基于Terfenol-D的管道超声导波激励换能器的研制

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。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1论文研究的目的和意义

1.2国内外导波研究现状

1.3 超磁致伸缩材料的国内外研究现状

1.4本课题来源及研究内容

第二章 超声导波基本理论

2.1超声导波的概念

2.2导波的群速度和相速度

2.3导波的多模态和频散现象

2.4圆管中的导波

2.5本章小结

第三章 超磁致伸缩材料振动机理

3.1磁致伸缩效应

3.2超磁致伸缩材料的性能特点

3.3超磁致伸缩材料的工作特性

3.4本章小结

第四章 导波激励换能器的总体设计

4.1Terfenol-D材料尺寸设计

4.2偏置磁场

4.3交变磁场

4.4 夹具设计

4.5 本章小结

第五章 导波管道缺陷检测系统

5.1导波管道缺陷检测系统的总体过程

5.2激励信号的选取与传递

5.3信号的接收放大与采集

5.4软件处理

5.5本章小结

第六章 实验结果处理和结论

6.1缺陷位置计算方法

6.2超声导波激励换能器的比较

6.3缺陷定位精度

6.4Terfenol-D激励与PZT材料激励的比较

6.5本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它科研成果