一种管道中T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构.根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制.结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T...     

表面波电磁声传感器的研究

电磁声传感器能够非接触地在金属材料中产生和探测超声波，由于不需耦合剂，使得它能够用于高温、高速和粗糙表面这些常规检测方法难以胜任的场合。介绍了所研制的表面波电磁声传感器的工作原理和进行驻波试验的部分结果分析。     

通过压电式传感器阵列测量简支梁的声辐射模态

采用一组PVDF(polyvinylidence fluioride)阵列测量了简支梁声辐射模态,在简支梁表面粘贴一组相同形状的矩形PVDF薄膜作为传感器,通过设计这组PVDF输出的加权系数,得到各阶声辐射模态的幅值。研究表明,PVDF的加权系数与辐射体表面上的外激励力无关;实验结果表明,这种声辐射模态传感器的设计是可行的。     

用于检测VOC蒸汽的声表面波传感器阵列

研究了用于检测挥发性有机化合物(VOC)蒸汽的声表面波传感器阵列.阵列结构应紧凑布局,以缩短响应时间.开环检测声表面波振荡环路S21参数,以降低设计难度.使用参考环路以精确读取传感器的输出信号.使用气喷工艺制备敏感膜以改善成膜质量.该传感器阵列对VOC蒸汽具有较高的灵敏度和较强的分辨能力.     

金属小径管损伤电磁超声导波检测的高效混合仿真方法及导波换能器可行性研究

金属小径管广泛应用于航空航天、化工等工程领域关键结构中,对其进行定期无损检测至关重要。作为一种先进电磁无损检测方法,电磁超声导波检测在金属小径管损伤定量评估中具有优势。目前,金属管道缺陷电磁超声导波检测的仿真主要采用有限元等数值模拟方法,涉及电磁场和结构场计算。然而,电磁超声导波检测通常采用激励电流的频率为几百千赫兹,在管道中激发的涡流趋肤深度极小,导致仿真需大量网格进行求解域剖分以确保仿真精度,检测信号计算时间较长。鉴于此,提出一种集成解析法和有限元法的金属小径管缺陷电磁超声导波检测混合仿真方法,采用解析法求解电磁场相关场量,将所求洛伦兹力导入有限元仿真中求解结构场,实现电磁场量和结构场量的快速计算,高效求取检测信号,对金属小径管缺陷定位时,精度高达约98%。在通过全有限元仿真验证所提混合仿真方法正确性的基础上,结合系列仿真和试验研究,对所提导波换能器激发的超声导波模态进行了识别,对该换能器在金属小径管损伤检测和定位方面进行了可行性验证。     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究

研究了充水管道中扭转模态的传播特性.通过理论分析可知最低阶扭转模态T(0,1)适合用于充水管道中的缺陷检测.在实验中利用研制的传感器在充水管道中激励出T(0,1)模态,并利用频率50kHz的该模态对4m长充水管道中两种不同类型的缺陷进行了检测.结果表明,利用T(0,1)模态的超声导波可以用于充水管道的缺陷检测.     

窄板无损检测用水平剪切波电磁声传感器的研制

低阶水平剪切波具有的几个特点使得它特别适合应用于结构大范围无损检测。通过对换能器几何结构的设计,电磁声换能器能实现多种不同模态导波的激励,如板中的兰姆波和水平剪切波,但电磁声换能器的性能受其结构参数影响很大。为实现磁铁阵列式电磁声换能器的性能评价,开发一种用于换能器远场周向声场分布计算的线源分布模型,对具有不同几何参数的电磁声换能器的性能进行数值计算,如磁铁数量、磁铁周期、线圈的内外径等。这些参数对激励出的SHO波的指向性有很大影响,主要表现在主瓣及旁瓣的幅值及宽度方面。根据数值分析结果,为获得较好的指向性对换能器的结构参数进行优化设计。将优化设计研制出的换能器用于窄板结构无损检测,结果表明窄板的侧边界对SHO波的传播基本没有影响,可用于窄板结构的无损检测。提出可预测出磁铁阵列式电磁声换能器的声场分布并用于换能器参数优化的线源分布模型。     

Parylene增强型声表面波传感器及其温度响应

针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求,研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求,利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构;在传统光学光刻条件下制作了2μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺,不仅实现了传感器的微型化,还可以批量化生产,得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型(未镀Parylene)和增强型SAW传感器(镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示:未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048kHz/℃,Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855kHz/℃,比前者提高了0.807kHz/℃,且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度,线性相关系数达到0.996 15。实验证明,Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。     

基于STM32的多通道探头阵列低频电磁检测系统研究

针对多通道探头阵列低频电磁检测系统进行研究,阐述了低频电磁技术检测机理和组成结构,提出采用多通道感应式磁传感器检测线圈阵列作为缺陷信号有效拾取介质,并基于STM32控制器完成多通道阵列励磁探头、激励电路、信号调理采样电路及存储读取一体化电路模块的系统化设计.实验结果表明,该系统运行稳定,可有效规避外部杂散磁场干扰,并实...     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

管道内压力对纵模导波传播特性的影响

工程应用中的管道内部往往存在一定的介质,这些介质会对管内壁产生一定的压力,研究超声导波技术对管道进行检测时,介质产生的压力对超声导波传播特性的影响非常重要。采用数值模拟方法研究了管道内液体介质压力对超声导波传播的影响,分析了不同激励频率和不同介质压力时的导波衰减特性,并搭建了压力管道实验系统。实验结果表明,超声导波在管道内传播时传播速度不随管内压力的变化而变化。     

带粘弹性包覆层充液管道中的超声导波缺陷检测研究

理论分析得到了带粘弹性包覆层充液管道中纵向模态的频散曲线。为了验证理论分析结果,利用纵向模态对7.12 m长的带环氧树脂包覆层充水钢管中的人工周向缺陷进行了检测。结果表明,频散和衰减小的未受干扰的L(0,2)模态分支部分适合带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷检测。但是,在频段0~0.5 MHz,随着频率的增加,这些分支部分衰减值逐渐增加,缺陷检测能力也逐渐下降。并且频散和衰减较大,能量主要在水和(或)粘弹性包覆层中传播,不属于未受干扰的L(0,2)模态分支部分的纵向模态不适合检测带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷。因此,在对带粘弹性包覆层充液管道进行缺陷检测时,根据频散、衰减和波结构等传播特性选取合适的纵向模态十分重要。     

波源对纵向模态导波在管道中传播的影响研究

针对波源对纵向模态导波在管道中传播的影响问题,建立改进的管道纵向模态导波半解析有限元(Semi-analytical finite element,SAFE)模型,相对先前的SAFE模型,实现纵向模态导波的单独计算求解,提高了计算效率。在此基础上,利用正交模态展开法建立波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,分析数学模型可以看到纵向模态导波的幅值取决于导波的波结构和波源特性。为论证波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,通过数值计算和试验方法,从相同波源激励的不同纵向模态导波之间的幅值关系和不同波源激励的同一模态导波之间的幅值关系两个方面开展研究工作。对比数值计算结果和试验结果,说明建立的波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型是可信的。研究结论为设计合适的导波传感器实现在管道中激励特定的纵向模态导波奠定了基础。     

管道导波时反聚焦检测系统的设计与实现

在分析管道中超声导波时反聚焦原理的基础上,设计并实现了一套适合激励压电换能器阵列,并对管道中超声导波能量在缺陷处进行时间-空间聚焦的时反聚焦检测系统.该系统实现的关键技术为:改进DDS( direct digital synthesis)结构,实现脉冲激励电路对时反特征信号进行合成发射;采用脉冲方式,实现小体积大输出功率的宽带线性功放电路;通过时反聚焦检测过程,实现管道中超声导波能量在缺陷处的时间-空间聚焦.采用该系统进行八通道时反聚焦检测实验,其结果表明,对于所用的含缺陷的管道而言,在特定的检测条件下,缺陷回波信号的幅值相对常规检测可提高246％,并且很好地抑制了导波的频散和多模态特性,提高了回波信号的信噪比.     

固-流掺杂结构声子晶体中弹性波的缺陷模

为了研究弹性波在固-流掺杂结构声子晶体中缺陷模的特性,推导出了弹性波斜入射固-流掺杂结构声子晶体的转移矩阵。研究了固-流掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数,得到了由于掺杂在禁带的中央出现了一条狭长的缺陷模透射峰的结论。当杂质厚度固定时,缺陷模随入射角的增加向高频方向移动。当入射角固定时,缺陷模的中心频率随杂质厚度的增加近似呈线性减小。     

X70和X80钢螺旋焊管母材的低温韧性

对X70和X80钢螺旋焊管母材的低温夏比冲击性能和落锤撕裂试验(DWTT)性能进行了对比研究。结果表明:两种钢管母材横向试样的低温韧性均比纵向试样的好,X70钢管母材的韧脆转变温度低于X80钢管母材的;当试验温度在-20℃以上时,两种母材的冲击断口剪切面积比都在95%左右,为韧性断裂,低于-20℃时,随温度的降低,两种母材夏比冲击功的下降幅度远大于剪切面积比的下降幅度;母材的低温韧性受试验方法的影响很大,DWTT测得的韧脆转变温度远高于夏比冲击试验的。     

压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理

宏压电纤维复合材料（Macro fiber composite,MFC）克服了传统压电材料在韧性和脆性方面的不足,具有驱动变形大、柔韧性好且防水性好的优点,在仿生变形驱动领域具有广泛的应用前景。模仿锦鲤鱼类的形态特征和身体/尾鳍（Body or caudal fin,BCF）游动推进模式,提出了一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。在峰值1 000 V、频率7.5 Hz的简谐激励电压下,试验测得推进器末端水下最大摆速154.5 mm/s。采用计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析了推进器摆动过程中周围流场分布及变化情况。仿真结果表明,推进器在稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力分别为9.8 mN和4.22 mN,与Lighthill细长体理论一致;同时从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一片流速约为推进器结构最大摆速2倍的高速流场区域,且始终存在着一对对称分布、旋向相反的涡环结构沿着推进器顺流而下,因此产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出,而推进器在高速水流的反作用力下向前推进,从而揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的流固耦合特性和推进机理。     

基于B/S模式的零件加工特征文件传递与存储技术研究

为使ISO14649标准在目前汽车行业中得到应用,研究产品模型数据交换标准(STEP)文件在制造过程中的传递,提出建立远程数据库的方法。首先对STEP和STEP-NC接口进行分析,然后建立基于STEP的B/S模式远程数据库的框架模型,并给出STEP文件的远程传递存储解决方案,最后以汽车发动机零件———连杆为例,对上述技术进行测试和验证。