基于驰豫单晶的压电导波换能器的研制及接收试验研究
发布时间：2020-11-11 18:35
管道超声导波检测具有传播距离远、检测效率高和无需大面积去除包覆层等优点,成为了管道无损检测领域的研究热点。超声换能器作为检测系统的主要组成部分,其性能的优劣直接影响检测的效果。目前通常采用压电陶瓷作为超声换能器的致动材料,但新型的驰豫单晶材料具有更高的压电性能,具有很大的发展潜力。因此研制驰豫单晶超声换能器对于提高管道缺陷的检出率和检测效率具有很大的现实意义。本文主要通过试验研究了驰豫单晶换能器结构中的匹配层、背衬层及换能器的封装方法等对接收信号回波系数、信噪比和始波拖尾时间等性能的影响。通过Matlab数值模拟研究了换能器的输入阻抗随频率的变化关系。并对比了传统压电陶瓷换能器和驰豫单晶换能器的接收效果。本文的主要研究工作和成果包括:(1)建立了管道导波检测系统,根据频散曲线确定换能器激励的导波模态,并制定了驰豫单晶换能器性能的评定标准。通过Ansys模拟研究了不同尺寸下驰豫单晶片的接收幅值,结果表明,当驰豫单晶长度达到20mm后,随着驰豫单晶长度的增加,接收信号幅值增长缓慢,综合分析后采用20mm驰豫单晶作为最终尺寸。(2)根据推导的声强透射率公式研究了不同材料声阻抗和不同材料厚度作为匹配层时的声强透射率变化规律。结果表明,声强透射率随匹配层声阻抗的增大而增大,随匹配层厚度的增大而呈现周期性变化。在匹配层厚度较小(1mm),声阻抗大于5×106Pa·s/m时,匹配层的材料和厚度对声强透射率的影响较小。考虑声波在匹配层中的衰减,通过试验研究了不同匹配层厚度对焊缝回波系数、信噪比和拖尾时间的影响。结果表明,在低频区,匹配层厚度的增加有益于回波系数的提高;在高频区,回波系数随匹配层的增大而先增大后减小;匹配层厚度增大会降低信噪比,但对拖尾时间无明显影响。(3)通过对碳化硅、环氧树脂和聚硫橡胶的不同配比,制作了四种不同的匹配层材料,并通过脉冲回波法测得了四种背衬的声阻抗;通过试验,研究了不同声阻抗材料对回波系数、信噪比和拖尾时间的影响。结果表明,当背衬层声阻抗较小时,随着背衬层声阻抗的增大,回波系数越来越小,信噪比有所提高,拖尾时间无明显变化。(4)根据驰豫单晶的三端等效网络模型和无源器件的二端等效网络模型,以及驰豫单晶的等效电路,推导了换能器输入阻抗的数值计算方法,并采用Matlab软件研究了换能器输入阻抗随激励频率和匹配层及背衬层厚度的变化规律。结果表明,输入阻抗受匹配层和背衬层厚度的变化较小,但随着激励频率的变化逐渐减小。本文采用理论分析和试验的方式研究了驰豫单晶换能器的设计,并通过试验验证了驰豫单晶换能器的整体检测性能。研究工作对于高性能驰豫单晶换能器的研制起到了有益的参考作用。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH878.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 本课题的研究背景及意义
1.2 导波换能器及驰豫单晶材料的研究现状
1.2.1 导波换能器的研究现状
1.2.2 驰豫单晶的研究现状
1.3 压电导波换能器存在的问题
1.4 本文主要研究内容
第二章 驰豫单晶导波换能器的理论研究
2.1 超声导波理论
2.1.1 超声导波定义
2.1.2 圆管中的超声导波
2.1.3 导波的频散现象及多模态特性
2.1.4 管道超声导波的基本检测模态
2.2 压电单晶的理论研究
2.2.1 压电效应及压电材料
2.2.2 驰豫单晶的重要参数
2.2.3 驰豫单晶的振动形式
2.2.4 长度伸缩振动晶体的电学模型
2.3 本章小结
第三章 驰豫单晶导波换能器的研究
3.1 管道导波试验检测系统
3.1.1 检测系统的连接
3.1.2 检测模态及试验仪器
3.1.3 换能器的整体结构
3.1.4 换能器性能的评定标准
3.2 驰豫单晶材料的尺寸对换能器性能的影响研究
3.3 匹配层对声强透射率的影响及试验研究
3.3.1 声波的透射和反射规律分析
3.3.2 匹配层材料对声强透射率的影响研究
3.3.3 匹配层厚度对换能器性能的影响研究
3.4 背衬层的声阻抗对换能器性能的影响研究
3.4.1 背衬层声阻抗的测定
3.4.2 声阻抗对换能器性能的影响研究
3.5 封装方式对换能器的性能影响研究
3.5.1 不同封装方式对换能器性能的影响
3.5.2 换能器的封装方法
3.6 驰豫单晶换能器输入阻抗的模拟研究
3.6.1 驰豫单晶的三端网络模型
3.6.2 无源器件的等效网络模型
3.6.3 影响换能器输入阻抗的因素与规律研究
3.6.4 换能器输入阻抗的试验测定与分析
3.7 本章小结
第四章 驰豫单晶换能器的接收对比试验与分析
4.1 试验数据的采集
4.2 试验数据的对比分析
4.2.1 轴向定位精度比较
4.2.2 焊缝回波系数比较
4.2.3 信噪比比较
4.3 本章小结
第五章 总结与展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果
【参考文献】
本文编号：2879580
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH878.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 本课题的研究背景及意义
1.2 导波换能器及驰豫单晶材料的研究现状
1.2.1 导波换能器的研究现状
1.2.2 驰豫单晶的研究现状
1.3 压电导波换能器存在的问题
1.4 本文主要研究内容
第二章 驰豫单晶导波换能器的理论研究
2.1 超声导波理论
2.1.1 超声导波定义
2.1.2 圆管中的超声导波
2.1.3 导波的频散现象及多模态特性
2.1.4 管道超声导波的基本检测模态
2.2 压电单晶的理论研究
2.2.1 压电效应及压电材料
2.2.2 驰豫单晶的重要参数
2.2.3 驰豫单晶的振动形式
2.2.4 长度伸缩振动晶体的电学模型
2.3 本章小结
第三章 驰豫单晶导波换能器的研究
3.1 管道导波试验检测系统
3.1.1 检测系统的连接
3.1.2 检测模态及试验仪器
3.1.3 换能器的整体结构
3.1.4 换能器性能的评定标准
3.2 驰豫单晶材料的尺寸对换能器性能的影响研究
3.3 匹配层对声强透射率的影响及试验研究
3.3.1 声波的透射和反射规律分析
3.3.2 匹配层材料对声强透射率的影响研究
3.3.3 匹配层厚度对换能器性能的影响研究
3.4 背衬层的声阻抗对换能器性能的影响研究
3.4.1 背衬层声阻抗的测定
3.4.2 声阻抗对换能器性能的影响研究
3.5 封装方式对换能器的性能影响研究
3.5.1 不同封装方式对换能器性能的影响
3.5.2 换能器的封装方法
3.6 驰豫单晶换能器输入阻抗的模拟研究
3.6.1 驰豫单晶的三端网络模型
3.6.2 无源器件的等效网络模型
3.6.3 影响换能器输入阻抗的因素与规律研究
3.6.4 换能器输入阻抗的试验测定与分析
3.7 本章小结
第四章 驰豫单晶换能器的接收对比试验与分析
4.1 试验数据的采集
4.2 试验数据的对比分析
4.2.1 轴向定位精度比较
4.2.2 焊缝回波系数比较
4.2.3 信噪比比较
4.3 本章小结
第五章 总结与展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果
【参考文献】
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本文编号：2879580
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