25675

طراحي سيم‌پيچ بهينه‌ي مبدل صوتي الكترومغناطيسي (EMAT) براي آشكا‌رسازي ترك‌هاي سطحي

كارشناسي ارشد

مهندسي برق- گرايش افزاره هاي ميكرو و نانو الكترونيك

1400-1401

1400/06/23

دكتر علي صدر

مهندسي برق

مبدل‌هاي صوتي الكترومغناطيسي (EMATs) به دليل قابليت‌هاي غيرتماسي و توانايي عملكرد با وجود لايه‌هاي پوششي ويژه، ابزار فراصوت مفيدي براي ارزيابي غيرمخرب در محيط‌هاي صنعتي هستند. يك مدل المان محدود 2D در دامنه زماني در محيط نرم افزار Comsol Multiphysics(5.5) با موفقيت ايجاد و از آن براي بررسي و مقايسه سه ساختار تجاري موجود سيم‌پيچ EMAT (پيكربندي‌هاي سيم‌پيچ خطي پر پيچ‌وخم(MLC)، سيم‌پيچ حلزوني (SP) و سيم‌پيچ حلزوني نقطه عطف (SMLC) استفاده شده است. اين بخش از مطالعه در دو مرحله انجام شده است: نخستين مرحله به ترتيب جريان القايي و چگالي نيروي لورنتز توليد شده توسط سه پيكربندي EMAT را بر روي سطح ورق آلومينيومي با ضخامت 6 ميلي‌متر محاسبه مي‌كند. نتايج نشان دادند كه سيم‌پيچ SMLC در هنگام پشته ‌بندي در لايه‌ها جريان گردابي و چگالي نيروي لورنتز بيشتري توليد مي‌كند. دومين مرحله، قدرت و كارآمدي پيكربندي SMLC را بررسي ‌مي‌كند. در بخش بعدي مطالعه يك مدل المان محدود 2D جامع شامل فرستنده و گيرنده با روش ارسال و دريافت در محيط نرم‌افزار كامسول براي مطالعه¬ي چگونگي ايجاد، انتشار و تشخيص موج صوتي با SMLC EMATs بر روي موجبر نازك آلومينيومي به ضخامت 3 ميلي‌متر بر اساس سازوكار نيروي لورنتز ارائه شده است. مدل مكانيكي از تركيب مدل مغناطواستاتيك با مدل الكتروديناميك در دامنه¬ي زمان، بسط داده شده تا بتوان به مدلي دست يافت كه در آن تنها يك مُد منفرد از مُدهاي موج لمب (A0) توليد و دريافت شود. دليل انتخاب طرح EMAT سيم‌پيچ SMLCتوانايي اين پيكربندي جهت كنترل مُدپذيري با كنترل عدد موج به دليل استفاده از خواص سيم‌پيچ MLC با تعيين دوره مكاني و طراحي براساس طول‌موج مُد دلخواه و همه سويه بودن طراحي به علت طبيعت سيم‌پيچ‌هاي SP براي غلبه بر مشكلات ناشي از اسكن چرخشي و حذف درست‌نماها به دليل ماهيت خميده سيم‌پيچ بوده است. بهينه‌سازي‌ پارامترهاي طراحي به‌ منظور افزايش دامنه سيگنال دريافتي در گيرنده انجام و دامنه مُد A0 دريافتي در گيرنده با SNR بالغ بر 15 دسي‌بل بدست آمده است. هم‌چنين نشان داده شده كه با اصلاح پهناي باند فركانس سيگنال تحريك و زاويه تحريك امواج فراصوت كه توسط آهن‌رباي دائم ايجاد مي‌شود مي‌توان انتخاب‌پذيري مُدها را تا حد زيادي بهبود بخشيد و نظريات مطالعات پيشين در مورد پيكر‌بندي آهن‌ربا در توليد امواج هدايت ‌شده بسيار بستگي به ضخامت صفحه داشته و نياز به اصلاح دارد. در پايان حساسيت طرح به نقص‌هاي سطحي، داخلي و سطح پشتي موجبر بررسي و تاييد شد. مشخص شد كه طرح EMAT حلزوني نقطه عطف با تحريك امواج لمب مُد منفرد A0 جهت آشكارسازي نقص‌هاي ريز سطحي و داخلي صفحات نازك بسيار كارآمد است.

1400/09/12

Optimal coil design using Electromagnetic Acostic Transduser (EMAT) for surface defect detection

9/14/2022 12:00:00 AM

Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs) are useful ultrasonic tools for non-destructive assessment in industrial environments due to their non-contact capabilities and performance despite special coating layers. A 2D finite element model in the Comsol Multiphysics software environment (5.5) has been successfully developed to compare and contrast the three existing commercial structures of the EMAT winding, Meander Line Coil(MLC), Spiral Coil (SP) and The Spiral Meander Line Coil (SMLC) is used in this part of the study: The first step calculates the induced current and the Lorentz force density produced by the three EMAT configurations on the surface of a 6 mm thick aluminum sheet, respectively. The results showed that the SMLC coil generates more eddy current and Lorentz force density when stacking in layers. The second step examines the strength and efficiency of the SMLC configuration. In the next part of the study, a comprehensive 2D finite element model including transmitter and receiver with the method of sending and receiving in Camsol software environment to study how to create, propagate and detect sound wave with SMLC EMATs on thin aluminum waveguide with a thickness of 3 mm based on mechanism Lorentz force is provided. The mechanical model is developed by combining the magnetostatic model with the electrodynamic model over a period of time to achieve a model in which only one single mode of lamb wave (A0) modes is generated and received. The reason for choosing the EMAT design of SMLC coil The ability of this configuration to control the modularity by controlling the wave number due to the use of MLC coil properties by determining the spatial period and design based on the desired wavelength and Omnidirectional design due to the nature of SP coils to overcome rotational scanning problems And the removal of the side lobes was due to the curved nature of the coil. Optimization of design parameters has performed to increase the amplitude of the received signal at the receiver and the amplitude of the A0 mode received at the receiver has obtained with an SNR of 15 dB. It has also been shown that modifying the frequency of the excitation signal and the excitation angle of the ultrasonic waves generated by the permanent magnet can greatly improve the selectivity of the modes. And the theories of previous studies on the configuration of magnets in the production of guided waves are highly dependent on the thickness of the plate and need to be modified. At the end, the sensitivity of the design to surface, internal and back surface defects of the waveguide was investigated and confirmed It was found that the SMLC EMAT design is very effective in detecting surface and internal defects of thin plates by generation single-mode lamb A0 waves.

مبدل‌‌ صوتي الكترومغناطيسي , ارزيابي غير مخرب , گزينش مد ايده‌آل , سيم‌پيچ حلزوني نقطه عطف

EMAT , NDE , SMLC