磁致伸缩式导波检测系统设计

发布时间：2017-04-08 20:44

  本文关键词：磁致伸缩式导波检测系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：磁致伸缩式超声导波检测技术综合了电磁超声与导波检测的优点,具有非接触、无需耦合剂、传播损耗小、检测全面等特点,能够有效地应用于管道、钢索、锚杆等一类长距离轴向对称的结构圆钢的检测。特别是对于外部有包覆层的检测对象,利用铁磁性材料自身所具有的磁致伸缩特性,无需去除外包层就能够进行缺陷识别和健康状况评估。目前,磁致伸缩导波检测技术已成为我国检测技术研究的前沿与热点,大多数研究主要集中于磁声转换理论模型的建立与换能器的优化设计。本文在理解检测原理的基础上,分析了磁声换能效率,设计了检测系统并进行了相关的实验。主要研究内容如下:首先,分别论述了磁致伸缩与导波理论,并重点研究了杆中的导波,从而引出磁致伸缩导波检测原理及基于磁致伸缩效应的杆中导波的激励与接收。其次,以磁致伸缩纵向导波检测技术为主,针对电磁超声换能效率低的关键问题,以提高换能效率为目的,分别从构成换能器的三部分(磁致伸缩材料、偏置磁场、感应线圈)进行分析,实现换能器结构设计。再次,针对磁致伸缩换能器设计了检测系统,包括硬件电路与软件系统部分。激励端能够提供一个频率、周期数、触发间隔可调的汉宁窗调制单频窄脉冲信号,输出功率可达将近40W。接收端为了很好的抑制噪声前级采用了差分设计,电路总体增益为120dB,能够将微伏级回波信号进行足够放大,实现数据采集。最后,利用设计的换能器与检测系统对磁致伸缩材料进行检测,磁致伸缩换能器的工作频率实现300kHz~1MHz扫频测试。通过信号处理技术对回波信号进行分析处理,提高检测结果精度,并与理论值做对比,分析误差范围,验证系统的可行性与实用性。
【关键词】：磁致伸缩 导波检测 换能效率 检测系统 回波分析
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274.53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 导波技术研究现状12-13
• 1.2.2 磁致伸缩导波检测技术研究现状13-14
• 1.3 本课题研究的主要内容14-16
• 第2章 磁致伸缩式超声导波检测技术基本理论16-25
• 2.1 磁致伸缩基本理论16-18
• 2.2 导波基本理论18-20
• 2.2.1 群速度和相速度19-20
• 2.2.2 多模态和频散20
• 2.3 杆中的导波20-24
• 2.3.1 杆中的导波模态20-22
• 2.3.2 基于Disperse的杆中导波分析22-24
• 2.4 磁致伸缩式超声导波检测原理24-25
• 第3章 磁致伸缩导波换能分析研究25-39
• 3.1 磁致伸缩导波动力学模型25-26
• 3.2 磁致伸缩材料的选择26-28
• 3.2.1 1J22概述26-27
• 3.2.2 1J22材料特性27-28
• 3.3 偏置磁场分析研究28-33
• 3.3.1 激励端偏置磁场分析28-30
• 3.3.2 接收端偏置磁场分析30-31
• 3.3.3 偏置磁场结构设计31-33
• 3.4 激励与接收线圈分析研究33-37
• 3.4.1 两端自由的棒的振动33-34
• 3.4.2 激励与接收线圈34-37
• 3.5 换能器结构设计37-39
• 第4章 硬件电路设计39-53
• 4.1 硬件电路总体设计方案39
• 4.2 阻抗匹配39-40
• 4.3 激励电路40-44
• 4.3.1 激励源信号合成电路41
• 4.3.2 差分/单端转换电路41-42
• 4.3.3 低通滤波电路42
• 4.3.4 中间放大电路42-43
• 4.3.5 功率放大电路43-44
• 4.4 接收电路44-47
• 4.4.1 限幅电路44
• 4.4.2 前置放大电路44-45
• 4.4.3 带通滤波电路45-46
• 4.4.4 主放大电路46
• 4.4.5 数据采集电路46-47
• 4.5 USB通信47-50
• 4.5.1 读USB模式48-49
• 4.5.2 写USB模式49-50
• 4.6 硬件电路设计实现50-53
• 第5章 系统软件设计53-61
• 5.1 FPGA程序设计53-55
• 5.1.1 激励信号源模块53-54
• 5.1.2 数据采集模块54
• 5.1.3 USB通信模块54-55
• 5.2 上位机程序设计55-61
• 5.2.0 上位机软件系统总体设计方案55-56
• 5.2.1 设备检测模块56-58
• 5.2.2 参数设置模块58-59
• 5.2.3 数据采集模块59-60
• 5.2.4 图形显示模块60-61
• 第6章 实验研究61-66
• 6.1 磁致伸缩检测实验系统61-62
• 6.2 实验结果分析62-66
• 第7章 总结与展望66-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士期间发表论文及成果72-73
• 致谢73-74

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