基于磁致伸缩效应的超声导波检测系统的设计研究

摘要

磁致伸缩导波检测技术不仅具有传播距离远检测速度快的优势，同时能在高温环境下实现大提离、非接触式检测，因此受到越来越多的关注。为实现磁致伸缩检测设备向低成本、小型化、便携化的发展，本文针对磁致伸缩导波检测系统进行了设计研究。本研究受到了国家自然科学基金(51675258，51261024，51075372)、江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ150699)、国家重点研发计划项目(2016YFF0203000)的共同资助，以磁致伸缩超声导波检测系统成品化为目标，从以下几个方面进行了研究： 首先，在确定系统的激励端即信号发生器与功放电路所需要的参数基础上，分别采用两种不同的方式设计了磁致伸缩导波检测系统的信号激励模块。一种是通过可编程门阵列利用DDS原理产生频率等参数可调的单频窄带正弦脉冲信号，对于功率放大装置是利用ADA4870芯片将相关电压提高的方式进行功率放大，该种方式可产生50W的激励信号，此种激励只可对口径较小的铁磁性试件进行缺陷检测；为了能够检测更大口径的试件，随后对信号激励模块进行了改进，采用另外一种方式对其进行了设计，第二种方式是利用可编程门阵列电路板产生两路带有死区时间的互补方波脉冲信号控制桥式功率放大电路中的MOSFET管的通断以产生幅值、频率、周期数可调的大功率方波脉冲信号，该种方式可产生1000W功率的激励信号，此种激励可对口径较大的铁磁性试件进行缺陷检测，例如大口径管道。同时对接收端中的前置放大电路、带通滤波电路的硬件电路进行了设计研究，并对相关参数进行了说明。 其次，设计研究了导波系统的软件部分，为了使可编程门阵列输出频率等参数可调的单频窄带正弦脉冲信号，根据DDS原理设计并编写了相关的程序代码，并通过试验验证了软件设计的合理性；为了对改进后的信号发生器硬件电路进行控制，随后在Quartus II软件开发平台中设计并编写了用于控制桥式电路中场效应管通断的程序，给出了设计流程图并通过试验验证了软件设计的合理性；为了能更好的接收并显示导波信号，利用labview软件设计平台编写了用于数据采集与显示的程序，并在实际检测中证明该程序设计是合理可行的。 第三，设计并制作了磁致伸缩式扭转波及纵向导波探头，随后将设计的扭转波探头应用在研制的导波检测系统中，并通过实验验证得到：在管道中所产生的导波的波速为3300 m s，实验中得到的导波波速与通过频散曲线所计算的理论波速是相符合的；根据纵向导波传感器的原理利用偏置磁铁的与漆包线设计制作了纵 向导波探头，并通过理论分析对该探头进行了改进，采用三段式线圈进行缠绕；另外为了使功放的反射功率达到最小，信号幅值增大，设计制作了应用于激励端与接收端的阻抗匹配模块。 最后，利用所搭建的磁致伸缩导波检测系统进行了相关的实验研究，分别通过发射不同的激励电压、激励频率、激励周期数的信号对试件进行超声试验，通过接收端所接收的信号进行分析导波特性；另外沿管道周向做了深度为4mm、6mm的裂纹缺陷并用纵向导波探头对其进行了检测。根据实验结果可得：随着激励电压的增大，接收端的超声信号也会随着增大；随着激励信号的周期数变多，接收端的导波信号的幅值更大但是波包会相应的变宽，并非周期数越多越好，2~8个为宜。该实验过程表明了磁致伸缩导波检测系统的设计是合理的。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2基于磁致伸缩原理的超声导波技术国内外现状

1.3本论文研究的主要内容与创新点

第2章 硬件电路的设计研究

2.1 基于DDS原理的设计方案

2.2 基于桥式功放设计的大功率激励装置

2.3 接收电路的设计

2.4本章小结

第3章 软件编写与分析

3.1基于DDS原理的信号源软件设计

3.2基于控制桥式功放的软件设计

3.3基于labview设计的显示界面

3.4本章小结

第4章 对超声检测探头模块的设计与优化

4.1基于磁致伸缩式的扭转波探头的设计

4.2基于磁致伸缩式的纵向导波探头的设计

4.3关于激励线圈与接收线圈的设计

4.4阻抗匹配的原理与设计

4.5 本章小结

第5章 实验及分析

5.1 激励条件对导波信号的影响

5.2 利用纵向导波对带有裂纹缺陷的管道进行检测

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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