基于刀型Terfenol-D的超磁致伸缩传感器的研制及其激励实验研究

摘要

随着全球社会经济的发展，管道运输由于具有运输量大、连续性好、安全系数高、成本低等优点在五大运输方式中担任着不可或缺的角色。然而随着管道使用时间的过长，且由于环境及人为的影响，管道会出现不同程度和不同形式的损伤，包括划痕、破损、腐蚀等。管道的这些损伤会带来极大的能源浪费和经济损失，更为严重的是可能会造成人身伤亡事故，因此，管道检测尤为重要。　　由于常规的检测大多采用逐点检测的方法，检测速度慢，检测距离较短且效率低，而超声导波检测技术具有传播距离长，衰减小，检测效率高等优势越来越受到重视。在超声导波检测中，目前被用于管道检测最常见的传感器是压电式传感器，其敏感元件采用PZT，由于该材料的机电耦合系数较低，能量转化效率较差限制了检测距离。与PZT材料相比，超磁致伸缩材料Terfenol-D具有较高的机电耦合系数及能量转换效率，因此本文将超磁致伸缩材料Terfenol-D作为传感器的敏感元件，由于检测时需要与管道任意表面耦合，一般的长方体和圆柱状的振动元件无法满足。因此，本文将Terfenol-D设计成一种类似刀型的结构，能实现与管道任意表面耦合。　　采用理论与实验研究相结合的方式对超磁致伸缩传感器的内部组件进行了设计，并研究了传感器内部组件的主要参数对激励效果的影响，本文主要的研究工作和成果包括：　　1）为了研究传感器内部组件的各项参数对激励效果的影响，建立了管道检测实验系统，运用传输线法对传感器的内部各项参数进行实验研究，测试超磁致伸缩传感器的激励性能。　　2）为了使Terfenol-D传感器能适用于管道任意表面检测，采用模拟软件分析了刀型和长方体结构的Terfenol-D在相同信号下的振动情况，由于刀型结构存在其他方向的微小振动，本文配置了一种吸波材料，采用理论计算及实验的方式分析了背衬层的位置及厚度对激励信号的影响。　　3）对Terfenol-D传感器的激励幅值及信噪比两个方面进行研究，设计了偏置磁场及提供交变磁场的驱动线圈，采用实验的方式分析了线圈的各项参数及永磁铁对激励信号的影响规律。利用研制的刀型Terfenol-D超磁致伸缩传感器与电陶瓷传感器进行激励试验，分别从激励幅值、回波系数及定位精度进行了对比分析，研制的刀型Terfenol-D超磁致伸缩传感器激励性能具有突出的优势。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 磁致伸缩及导波理论

2.1磁致伸缩原理及材料性能

2.2 超声导波检测理论

2.3 本章小结

第三章 超磁致伸缩导波激励传感器的研究

3.1 管道超声导波实验系统

3.2 Terfenol-D材料结构分析

3.3 驱动磁场

3.4 偏置磁场

3.5 吸波材料的研究

3.6 Terfenol-D传感器的封装

3.7 本章小结

第四章 Terfenol-D传感器与压电陶瓷传感器的激励对比实验研究

4.1 管道特征的轴向定位方法

4.2 超磁致伸缩传感器与压电陶瓷传感器的激励性能对比

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果