着显著的降低，通过这些技术的改良，在一定的程度上解决了电磁换能器转换效率低的问题。所以只需要在电磁超声换能器的电路设计方面以及超声波发射端进行改进就可以让其变得更加实用化了。
1.2国内外研究进展 从20世纪六十年代开始，许多发达国家，例如英国、美国、德国、日本等早就开始了对电磁超声技术的理论以及实验进行了较为全面的研究。主要的研究方向就是针对如何提高电磁换能器转换效率低的问题进行研究。
张志刚等兰姆波的电磁超声磁致伸缩式激励及其特性[J].上海交通大学学报.2006,40(1):133~137 国内对电磁超声转换器的研究起步比起国外的相对晚一些，但是随着国内工业上对无损技术的需求的不断增加，驱使着越来越多的人投入到电磁超声技术的研究开发当中去，国内的研究队伍也随之不断扩增，经过长期经验的积累和总结，国内在电磁超声技术上已经取得了突出性的成就。不过由于起步太晚，以及在芯片制造工艺上和其他发达国家还是存在一定的距离，导致在该领域上与其他发达国家还是有不小的差距。
1.3主要研究内容 在本篇论文中主要研究电磁超声换能器的基本工作原理，主要组成部分，实验系统的组成。一些相关实验，来发现电磁超声换能的的优点与不足，尽可能的用电磁超声换能技术来代替传统技术。最后用ansys软件对的实验进行验证。再然后对做的所有工作进行总结。
二、电磁超声换能器的工作方式 2.1电磁超声换能器的发射原理和接收原理 1.洛伦兹力工作原理 图2-1-1洛伦兹力工作原理图 在电磁铁为换能设备提供磁场H的偏置磁场时，通过向激励线圈接通电力J开形成狡辩磁场hd，进而通过狡辩磁场，在导体元件外表产生涡流js，在涡流js作用下，磁场同狡辩磁场产生狡辩涡流，从而形成洛伦兹力FL。而导体试件在洛伦兹力的作用下又会出现程度较为剧烈的震动，在这样的震动，导管元件内部就会产生各种形式不一的超声波，值得注意的是，导管元件内部的超声波和交变电流超声波频率一致。
任晓可.电磁超声技术在钢板缺陷检测中的研究[D].天津天津大学.2008 电磁超声接收原理其实就是电磁超声激发原理的逆应用，当换能器接收到传播来的超声波信号的时候，超声波就会引起电磁铁附近的特殊材料的震动，因为这种物质周围充满电磁场，其受到超声波撞击后引起的震动，将在其两端感生出涡流效应，随着超声波不断地有规律的撞击，其感生的涡电流也是周期的变化的，在周期内不断变动的涡电流周围，还会出现交变磁场，从而在接收设备周围形成电动势，只要将电路连接，回路就会导通，从而就会形成电流信号，然后就将接收到的小电流信号通过放大器，经过放大器的放大，然后整流，这也就是所谓的回波信号。通过这样的一系列变换从而实现超声波信号的接收。不过在进行无数次试验后，证明了电磁超声换能的效率很低，与传统的压电超声换能器相比较要低的多，所以在接收超声波信号的灵敏度上存在很大的影响，因此，电磁超声换能器需要一个功率比较大的发射极为其提供发射所需的能量，从而减少信噪比。
电磁超声是由磁铁、线圈和被测试件这三部分组成的，实际上来说，EMAT的接收和发射是由这三部分相互影响工作的，相互影响工作过程看图2所示。
图2-1-2电磁超声的组成相互影响工作过程 2.1.2磁致伸缩力的工作原理 如果试件是由铁质材料做成，那么高频电流形成的磁场同样能够在一定时间内转变为具有磁力的试件，进而形成此致伸缩效用。此时电磁超声设备不光洛伦兹力的影响，而且受到磁致伸缩力的影响。因磁场作用力减弱而形成的磁致伸缩效用，是造成电磁超声的最重要的原因。这里所说的磁致伸缩只得是在材料磁性因各种因素发生变化时，材料的体积、外形以及长度等也随之发生转变的情况。这种转变是由磁场力大小决定的。
R.Bruce Thompson.A model for the Electromagnetic Generation and Detection of Rayleigh and Lamb Waves[J],IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonic.1973,14:340~346 其转变形式主要有三种：也就是线性磁致伸缩，体积磁致伸缩和因磁场力消退而造成的外形转变。之所以会出现磁致伸缩的情况，是因为材料温度变化，引发了自发磁化现象，造成材料内出现极大的磁畴。在不受外部磁场作用的情况下，磁畴随机排列且晶体外形不会发生变化。在受到外部磁场作用力影响时，磁畴排列形式发生转变，从由外磁场的位置转向到内磁场上，而且其晶体也会发生极大程度的变形，并造成材随着磁场作用力的方向进行延伸或者内缩。同时手激励电流磁化的影响，材料会在周期内发生变形，进而形成弹性波，而造成弹性波的诱因则是线性磁致伸缩。如果为电磁超声换能设备提供适当的磁作用力，那么洛伦兹力和磁致伸缩李就会层层相叠，并不是相互抵消。
2.2 电磁超声换能器常见的波 通过收集和总结，总结出来经常用的磁铁形状、线圈形状和磁铁与线圈搭配在一起产生的波。分别由下图所示。
图2-2-1常见磁体 图2-2-2常见激励线圈 注：L波：纵波。S波：横波。SH波：水平偏振的剪切波。SV波：垂直偏振的剪切波。
图2-2-3组合波形 三、电磁超声换能器的硬件电路设计 3.1激励电路 传统压电超声的转换率比较高，所以它对激励信号的要求就可以比较低，一般采用的是正弦脉冲信号作为激励源，因为正弦脉冲信号的信号频率单一，含有谐波的数量很少，所以产生的干扰信号也很少。但是在利用电磁超声进行换能的时候，转换率比较低，如果继续采用正弦脉冲信号作为激励源的话，将无法产生可利用的超声波，为了提高发射电路的功率，产生有用的超声波信号，一般的会采用高压脉冲信号来取代正弦脉冲信号。
张志刚,阙沛文雷华明.Lamb波与SH波双模式电磁超声检测系统的设计与实验[J].工业仪表与自动化装置.2005,2:22~24 1.信号发生电路 信号发生电路的主要作用是形成电频、一定数量且能够认为调控的脉冲信号以及脉冲信号宽度。过去的函数信号发生器功能不足，且缺乏调控波形的能力，尤其是是缺乏调控信号频率以及脉冲宽度的能力。如果通过FPGA 设备来形成脉冲信号，又很难把握死区时间。在正常的实验中，我们选用的信号发生器是德州仪器公司生产的UCC3895 移相型 PWM 控制器，如图3-1-1。这一控制最为突出的特点包括：能自主调控输出导通时间以及死区时间，还能通过单管脚实现芯片的软起动及软关闭等功能，而且对功率要求极低，最大功率要求也只有1MHz，能够保证设备的正常运转。通过图2-2我们能够直观的认识到， SS/DISB 是系统控制部件，通过这一部件，能够实现芯片的启动和关闭，只要通过SS/DISB的电压在0.5V以下芯片就会自动断开，反之则会正常启动，极大程度上便利了工作人员对STM32 的操控，工作人员只需要控制 STM32 的输出电压，就能够实现对芯片脉冲输出的控制。还可以通过 控制STM32电平时间，来控制可调脉冲数量。
图3-1-1 UCC3895芯片电路图 2.功率放大电路 上节信号在发生电路中形成了驱动信号，但其产生的功率极小，而UCC3895所输出的电流更只有 极为微弱的100m A，远远达不到电磁超声设备对电流的需求，这就要求放大驱动信号功率。本次实验的方案，是全桥逆变电路方案，如图3-1-2：
图3-1-2 全桥逆变电路图 图9UCC3895 输出信号经过 6N137顺利到达后续电路， 6N137是功率能够达到10MHz的光耦，其输出导通时间大约有50ns，其关闭所用时间大约是12ns，其所起到的主要用处是将强电、弱电进行隔离，全桥电路电压能够顺利通过驱动设备，进而影响电路的控制。使用光耦隔离具有以下几项有点：隔离耐压比较高，具有非常强大的抗干扰能力，能够随意的调节占空比等等。
3.吸收电路 激励电源采用的是高压正负脉冲信号，在正负脉冲交替转换的过程是非常的快的，所以很好容易会产生尖峰电压，一般的尖峰电压大小是与原电压的4到5倍左右，虽然存在的时间很短，就几微秒的时间，但是它的电压很大，远远大于一般开关器件的耐压范围，所以很容易烧坏电路里的开关器件。所以在电路中常常设计一个吸收电路来对尖峰波进行吸收。本研究中吸收电路主要有：RC吸收电路；
RCD吸收电路；
LC吸收电路。
4.阻抗匹配电路 为了达到最大功率输出，常常将LC回路与本极集电极电路采用自耦变压器形式来连接。从功率输入的观点来看，希望满足匹配条件，以获得最大的电压增益，但是从降低噪声的观点来看，必须是噪音系数最小，这时可能不能满足最大功率增益的条件。可以证明，采用共射级电路时，最大功率增益与最小噪声系数可以近似地同条件获得满足。而在工作频率较高的时候，则采用基极电路可以同时获得最小噪声系数与最大功率增益。为了能够使激发超声波的效率得以有效地提升，可以在接收电路以及接收线圈间，激励电路以及电磁超声激励线圈间加入阻抗匹配电路。为了能够实现阻抗匹配的目的，先要将线圈的电抗值予以明确，能够通过实际测量或者是数值计算来获得，这样阻抗的匹配主要给线圈串联或者是并联电容。电路电抗值等于零的时候则产生谐振，在这个时候便表明阻抗匹配，然而，这两种匹配仍然存在着一定的区别，发射线圈匹配后需要通过很大的电流所以适合使用串联匹配，而接收电路应该使用并联匹配。
3.2接收电路 接收回路总共是由四部分组成，它们分别是限幅电路、前置放大电路、带通滤波电路以及主放大电路。正如前面所提到的，电磁超声换能器的转换效率很低，一般产生的超声波信号很小，而且噪音污染很严重，在信号中存在很大的噪音干扰，所以在接收电路中最重要的环节就是去除信号中存在的噪音。经过一系列的转换后，就得到了稳定的，精确地回波信号，为后面的模拟分析，数字采样做了前期铺垫。
1.限幅电路 实验中使用的芯片所承受的电压是有限的，而为了提高发射功率，所以激励源所产生的高压脉冲电压很大，这样就有可能在电路导通的时候由于电压过大，使得回路的电流过大，从而烧坏芯片。为了避免这种情况的发生，实验中，在发射电路之后，需要加一个限幅电路，在不降低激励电源大小的前提下，适当降低后续电路中的电压大小，从而达到保护电路的作用。
2.前置放大电路 传感器接受到声音信号后将其转换成微弱的电信号，如果直接处理该微弱的电信号，可能会引起很大的误差，而且因为信号的幅值很小，若不经过放大电路放大，很快就会被电路中的电阻消耗殆尽。所以为了能够准确获取声音信号传递的信息，我们需要将转换后的电信号进行放大。因为属于第一级放大，如果放大时产生较大的噪音，将会对后面的电路设计造成影响，也会使得最后的结果误差很大，所以前置放大器在减少噪声方面要求很高，实验时选用的是OPA37AJ放大器，实验中前置放大器的电路图如下3-2-2所示。OPA37AJ放大器精度很高，产生的噪声低，所以很适合作为前置放大器来使用。
图3-2-2 前置放大电路图 3.带通滤波电路 回波信号本身包含着一些噪声信号，在经过前置放大器的放大，噪声信号就会被放大，对被检测信号的识别存在一定的干扰，所以我们需要一个滤波电路， 将没用的噪声信号滤除掉。根据实验数据显示，在回波电路中包含的噪声信号有热噪音信号，高频干扰信号最主要的噪声信号主要在60Hz附近，为了滤除这一段没有用的干扰信号，就需要使用一个带通滤波器。本课题实验中选用的是基于LT1568的高频有源RC滤波器，如下图3-2-3就是高频滤波器的电路图。
图3-2-3带通滤波器电路图 为了证明设计的带通滤波器是可以使用的，试验中利用模拟输入噪声信号，将信号输入带通滤波器，并在输出端取出输出的信号，与输入的信号要进行对比，实验发现，本课题设计的带通滤波器是可以使用的，效果还很好。如下图3-2-4、3-2-5就是输入的带噪声信号，和经过滤波器滤波后，得到的正弦波信号。
图3-2-4 输入的带噪声信号 图3-2-5 滤波后的信号 4.主放大电路 因为经过上几个电路的消耗和滤波，使得有用的信号大小变得非常的小，不足以后续的实验提高能量和信息，所以主放大电路的作用就是将前面经过一系列转换后得到的有用小信号放大到工作需要的幅值大小，为以后的数字采样模拟分析做前期准备工作。实验中选用的放大芯片是AD600芯片，芯片电路图如下3-2-6所示。AD600芯片是一款噪声低，频带宽，放大倍数大的放大芯片，除了具备一般放大芯片具有的功能外，AD600还具有随输入信号幅值变化而产生不同的电压增益，所以不至于产生当输入信号过大或者过小时，放大出来的信号相差太大。因此AD600芯片非常的适合超声回波电路的信号处理。
图3-2-6 AD600芯片放大电路 AD600芯片的2、3引脚作为正负输入端，14引脚作为输出，VCC是13引脚，它的正常工作电压为5V增益在20倍频到30倍频可调。MC1403D为它的工作提高参考电压。
四、电磁换能器的实验研究 4.1兰姆波激发试验 对于薄板中存在的缺陷，可以利用兰姆波来进行准确的检测，可以利用用电磁超声探头来进行相关的实验，表4-1为实验参数。
表4-1兰姆波激发实验参数 名称 数值 钢板长度 800mm 钢板宽度 300mm 钢板厚度 16mm 探头频率 300KHz 图4-1为实验结果，从第 2个波包伊始为超声波形从，头波波峰到首个超声波峰的时间间隔是 117 s，超声波波速为4273.5m/s。在实验过程之中，超声频率为 300KHz，板的厚度是16mm，两者的乘积是 4.8MHz/mm，通过对兰姆波群速度与频厚积间的关系曲线进行查阅可知，该条件下兰姆波波速为 4400m/s，从而比较充分地说明了产生为S1型兰姆波。
图4-1 兰姆波波形示意图 4.2表面波激发试验 对于厚板的表面以及近表面的缺陷，可以通过表面波予以准确地检测，表3-2中的数据为利用电磁超声探头产生表面波的实验参数。
表4-2表面波激发实验参数 名称 数值 钢板长度 600mm 钢板宽度 400mm 钢板厚度 60mm 探头频率 300KHz 这个时候利用激励兰姆波时的探头配置，不产生回波，这就表明，在厚板里面，兰姆波无法满足传播条件，无法获得兰姆波。把磁场旋转90度，便接收到如图4-2显示的超声波。头波中心到首个超声波峰间的时间间隔是98 s ，发射探头与接收探头间的距离为是 270mm，超声波波速是 2755.1m/s，与钢板里面表面波波速相吻合，从而充分地说明探头所激发的为超声表面波。
图4-2表面波波形示意图 总结 本研究主要是对电磁超声换能器的工作原理进行研究以及在现有的电磁超声换能器的基础上对其进行优化设计。结合国内外发表的文献为研究基础，对电磁超声换能器的研究现状进行调查分析，总结电磁超声换能器各参数对其转换效率的影响，针对现有研究中的不足对其进行优化设计。本研究中对电磁超声换能器在无损检测应用中的原理进行了大量的实验研究与分析。通过对激励电路、接收电路的分析改进，得到的电磁超声波换能器能够完成基本的检测操作。
参考文献 [1]王仲生万小朋无损检测诊断现场实用技术机械工业出版社,2003.11~47 [2]《超声波探伤》编写组编超声波探伤电力工业出版社,1980.225~246 [3]张志刚等兰姆波的电磁超声磁致伸缩式激励及其特性[J].上海交通大学学报.2006,40(1):133~137 [4]任晓可.电磁超声技术在钢板缺陷检测中的研究[D].天津天津大学.2008 [5]R.Bruce Thompson.A model for the Electromagnetic Generation and Detection of Rayleigh and Lamb Waves[J],IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonic.1973,14:340~346 [6]K.Kawashima.Quantitative Calculation and Measurement of Longitudinal andTransverse Ultrasonic Wave Pulses in Solid.IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics.1984,32(2):83~87 [7]张志刚,阙沛文雷华明.Lamb波与SH波双模式电磁超声检测系统的设计与实验[J].工业仪表与自动化装置.2005,2:22~24 [8]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[D].上海上海交通大学,2005 [9]张勇等用于无损检测的电磁超声换能器研究进展[J].无损检测.2004,6：275-280 [10]朱红秀吴淼刘卓然用于钢管缺陷检测的电磁超声传感器优化设计研究[J].仪器仪表学报.2006,27(12):1734~1737） 致谢 整个毕业论文顺利撰写完，顿时感觉很轻松，很有成就感。回想这刚过去的几个月毕业论文撰写，第涌入眼前的次就是辛苦。为了写毕业论文，经常每天十多个小时的泡在图书馆，查阅资料，询问学姐，向老师请教。所以这一份毕业论文能够顺利写完，也是对我四年大学生活的总结。
我还要感谢论文撰写过程中给我提供过帮助的学长，同学。他们给我在论文撰写过程中遇到的问题，都提供了帮助和意见。对于我的论文的顺利完成，功不可没。在此，也要诚挚地说一声，谢谢。
最后，我要向我的父母衷心地说一声谢谢。
向在我毕业论文中给过我帮助的所有人，再次说声谢谢。
