一种磁场优化结构电磁超声传感器设计*

为了进一步增强电磁超声检测技术在管道厚度测量领域的检测能力,该文对电磁超声传感器(EMAT)的结构进行了优化。提出了多磁铁对称分布型EMAT,能实现更小的磁铁体积,产生更强的表面剩磁强度。采用在硅钢表面开槽的方式限制涡流形成的区域,解决了涡流对测量的影响。建立厚度测量实验系统,对比出单磁铁型与多磁铁对称分布型EMAT在不同提离距离上检测信号的变化规律。结果表明,多磁铁对称分布型结构可通过增强EMAT的偏置磁场达到信噪比更优的效果。采用耐高温探头外壳和钐钴磁铁,提高了EMAT探头在高温环境下的检测性能。     

电导率各向异性金属薄板感应式磁声图像的仿真

为了给金属薄板感应式磁声(MAT-MI)成像算法的研究提供数据源,提出一种电导率各向异性金属薄板表面MAT-MI图像的数值仿真方法。建立含缺陷的电导率各向异性金属薄板仿真模型,并将其置于静磁场中。将通入交变电流的折线线圈置于金属薄板上方,对金属薄板在静磁场和交变磁场共同作用下产生的感应涡流以及声源(即洛伦兹力)进行数值仿真,得到金属薄板表面波位移分布的灰度图像。仿真实验结果表明,根据表面波位移在缺陷处迅速衰减的特性,可从图像中准确地识别并定位金属薄板表面的缺陷。忽略金属材料的电导率各向异性会降低成像质量,进而导致对缺陷的误判。通过提高表面波位移信号的信噪比可改善成像质量。减小提高距离或增大激励电流频率,可提高系统对微小缺陷和不规则缺陷检测的分辨力。      

铁磁材料对永磁体磁场分布的影响及悬浮测试

为了研究铁磁材料对永磁体磁场分布的影响，以纯铁与钕铁硼永磁体为研究对象，对添加纯铁后不同组合永磁体磁场进行了测试。结果表明：对直径为80 mm厚度为5 mm的纯铁及边长为10 mm的方形永磁体而言，当纯铁底部永磁体对称排列时，纯铁上表面磁场呈规律性的均匀分布。当永磁体数目为9,边缘距为0时，纯铁上表面中心磁场较大，分布均匀度较高；当纯铁侧面固定永磁体时，组合体表面磁场增强，但增幅不同，表面磁场值越大，磁场增幅越小，磁场均匀度降低；随着距组合体表面高度的增加，纯铁表面中心磁场逐渐减小，磁场均匀度先减小后增加。另外，利用超导样品对均匀区磁场进行了磁悬浮测试，表明该结构实现磁场均匀化的可行性，对后续超导块材平面运动控制的研究具有重要意义。     

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应

根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.     

电流环支承的超导球表面磁场计算

本文基于磁荷模型采用解析方法推证出电流环在超导球表面产生的磁场分布.首先不考虑超导球的抗磁性,由Biot-Savart定律计算出电流环在球面产生的磁场.再根据Meissner态超导体的边界条件,并基于磁荷模型计算出超导球的感应磁场.将电流环产生磁场与超导球的感应磁场叠加得到超导球表面的合磁场.     

电子束二极管脉冲磁场的涡流分析及抑制

针对强流脉冲电子束二极管金属表面涡流引起的器件内部磁场分布不均、电子束辐照材料表面处理效果不佳等现象,提出了多板钢联接式内壁与玻璃外壁相结合的双层结构设计。基于有限元仿真软件对电子束系统的磁场与涡流进行了数值计算,分析了涡流的影响因素和涡流对于电子束源磁场的影响。通过数值计算表明,设计的新型介质壁结构能有效降低涡流对于电子束的影响。该分析为消除感应涡流对真空二极管内部磁场的影响提供了理论依据,具有良好的参考价值。     

磁约束磁控溅射源的磁场设计

磁控溅射镀膜机中的磁场分布对靶材利用率有着重要影响。为了提高磁控溅射源的靶材利用率,设计组抛弃了传统的"跑道环"形式的磁场设计理念,而是将永磁体或电磁体分置溅射靶的两侧,使其在溅射靶表面上方产生磁约束(磁镜)磁场。本设计使用有限元分析方法对磁场进行仿真计算,通过模拟磁场计算结果和实测结果的比较,验证有限元方法的可靠性。Ansys有限元分析软件对磁场分布进行仿真模拟,大大简化了计算并缩短了设计周期。通过实验验证,磁约束磁场大大提高了靶材的利用率。     

HT-7托卡马克低杂波天线的涡流及电磁力分析

用有限元方法详细分析并计算了HT 7超导托卡马克等离子体实验装置上低杂波天线壁上的涡流分布、感应磁场位形和天线所受电磁力.针对难以求解的磁场耦合问题,采用了新的迭代算法.具体的分析方法和计算结果对于研究复杂电磁环境下金属板上的涡流及其所受电磁力的分布具有一定的借鉴价值.     

表面缺陷的方向性对漏磁场分布的影响

由于漏磁检测(MFL)具有操作简单、成本低廉、信号稳定等特点,已被广泛应用于铁磁材料的无损检测.在MFL领域,实现缺陷评估的关键是对漏磁信号与缺陷几何特征之间的关系进行准确描述.本文建立了一个任意方向的表面缺陷漏磁场分布的三维数学模型.首先,将表面缺陷近似为一个有限长的矩形槽来进行描述;然后,从理论上分析了不同缺陷方向下槽壁磁荷密度的变化规律;最后,通过矢量合成得到了有向缺陷的漏磁场分布.开展了仿真和实验,对缺陷在不同磁化方向下的漏磁场分布进行了分析.实验结果表明,缺陷的MFL分布与方向性密切相关.随着与磁化方向夹角增大,缺陷漏磁场水平分量亦增加,单峰性也越突出;但垂直分量却随夹角的增大而呈现双峰分布.所建模型能有效地描述缺陷的方向性对漏磁场分布影响,对优化MFL检测器设计和提高缺陷评估质量有实际指导意义.     

基于PID算法的磁场闭环控制技术研究

已有的束流磁场控制方法大多采用开环的方式,即根据磁场需求直接设置磁铁电源输出的电流或电压值.但开环状态的磁场在现场噪声以及磁铁自身涡流效应的影响下,极容易发生偏移.针对此问题,设计了基于PID算法的磁场闭环控制系统.该系统以偏转磁铁为控制对象,使用霍尔传感器获取磁场值作为反馈,磁铁电源励磁电流的输出作为控制系统的输入量...     

铜壳涡流磁场的实验研究

本文介绍了模拟等离子体电流环电流在HL-1装置铜壳的1/4段上感应的涡流,在等离子体区产生的磁场大小、分布和时间特征的测量结果.涡流产生的垂直场随着等离子体电流环水平位移和电流上升率的增加而增加,而且在空间各点的大小和衰减时间常数都不相同。极向缝隙使涡流产生的垂直场和水平场沿大环方向呈周期性变化,环向缝隙对垂直场没有影响,但是却大大减弱了涡流产生的水平场。     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

基于面磁荷密度的金属磁记忆检测正演模型

磁偶极子理论在金属磁记忆检测正演分析中得到了广泛应用,但是现有模型中的磁荷密度多为假设值,且假设磁荷在缺陷断面或应力集中区域呈均匀分布或线性分布,无法实现磁记忆信号的准确定量分析.针对上述问题,本文在结合力磁耦合理论、磁荷理论和有限元方法基础上,将试件离散为有限多个微小单元,假设单元内部磁特征参数分布均匀,建立了单元应力、磁化强度与磁荷密度之间的关系,构建了能够考虑应力不均匀分布对磁荷密度分布影响的金属磁记忆检测正演模型.与实验结果对比发现,本文建立模型无论是定性还是定量上都能很好预测磁记忆信号变化规律;在此基础上,对比了应力集中和宏观裂纹表面磁场分布的差异,并以裂纹缺陷为例,详细讨论了裂纹缺陷尺寸参数对磁记忆信号及其特征参量的影响规律.理论分析表明,本文模型可为定量分析磁记忆检测过程中缺陷附近磁场变化规律提供新的理论模型.     

导体棒在磁场中运动问题归类例析

电磁感应中的力学问题,常以导体棒在磁场中运动的形式出现.导体棒在导电滑轨上运动,切割磁感线,产生感应电动势,使闭合回路中产生感应电流,导体棒受到安培力作用而使运动状态发生变化.因此感应电流与导体棒的加速度是一种相互制约的动态变化关系,最终导体棒达到某种稳定状态.下面结合具体实例对这种问题归类解析.     

利用激光引发的热透镜效应无损检测固体薄片中的深度缺陷

本文介绍利用激光引发固体薄片表面的热透镜效应无损检测固体薄片深层缺陷的理论分析和反射偏转法.面扫描信号通过计算机处理,以三维象或灰度象显示出深层缺陷,实验结果表明:缺陷的检测深度随泵浦光调制频率的增加而减少,利用相位信号,检测的深度比利用幅值信号的更深,和理论分析相一致.     

脉冲磁场下超导体的失超磁场

用脉冲磁场测量了Nb_3Sn螺旋形样品和U形样品的失超电压,发现在失超电压出现前均存在干扰电压信号。根据对这种干扰信号或因的分析和理论计算,找到了这种干扰信号的来源,对螺旋形样品主要是样品的温升;对U形样品则是外磁场变化所产生的感应。通过理论分析找出了确定失超磁场的方法。     

磁体与非磁性运动导体相互作用之讨论

通过分析磁体与非磁性运动导体间的相互作用,发现了一种由非磁性运动导体驱动永磁体转动的非接触驱动方式.从分子环流模型出发,利用毕奥-萨伐尔定律,给出了所用矩形永磁体的磁场分布解析表达式,对运动导体处于永磁体下方5 mm处时永磁体的受力做了定量计算.对相互作用中的磁悬浮效应做了新的解释,澄清了PASCO公司对"磁悬浮实验装置"中由电磁感应产生的物理现象在原理解释上的模糊之处.     

基于FPGA的CMP电涡流终点检测装置设计

为实现对晶圆表面金属层的化学机械抛光（CMP）过程中的终点检测和对抛光速率进行监控的要求,设计了一种基于电涡流测量原理的测量装置。该装置以FPGA器件作为控制核心,由其控制高速D/A转换器生成正弦交流信号,并驱动测量电桥。由于测量线圈产生的交变磁场在晶片金属薄膜上产生电涡流,引起测量线圈的阻抗发生变化。通过测量相应的阻抗变化产生的信号,可以计算出相应的晶片表面金属薄膜的厚度。实验表明该装置可以满足对晶圆表面100～1000nm厚度金属层的测量要求。     

可压缩涡流场中空泡运动规律及声辐射特性研究

基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考. 关键词： 可压缩 涡流场 空泡 声辐射     

超导磁体剩余磁场对软磁材料测试的影响

超导磁体体积小,能够获得强磁场,磁场稳定度、均匀度很高,因此,在磁学测量设备中应用很广泛.美国Quantum Design公司的高精度磁学测量系统采用的就是超导磁体,最高磁场能够达到7 T.由于超导磁体材料本身缺陷的钉扎作用,在磁体退磁后,磁体内部有剩余磁场,有时能够大于30 Oe.由此产生的磁场误差将导致测试的矫顽力、剩磁等数据不准确,甚至导致反向的磁滞回线.设置的磁场初始值不同,剩余磁场的大小也不同;初始磁场越大,剩余磁场越大.这种剩余磁场效应在软磁材料测试过程中表现得尤为明显,产生的测试误差不可忽略,必须进行磁场误差修正才能得到正确的结果.本文阐明了超导磁体产生剩余磁场的原因、影响因素和规律,详述了测试软磁材料可能遇到的问题,并给出解决方法.