基于电感耦合的无线超声传感器的研究

发布时间：2020-09-30 16:25

　　超声无损检测因其优良的性能,被广泛应用于缺陷检测、结构测量等方面,其中超声传感器可以实现电信号与超声波信号的相互转换,是超声无损检测的关键器件。但是随着无损检测的应用领域的扩大,人们对超声传感器的使用要求越来越高。常规的压电超声传感器在使用的时候,要花费较多的安装时间,且在对金属或者复合材料检测时,材料的磨损、腐蚀、氧化等也影响了检测的精度。为此,人们提出了嵌入式传感器的概念,以解决安装和磨损的问题。但是有线直连的嵌入式传感器会影响到材料本身的性能,因此本文基于感应耦合无线能量传输理论,对无线驱动压电超声换能器方式进行了研究。本文首先介绍了超声无损检测以及无线能量传输的发展背景和现状,介绍了超声波在介质中传播的主要传播特性,以及超声传感器中的压电陶瓷的主要性质,主要包括压电效应、电容特性、迟滞特性,接着介绍了基于法拉第电磁感应定律的无线能量传输理论,分析了耦合线圈的磁场分布,然后计算出线圈的耦合系数及能量传输效率,介绍了感应耦合线圈中的补偿技术。接着介绍了传感器的概念模型,然后基于概念模型确立了等效电路,对无线传感器的物理结构进行分析。然后运用Ansoft Maxwell软件,对传感器的物理结构的中的各个参数进行分析,讨论了耦合线圈外形、线圈间隙的距离、耦合线圈水平方向距离及是否加入铁氧体导磁材料对线圈的自感与互感系数的影响,分析了其耦合性能。然后,基于传感器结构模型,完成了电路的软硬件设计,包括驱动信号发射部分与超声波信号接收部分电路计。最后,验通过实验对无线传感器的输出性能进行了研究。与仿真相对比,讨论了耦合线圈对压电陶瓷的驱动效果,又通过实验探究了无线传感器在铝合金板中激发超声Lamb波的性能,结果验证了无线传感器激励出合适超声波的可行性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TH878.2
【部分图文】：

原理图,脉冲检测,原理

电子科技大学硕士学位论文冲检测法检测的主要方式为脉冲检测法，其原理为如图 2-1 所示能器（目前常用换能器有压电陶瓷、电磁超声换能器动信号，第二章我们知道产生的超声波传播有横波和波与纵波还会发生波形转换而变成兰姆波，超声波在位后被另一个传感器采集，超声接收换能器，将声能放大、滤波处理将传入处理器，根据接收到的声波的没有缺陷以及缺陷的位置、尺寸等信息。所以一个完形驱动、能量转换、信号检测和数据分析多个部分。

补偿方法,补偿电容

电子科技大学硕士学位论文.4.5 感应耦合线圈中的补偿技术感应耦合线圈漏感较大，因此整个电路无功功率较高，功率因数较低。对侧线圈加入合适的补偿电容，这样使感性电路与补偿电容组合成谐振电路来增大功率因数，提高能量的传输效率。按照补偿元件按照补偿电容添加回路的位置还有电容电感的连接方式不同，补偿方法有多种如图 2-8 所示。

电路图,串联补偿,电路,谐振状态

18图 2-9 单边串联补偿电路后整个电路的阻抗改变为工作于谐振状态，得出电容 C1的取值为 21 1 11 2 21MZ j L r jC j L r

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