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基于磁致伸缩效应的导波管道缺陷检测系统设计研究

作　者: 陈福梁
导　师: 杨世锡
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 磁致伸缩纵向导波传感器优化设计管道检测系统
分类号: TH878
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

管道输送在工业及能源运输体系中具有重要地位,管道中缺陷的存在会对管道运行造成隐患,不仅容易发生泄漏,甚至发生爆炸,造成巨大的经济损失,而且会导致环境污染,甚至威胁人类生命安全。磁致伸缩导波管道检测不仅检测效率高,而且具有非接触检测、提离距离大以及可在高温下工作等优点,近年来受到广泛关注。导波传感器是导波管道检测实现的基础和关键,而纵向导波传感器对管道周向缺陷具有很好的检测灵敏度,在低频范围内具有良好的检测效果,开展基于磁致伸缩效应的纵向导波传感器及管道缺陷检测系统的设计研究对促进导波管道缺陷检测技术的推广应用具有重要意义。本文对磁致伸缩纵向导波传感器激励/接收导波的过程进行了理论研究,在此基础上设计并制作了管道磁致伸缩纵向导波传感器,设计了采用智能扫频猝发信号源及高压宽带功率放大器的管道缺陷检测系统,对基于磁致伸缩效应的纵向导波传感器及管道缺陷检测系统开展了相关实验研究。论文的主要内容及其章节安排如下：第一章阐述了管道磁致伸缩导波检测的研究背景及意义,介绍了磁致伸缩导波技术的研究概况,综述了国内外关于磁致伸缩导波传感器理论建模、磁致伸缩导波的实现方法及仪器开发等方面的研究进展,提出了本文的研究内容和研究框架。第二章介绍了磁致伸缩导波基础理论,分析了基于磁致伸缩导波的管道缺陷检测系统原理,对磁致伸缩纵向导波传感器的磁声换能机理进行了研究分析,在此基础上对磁致伸缩纵向导波传感器的激发和接收过程进行理论建模,得出导波幅值与传感器输入电流和偏置磁场的关系,为后续设计研究提供理论基础。第三章设计了磁致伸缩纵向导波激励/接收传感器,研究了磁路结构参数对传感器偏置磁场强度和分布均匀性的影响,在此基础上对传感器偏置磁场进行了设计,对传感器的激励/接收线圈进行了优化,完成了传感器的阻抗匹配设计,并制作了传感器实物。第四章设计了基于磁致伸缩导波的管道缺陷检测系统,开发了智能扫频猝发信号源,提高了检测系统的效率和稳定性,针对磁致伸缩纵向导波传感器激励信号的特点设计了高压宽频功率放大器,并设计了压电阵列导波传感器,用于磁致伸缩纵向导波传感器的测试实验。第五章进行了实验研究,对所设计的磁致伸缩纵向导波传感器进行了激励/接收性能测试实验,并对无裂纹缺陷的管道进行了检测,然后对含裂纹缺陷管道进行检测实验,实验结果表明本文设计的磁致伸缩纵向导波传感器能有效地激励/接收低频L(0,2)模态纵向导波,所设计开发的检测系统可以实现对含周向裂纹缺陷管道的无损检测。第六章对全文的研究内容进行总结,并对后续的研究提出展望与建议。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 论文背景及意义  11
  1.2 导波管道检测技术研究概况  11-13
  1.3 磁致伸缩导波管道检测研究进展  13-17
    1.3.1 磁致伸缩导波传感器理论建模研究进展  13-14
    1.3.2 磁致伸缩导波管道检测实现方法研究进展  14-15
    1.3.3 磁致伸缩导波管道检测仪器开发研究进展  15-17
  1.4 论文主要研究内容  17-18
  1.5 本章小结  18-19
第二章磁致伸缩导波的理论研究  19-27
  2.1 磁致伸缩效应  19-20
  2.2 导波频散特性及激励模态的选择  20-22
  2.3 磁致伸缩导波管道检测系统原理  22-24
    2.3.1 导波管道检测系统的基本原理  22-23
    2.3.2 磁致伸缩纵向导波传感器的磁-声换能原理  23-24
  2.4 磁致伸缩纵向导波传感器激励/接收的理论模型  24-26
    2.4.1 传感器激励过程的理论模型  24-25
    2.4.2 传感器接收过程的理论模型  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章磁致伸缩纵向导波传感器的设计  27-43
  3.1 磁致伸缩纵向导波传感器的方案设计  27-30
    3.1.1 偏置磁源  27-29
    3.1.2 基本结构设计  29-30
  3.2 磁化器的设计  30-38
    3.2.1 磁化器设计变量的选取  30-32
    3.2.2 磁化器有限元仿真  32
    3.2.3 设计变量对偏置磁场强度的影响  32-35
    3.2.4 设计变量对偏置磁场分布均匀性的影响  35-37
    3.2.5 设计结果分析  37-38
  3.3 激励/接收线圈的设计  38-41
    3.3.1 激励线圈结构参数的设计  39-40
    3.3.2 接收线圈结构参数的设计  40-41
  3.4 传感器的阻抗匹配  41-42
    3.4.1 阻抗匹配的条件  41
    3.4.2 阻抗匹配的设计  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章磁致伸缩导波管道检测系统的设计  43-58
  4.1 磁致伸缩导波管道检测的系统方案设计  43-45
  4.2 智能扫频猝发信号源的设计  45-50
    4.2.1 信号源性能分析  46-47
    4.2.2 信号源设计  47-49
    4.2.3 信号源性能测试  49-50
  4.3 高压宽带功率放大器的设计  50-55
    4.3.1 功率放大器原理设计  51
    4.3.2 电路设计  51-53
    4.3.3 功率放大器制作及测试  53-55
  4.4 压电阵列导波传感器的设计  55-57
    4.4.1 压电效应及压电陶瓷选型  55-56
    4.4.2 夹具设计  56
    4.4.3 电声参数测试  56-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章磁致伸缩导波管道检测系统的实验研究  58-72
  5.1 磁致伸缩纵向导波传感器的实验研究  58-63
    5.1.1 实验装置  58-60
    5.1.2 激励传感器的实验研究  60-61
    5.1.3 接收传感器的实验研究  61-63
  5.2 检测系统的实验研究  63-68
    5.2.1 激励信号频率对传感器的影响研究  63-66
    5.2.2 传播距离的研究  66-68
  5.3 含裂纹缺陷管道检测的实验研究  68-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 研究总结  72-73
  6.2 研究展望  73-74
参考文献  74-80
攻读硕士学位期间发表的学术成果  80-81
致谢  81

基于磁致伸缩效应的导波管道缺陷检测系统设计研究

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