基于Terfenol-D的管道超声导波激励换能器的研制

发布时间：2017-09-18 17:46

  本文关键词：基于Terfenol-D的管道超声导波激励换能器的研制

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【摘要】：随着经济社会的发展,管道运输正起到越来越重要的作用。然而由于现役管道往往服役了较长时间且处于野外,这导致腐蚀严重且难以监管,管道缺陷逐渐成为一个需要重视的问题。传统的无损检测技术大多是采用单点检测,其过程费时费力,效率很低。而超声导波检测是通过在管道中激励出导波来进行检测的,当传播的导波遇到缺陷时会产生波包,通过对回波信号进行检测,可以获得数十米的管道上的缺陷信息。在超声导波检测中,激励换能器的性能限制了检测的距离。目前,常用于管道超声导波检测的激励换能器是以PZT材料为敏感元件,但由于该材料的机电耦合系数较低,能量转换效率较差,这限制了对管道一次检测的距离。而与PZT相比,超磁致伸缩材料Terfenol-D具有较高的磁致伸缩系数和能量转化效率,且由于是通过线圈激励,所需的负载电压较小。目前,较少有关于将超磁致伸缩材料用于管道导波换能器开发的报道。因此,本文将致力于研究高性能的基于Terfenol-D材料的管道超声导波激励换能器。(1)对超声导波的理论和超磁致伸缩材料的振动机理进行研究,为换能器的设计打下理论基础。(2)对基于超磁致伸缩材料Terfenol-D的管道超声导波激励换能器进行设计,通过对Terfenol-D的尺寸、偏置磁场、线圈几何参数和夹具等参数进行优化,从而设计出性能优异的激励换能器。(3)建立包含了软、硬件的检测系统,通过系统来激励、放大、接收超声导波并对接收信号进行后期处理。通过对管道回波特性的提取来定位缺陷。目前所研制的超声导波激励换能器采用上表面部分耦合的激励方式,以三片?8mm×1mm钕铁硼永磁铁提供偏置磁场,以0.2mm漆包线绕制长度为13mm,匝数为150匝的线圈提供交变磁场。实验结果显示,新型的超声导波换能器对各焊缝和端面回波的幅值是PZT材料的2.8倍以上,其能量较高可检测更远的距离;对缺陷位置的检测误差小于0.04mm,基本满足缺陷定位的精度要求。
【关键词】：导波 Terfenol-D 无损检测 激励换能器 缺陷
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH878.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 论文研究的目的和意义11-12
• 1.2 国内外导波研究现状12-14
• 1.2.1 国外导波研究现状12-13
• 1.2.2 国内导波研究现状13-14
• 1.3 超磁致伸缩材料的国内外研究现状14-16
• 1.3.1 国外超磁致伸缩材料的研究现状14
• 1.3.2 国内超磁致伸缩材料的研究现状14-16
• 1.4 本课题来源及研究内容16-17
• 第二章 超声导波基本理论17-28
• 2.1 超声导波的概念17-18
• 2.2 导波的群速度和相速度18-19
• 2.3 导波的多模态和频散现象19-21
• 2.4 圆管中的导波21-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 超磁致伸缩材料振动机理28-37
• 3.1 磁致伸缩效应28
• 3.2 超磁致伸缩材料的性能特点28-30
• 3.3 超磁致伸缩材料的工作特性30-35
• 3.3.1 磁机耦合特性30-32
• 3.3.2 倍频特性32-33
• 3.3.3 磁滞损耗与涡流损耗33-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 导波激励换能器的总体设计37-56
• 4.1Terfenol-D材料尺寸设计37-42
• 4.1.1 导波模态与激励频率选取37-39
• 4.1.2 Terfenol-D材料尺寸设计39-40
• 4.1.3 Terfenol-D材料尺寸的实验测试40-42
• 4.2 偏置磁场42-47
• 4.2.1 永磁铁的选取43-44
• 4.2.2 偏置磁场的设置44-45
• 4.2.3 偏置磁场对导波影响的实验测试45-47
• 4.3 交变磁场47-51
• 4.3.1 交变线圈产生的磁场47-48
• 4.3.2 交变磁场的实验测试48-51
• 4.4 夹具设计51-55
• 4.4.1 耦合方式的设计51-53
• 4.4.2 夹具的设计53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 导波管道缺陷检测系统56-73
• 5.1 导波管道缺陷检测系统的总体过程56-57
• 5.2 激励信号的选取与传递57-59
• 5.2.1 激励信号的选取57-59
• 5.2.2 实验对象59
• 5.3 信号的接收放大与采集59-65
• 5.3.1 压电效应与振动原理60-61
• 5.3.2 接收传感器材料选取61-62
• 5.3.3 压电接收换能器的制作和布局62-64
• 5.3.4 信号放大与采集64-65
• 5.4 软件处理65-72
• 5.4.1 傅立叶变换及其Matlab实现65-67
• 5.4.2 小波降噪67-72
• 5.5 本章小结72-73
• 第六章 实验结果处理和结论73-80
• 6.1 缺陷位置计算方法73-74
• 6.2 超声导波激励换能器的比较74-77
• 6.3 缺陷定位精度77-78
• 6.4 Terfenol-D激励与PZT材料激励的比较78-79
• 6.5 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它科研成果87

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本文编号：876960