一种电磁超声传感器的研制

运用电磁超声检测原理研制了一种电磁超声传感器。为了使激励电源具有多种参数可调、输出功率大等特性,高频脉冲电源使用UCC3895作为信号源,IR2110作为全桥可逆电路驱动芯片。换能器结构采用永磁式磁铁与回折型线圈组合。利用Matlab绘制了铝板中兰姆波频散曲线,通过选取合适的频厚积从而在铝板中激发特定模式的超声波。通过实验证明了该传感器在铝板中能够很好地激发出超声波并且能够接收到信号。     

基于全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的铝板缺陷成像研究

板材在生产、运输或使用过程中易产生缺陷,影响板材的使用并造成安全隐患。采用传感器阵列成像技术能够直观、清晰地显示出缺陷的相关信息。SH_0模态在铝板中传播时无频散现象,波速恒定,在对信号进行处理时,不需要考虑频散特性带来的影响,有利于缺陷定位和成像。基于磁致伸缩换能机理,研制出一种能在板中激励接收SH波最低阶模态即SH_0模态的磁致伸缩贴片型传感器,并测试其全向性。以工程中应用广泛的铝板作为研究对象,运用研制的全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器布置成分布式传感器阵列。利用椭圆成像算法,实现了铝板中不同直径的模拟缺陷成像检测,探究了全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的检测能力,并基于ROC曲线设定成像通用阈值,提高了缺陷成像质量。     

基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测

制约应力波导波技术应用于长输管道损伤检测的两个主要原因是信号处理技术和导波激励技术,针对应力波频散效应和外界噪声干扰使得管道损伤检测定位精度低的问题,采用了基于子波估计的反褶积技术处理管道导波测量数据。数值模拟和试验结果均表明,该方法可以有效地抑制导波频散,提高了管道损伤检测的定位精度。针对单一激励能量有限、检测信号的信噪比低等问题,采用了编码激励技术,设计了两种不同的编码激励信号,并将其应用到管道纵向导波传播模型中。数值模拟结果表明,编码激励技术能够有效地提高管道损伤检测的抗干扰能力和分辨率。     

基于STM32的RS485总线多路超声波测距系统

研制了一种以STM32单片机作为超声波传感器控制核心及采用RS485分布式多从站布局的多路超声波测距系统的设计方案,介绍了系统的工作原理、硬件电路构成、软件设计思想及通信协议机差错控制。与传统超声波测距系统相比,该系统可更好地应用在移动机器人或智能汽车的避障系统中,可简化其控制系统的硬件及软件资源。     

高频纵向超声导波在埋于无限大介质中钢杆的传播特性

从理论上分析高频纵向超声导波在埋于无限大介质中钢杆传播的特性.根据在杆状波导中传播的超声波具有频散现象及多模态特征,选择特定频率下的单音频信号激励超声导波,使其衰减最小,能传播较长距离;能量速度最大,最先到达,从而可与其他速度较慢的模态相区别.说明此频率下的纵向模态可用来对埋于介质中的钢杆进行检测.同时建立试验系统,对直径22 mm、长度1 m的埋于水泥中的钢杆进行检测,并对结果进行时频分析,试验结果与理论分析相吻合.     

基于自动代码生成技术的智能涡轮流量传感器

分布式控制已经成为发动机控制的一个重要方向,其中智能传感器的研究具有重要的意义。文中提出了一种基于光纤和DSP硬件,适用于分布式控制的航空发动机智能涡轮流量传感器。设计了相关的硬件电路,提出了一种修正的FFT测频算法,并采用自动代码生成技术完成嵌入式软件开发,实现了高精度的燃油流量测定和CAN通讯等多种功能。与电磁涡轮流量传感器对比实验,证明了该智能传感器在保证测量精度的前提下,拓展了测量范围,提高了量程比,满足发动机的性能需求。     

频散补偿在导波缺陷形状辨识上的应用

针对超声导波具有的频散特性,导致导波缺陷检测信号波包在结构中传播时发生的展宽及衰减现象,研究了如何利用频散补偿技术对检测信号进行处理,将被频散特性淹没的缺陷信息再现,以实现缺陷形状的辨识问题.在进行实验验证的过程中,利用导波检测管道中的双槽形人工缺陷,通过改变端面加载的压电传感器位置,接收一组时域回波信号,根据波数-频率关系对导波传播过程中的频散进行补偿后,再现缺陷的形状特征.     

34km传感长度的布里渊光时域反射计的设计与实现

布里渊分布式光纤传感器是目前最具应用前景的分布式光纤传感技术之一,其关键是如何检测布里渊散射光信号,布里渊光时域反射计是其中较好的检测方式。针对布里渊散射光信号特点,应用光相干技术来检测布里渊散射光信号。具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和散射光进行相干检测,根据散射光频移特性,应用电信号处理技术取出布里渊散射光电信号,并采用偏振控制技术来抑制相干检测的偏振相干性,再经过数字信号累加和平均处理,最后得到分布式传感信号。采用光相干检测设计方案实现了布里渊时域反射计分布式光纤传感器,并进行了34km光纤的分布式应变传感实验。     

多频涡流的谱分析和缺陷分类技术研究

多频涡流检测技术是一项重要的无损检测技术,它可以有效地实现多参数检测和干扰抑制.针对普通单频涡流检测方法只能实现缺陷检测而难以实现缺陷分类的问题,提出一种采用线性调频信号激励涡流传感器和检测信号谱分析的多频涡流检测方法.该方法采用线性调频信号激励位于交流电桥中的线圈涡流传感器,放大和采集桥路输出信号进行谱分析来识别缺陷的特征.根据谱图能量的变化,可以检测出缺陷;同时,为了有效地实现缺陷分类,提出一种新的称为"谱图重心偏移"的缺陷分类方法.与传统多频涡流检测方法相比较,该方法具有检测时间短和系统成本低等优点.理论分析和试验结果相一致,验证了所采用方法的正确性.     

磁致伸缩导波激励传感器模型及输出特性

基于MsS传感器存在较低的信噪比、在外加磁场作用下非线性力磁耦合特性造成输出特性变化等问题,从铁磁性材料非线性磁弹性耦合理论及磁致伸缩导波激励传感器模型出发,建立了磁致伸缩导波产生的动力学模型。分析了偏置磁场、激励频率及激励电流对介质质点振动幅度的影响,通过有限元仿真计算方法验证了该模型分析的有效性。以该模型为基础讨论了非线性模型与线性模型对介质质点振动位移影响,进一步说明了该模型的适用性。分析表明,在考虑频散特性的情况下,为提高磁力转换效率应选择频率较低而强度较大的激励电流,且其偏置磁场应选择在质点振幅曲线中切线斜率最大的位置。     

Spectral element modeling and analysis of the dynamics and guided waves in a smart beam with a surface-bonded PZT layer

To predict ultrasonic guided waves generated by a piezoelectric transducer (PZT) in a structure accurately, the dynamic coupling between the base structure and the surface-bonded PZT must be modeled accurately and analyzed in an efficient way. For so-called smart beams, which consist of a metallic base beam and a surface-bonded PZT layer, we propose a spectral element model that has the capability to accurately predict high frequency dynamic responses and guided waves. For the spectral element model, Timoshenko beam theory is applied to both the base beam and PZT layer, and Mindlin-Herrmann rod theory is adopted to account for the effects of lateral contraction in the thickness direction of the base beam. The high accuracy of the spectral element model is validated by comparing the results of the spectral element model with conventional finite element method (FEM) results and results from the commercial finite element analysis package ANSYS. The effects of PZT-induced axial-bending coupling and structural damping on the dynamics and guided waves are then investigated using numeral simulation.     

螺旋波纹管导波检测技术的数值仿真和试验研究

为对螺旋波纹管进行缺陷检测,研究纵向模态超声导波在螺旋波纹管中的传播特性。在Abaqus仿真软件平台中构建螺旋波纹管的计算模型,得到含有环向裂纹缺陷时的仿真结果。在此基础上,采用自主研制的电磁声换能器进行试验研究。试验所用的激励信号为经Hanning窗调制的20个振荡周期的正弦脉冲,中心频率为240 kHz,采用单一传感器在螺旋波纹管中激励和接收L(0, 2)模态导波,实现对螺旋波纹管中人工裂纹缺陷的识别,分析并计算缺陷位置测量不确定度。有限元仿真和试验结果表明,超声导波技术可以实现对螺旋波纹管裂纹缺陷的检测。     

FOULING DETECTION IN FOOD VESSELS USING INTERDIGITAL LAMB WAVE TRANSDUCER

Lamb waves are used to detect fouling in food vessels. The propagation of the Lamb waves in plates exhibits many modes and dispersion characteristics, which have great influence on fouling detection. The relative distribution of the in-plane and out-of-plane displacement of the mode across the thickness of the plate will determine the sensitivity of the mode to a particular loading condition. By considering the dispersion and multi-mode characteristics of guided waves, an interdigital polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer is designed to realize the mode selection of guided waves, and a single a0 mode is used for guided wave detection. Fouling detection experiments are conducted in the laboratory using epoxy adhesive on a thin plate. Using the interdigital PVDF transducer, three fouled areas are detected. Using one of the time-frequency analysis methods, the waveforms are further processed. This also demonstrates the validity of this method of fouling detection.     

基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置

针对目前国内外普遍采用的压电超声技术在铝合金板材检测中的不足,研制了基于电磁超声导波的铝合金板材自动检测装置.设计了激发和接收导波的电磁超声换能器(EMAT),由FPGA完成电磁超声发射接收电路控制和数据采集.利用LabWindows CVI软件编写上位机程序,通过USB总线实现FPGA与上位机的数据交换,并在上位机完成数据分析和处理.研制了机械装置控制探头在铝合金板材表面折线形运动,实现整个铝合金板材缺陷的检测,并为板材在线检测装置的研制打下基础.基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置,可对厚度为10 mm以下的整个铝合金板材进行快速检测,并能在上位机实现缺陷的自动判别.     

基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测

激励模态和频响特性是超声导波传感器性能评估的两个重要指标,而传统的传感器,如压电传感器和电磁声传感器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)等,受自身带宽和模态选择性的影响,无法有效地实现这两个参数的评估。激光测振仪可以测量结构中弹性波原始的离面和面内位移,且测量不受带宽的限制,因而是进行超声导波传感器激励模态测定和频响特性测量的理想方法之一。采用此种方法对一种周向一致激励兰姆波的EMAT进行测试,结果表明,此传感器在150～210 kHz的范围内能激励产生出单一S0模态兰姆波,在50～150 kHz范围内,A0模态与S0模态共存。利用激光测振仪检测离面和面内位移的方法,是进行传感器评估和兰姆波接收的有效方法,在超声导波的非接触测量、高温波导体检测及弹性波传播3D可视化方面也有广阔的应用前景。     

基于SH导波的防腐层能量密度检测机理研究

涂敷防腐层是确保油气管道完整性非常重要的手段,但因环境或外力等因素使防腐层产生剥离、孔洞等缺陷。本文针对埋地管道外涂防腐层轴向剥离、孔洞缺陷,利用粘弹性动力学理论建立能量平衡单元体F的双层结构波动模型,对单元体F的频散特性、能量密度和导波衰减进行理论分析和数值计算,并设计SH-EMAT换能器进行了防腐层剥离缺陷实验研究。研究表明:防腐层剥离程度可引起单元体F中各模态频散特性变化,防腐层剥离厚度越大,SH导波模态对应相速度、群速度越大,且差异显著。在一定频率范围内,其相速度与防腐层剥离缺陷尺寸成正比。导波能量衰减依赖于能量密度因子QE且独立于导波模态,能量密度趋向于防腐层等效粘弹性介质的剪切速度倒数;单元体F中能量密度因子QE的特征参数可为管道防腐层剥离、孔洞缺陷内检测的量化研究提供理论依据。     

超声导波在H型钢结构损伤识别中的应用

针对H型钢在损伤情况下对超声导波的影响,提出基于超声导波的结构健康监测方法,并探讨了应用超声导波检测技术在H型钢中对结构损伤识别的可行性及其识别能力。采用中心频率为87.5kHz的波形为汉宁窗调幅3.5个周期正弦曲线作为激励波形,应用商业有限元软件ABAQUS对导波在H型钢构件中的传播进行了仿真,同时对无损伤以及有损伤的仿真模型进行实验验证。实验中利用压电材料锆钛酸铝(piezoelectric lead zirconate titanate,简称PZT)换能器来激发和接收在H型钢中传播的导波信号,借助于Morlet小波时频分析等方法对仿真和实验采集到的信号进行处理,并比较实验结果与仿真结果的吻合度。最后分析H型钢中损伤的大小等因素对损伤识别的影响,以及超声导波在H型钢中的损伤识别能力。     

热超声键合PZT阻抗和功率动态特性研究

鉴于热超声芯片封装工艺的键合点空间高度局部化和时间瞬态性等特点，通过分析系统前端PZT阻抗和功率的动态变化规律，研究了芯片金球凸点与基板的键合过程及键合质量。结果表明：对于恒压源的键合系统，PZT换能器电流、阻抗及功率信号可表征键合过程的动态变化，且可将金球凸点与基板键合过程分为初始、平稳、结束三个阶段；键合环境的变化反映在PZT阻抗和功率变化之中，且PZT阻抗和功率与键合强度存在直接关系。试验及分析表明，PZT换能器阻抗和功率变化反映了金球凸点与基板键合过程及键合质量的差别，可用以分析整个键合系统。     

非浸入式超声导波液位测量方法研究

从Navier运动方程出发,求解了自由平板和覆水平板中导波的特征方程,并绘制了其频散曲线。自由平板和覆水平板频散特性对比分析后,发现了覆水平板中导波模态较自由平板多了一种Quasi-Scholte模态导波。通过数值计算、有限元模拟和实验研究,分别对自由平板和覆水平板中导波的传播特性和模态进行验证。在低频区,A_0模态导波存在于自由平板中,而Quasi-Scholte模态导波只存在于覆水平板中。利用Quasi-Scholte模态和A_0模态导波的传播特性设计液位测量实验,采用一激一收压电传感器布置方式,频率130 k Hz的2.5周期汉宁窗调制正弦波作为检测信号,结果表明,液位与导波传播时间呈线性关系,能够用于容器内液位测量。     

磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法

偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置的轴向磁场强度表征管道截面内偏置磁场强度,利用偏置磁场强度与导波通过信号幅值关系曲线得到不同区域单元振动对导波信号的能量贡献计算得到加权幅值,并以此幅值为依据估计传感器的换能效率。实现了对磁致伸缩导波传感器换能效率的估计,为仪器智能化研究提供了基础。