电磁超声换能器多场耦合分析及实验研究

发布时间：2018-01-03 16:33

  本文关键词：电磁超声换能器多场耦合分析及实验研究　出处：《湖北工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：电磁超声技术是当前无损检测技术领域的研究热点和发展前沿。然而,由于电-磁-力-声多场耦合的复杂性、材料磁致伸缩效应的非线性以及有限元分析工具及计算方法的局限性,使得电磁超声传感器的换能机理研究和结构优化一直缺乏有效的方法。为此,本学位论文基于磁致伸缩材料本构方程,研究了电磁超声换能器多场耦合数值计算方法,仿真并实验分析了电磁超声传感器换能效率的影响因素及其相互作用规律。首先,分析了电磁超声检测中存在的多场耦合机制,介绍了电磁超声换能器建模过程中的基本物理方程及力-磁耦合过程,推导了不同换能器结构下的材料逆压磁矩阵,探讨了电、磁、力、声多物理场耦合的有限元计算方法。其次,基于钢板电磁超声检测传感器的结构模型,仿真研究了电磁超声的激励、传播和接收过程,并进行了实验对比验证。在此基础上,分析了电磁超声换能器中偏置永磁体几何尺寸对钢板中磁致伸缩振幅、磁吸附力大小的影响规律。再次,分析了电磁超声换能器中高频线圈激励电流的幅值、频率和脉冲个数以及线圈缠绕方式对钢板中磁致伸缩振动的影响关系。为进一步提高换能效率,优化并设计了激励电源箱与高频激励线圈、滤波放大器与接收线圈间的阻抗匹配电路,并进行了实验分析。最后,针对管道应力腐蚀裂纹等轴向缺陷检测的实际需要,建立了管道磁致伸缩T模态导波检测传感器模型,研究了管道中静态偏置磁场、动态交变磁场和磁致伸缩振动的分布规律和主要特征,分析了外加应力对磁致伸缩换能效率、导波传播特性的影响关系。
[Abstract]:Electromagnetic ultrasonic technology is a hot research and development frontier in the field of nondestructive testing. However, because of the complexity of electromagnetic-force-acoustic multi-field coupling. Due to the nonlinearity of magnetostrictive effect of materials and the limitation of finite element analysis tools and calculation methods, there is no effective method to study the energy transfer mechanism and optimize the structure of electromagnetic ultrasonic sensor. Based on the constitutive equation of magnetostrictive materials, the numerical method of multi-field coupling for electromagnetic ultrasonic transducer is studied in this dissertation. Simulation and experimental analysis of the electromagnetic ultrasonic sensor energy transfer efficiency and the interaction of factors. First, the electromagnetic ultrasonic detection of the existence of multi-field coupling mechanism. This paper introduces the basic physical equation and the force-magnetic coupling process in the modeling process of electromagnetic ultrasonic transducer, deduces the material inverse pressure magnetic matrix under different transducer structure, and discusses the electric, magnetic and force. The finite element method of acoustic multi-physical field coupling. Secondly, based on the structure model of electromagnetic ultrasonic detection sensor of steel plate, the excitation, propagation and receiving process of electromagnetic ultrasonic are simulated and studied. On this basis, the effect of the geometry of the bias permanent magnet in the electromagnetic ultrasonic transducer on the magnetostriction amplitude and the magnitude of the magnetic adsorption force in the steel plate is analyzed. The effect of the amplitude, frequency and pulse number of the high frequency coil on magnetostrictive vibration in the electromagnetic ultrasonic transducer is analyzed in order to improve the efficiency of energy transfer. The impedance matching circuit between the excitation power box and the high frequency excitation coil, the filter amplifier and the receiving coil is optimized and designed. Finally, the experimental analysis is carried out. In order to meet the practical needs of pipeline stress corrosion crack detection, a magnetostrictive T mode guided wave detection sensor model is established, and the static bias magnetic field in pipeline is studied. The distribution and main characteristics of dynamic alternating magnetic field and magnetostrictive vibration are analyzed. The effect of applied stress on magnetostrictive energy transfer efficiency and guided wave propagation is analyzed.
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552

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