GIS/GIL绝缘子超声检测研究进展与展望

气体绝缘开关/气体绝缘输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines, GIS/GIL)绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷可能是目前威胁GIS/GIL设备安全运行的主要原因,急需研究其检测方法。为此分析了GIS/GIL绝缘子应力集中、密度不均匀和内部集中缺陷的原因和检测技术现状,系统总结了GIS/GIL绝缘子常用环氧复合材料超声检测技术的研究进展,包括纵波声速、检测深度、灵敏度、第一临界角和临界折射纵波渗透深度等超声传播特性,超声临界折射纵波的声弹性效应和声弹性系数、GIS/GIL绝缘子次表面应力临界折射纵波声程差检测法和热应力云图、三支柱绝缘子柱腿平行应力纵波反射法和垂直应力纵波穿透法等超声应力检测技术,GIS/GIL绝缘子内部缺陷纵波反射法成像、表面缺陷临界折射纵波法和界面缺陷纵波斜入射法等内部集中缺陷超声检测技术,以及盆式绝缘子纵波反射法密度云图等密度均匀性超声检测技术。该研究指出研发少峰高频高能超声探头、绝缘子全域超声快速成像、多结构多部位超声检测、去应力处理残余应力测量、密度与残余应力耦合理论...     

疲劳裂纹的电磁超声混频非线性检测

对金属结构中疲劳裂纹的检测是结构寿命预测和失效分析的关键,线性超声或其他无损检测方法难以有效识别疲劳裂纹。以非线性波动理论为基础,根据电磁超声换能器的激发特点和兰姆波(Lamb波)的波结构特点,设计双线圈Lamb波混频电磁超声换能器,建立混频电磁超声换能器有限元仿真模型,研究混频位置和非线性系数之间的关系,分析了不同裂纹深度对超声调制效应的影响。最后,进行疲劳裂纹的电磁超声混频非线性实验,通过铝板中两个声场是否发生非线性调制来判断铝板是否有疲劳裂纹;根据疲劳裂纹板中不同位置处的非线性系数大小,对疲劳裂纹进行定位;研究非线性系数随不同裂纹长度的变化情况,依据非线性系数的变化可以有效监测裂纹的扩展。研究结果证明了所设计的Lamb波混频电磁超声换能器检测疲劳裂纹的可行性、有效性。     

基于LFMCW的L_（CR）波切向正应力检测方法的研究

以LFMCW（linear frequency modulated continuous wave）时间间隔测量原理为基础,针对LCR波（the critically refracted longitudinal wave）声弹性应力检测脉冲激发方式时存在的问题,提出了一种基于LFMCW方式激发LCR波的切向正应力检测系统,使用新的检测方法通过发射信号和接收信号形成的拍频信号来反映波的传播时间,用抛物线插值与最小二乘相结合的数字测频方法准确测量拍频频率。实验结果证明了该系统对LCR波传播声时检测的有效性。     

钢轨检测压电超声换能器宽频阻抗匹配研究

针对钢轨损伤检测系统中压电超声换能器与激励源存在阻抗失配，以及压电超声换能器带载后谐振频率偏移等问题，本文对压电超声换能器宽频阻抗匹配进行研究。首先，对压电超声换能器BVD模型参数进行优化。其次，基于上述模型，设计4种匹配网络，对其性能进行比较分析，从而确定最佳网络拓扑结构和参数。最后，基于一发一收实验平台，测试对比匹配前后压电超声换能器的接收信号。测试结果表明，本文设计的阻抗匹配网络可以实现对压电超声换能器的高效匹配，匹配后发射换能器有功功率平均提升了197.38%,工作带宽从1.44 kHz提升至2.22 kHz。同未匹配和传统L型匹配网络相比，本文设计的宽频阻抗匹配网络使得发射强度分别提升了61.07%和18.05%,压电超声换能器在工作带宽内均可达到良好的发射状态。     

单向载荷下铝板电磁超声兰姆波的波速响应特性

鉴于兰姆波(Lamb波)在传播过程中衰减较慢,利用超声Lamb波对金属薄板的应力检测已成为国内外研究的热点.为了更深入了解Lamb波的传播特性与金属薄板应力之间的关系,该文根据Lamb波在各向同性板的频散计算公式,给出单向载荷不同应力下铝板的频散曲线,并数值分析了Lamb波基本模态和一阶模态与应力场在同方向上的传播变化.根据频散方程的计算结果,Lamb波A1模态在速度变化方面比使用其他模态要敏感;且越接近截止频率的一阶模态速度变化越明显.为了验证仿真结果,实验施加单向应力载荷作用于1mm厚的6061铝板,考虑到压电探头激发多模态特性,该文利用电磁超声换能器激发单模态Lamb波,对比基本模态与一阶模态相速度变化率,A1模态的波速变化明显,实验结果与仿真数据相符.因此,该文提出的单向应力加载下超声Lamb波传播特性的研究可为后续金属薄板应力检测提供重要依据.     

电磁超声激励系统阻抗匹配网络的设计

电磁超声换能器的换能效率低是限制电磁超声技术广泛应用的一个重要因素,如何提高换能器的换能效率一直都是电磁超声领域的研究重点。激励线圈作为激励系统中十分重要的一部分,其激励电流的大小决定试件表面产生电磁力的大小。但是,由于线圈和功率放大器之间存在严重的阻抗失调,使其流过的电流及获得的功率不是很理想。为此,根据电抗元件网络可精确实现调谐和变阻的特性,结合二进制的组合方式,设计了能够匹配多种频率线圈的电抗网络。该网络的接入可实现功率源和负载之间的最大功率传递,提高加载在线圈上的电流,为电磁超声激励提供较大的能量。仿真和实验结果表明:该匹配网络能在0.5~5MHz宽频率范围内有效地提高电源的输出效率,提升电磁加载的信噪比及转换效率,为电磁超声的后续研究奠定基础。     

钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

电磁超声换能器(EMAT)的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关,EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应,磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。该文依据铁磁材料的本构方程,考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用,建立含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型,仿真分析表面波对钢板中缺陷的响应特性,得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系,为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。最后,对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究,验证了仿真分析的正确性和有效性。     

用于电磁超声铝板检测的脉冲电磁铁

电磁超声换能器是一种新型超声波发射和接收装置。通过建模、有限元分析、电路仿真等多种方法,设计了一种结构简单、实用性强的用于电磁超声铝板检测的脉冲电磁铁。该脉冲电磁铁由脉冲电流激励,工作时瞬间建立较强磁场,工作结束后磁场迅速消失,从而使电磁超声装置的体积、重量显著降低。最后,结合铝板厚度测量实验,验证了脉冲电磁铁设计方法的有效性。     

基于电磁超声双换能器的单模态Lamb波激励方法研究

Lamb波因其指向性好、传播距离远、损耗小等优点而被广泛应用于构件的无损检测和健康监测中。但是,Lamb波的频散性和多模态的特点,使其在实际应用中的回波信号分析变得十分困难。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,根据Lamb波两种模式波结构的特点,研究电磁超声双换能器激发结构产生单模态Lamb波的特性,并对双换能器激发结构进行实验研究。仿真和实验结果表明,双换能器结构可激发单模态Lamb波,并且可以消除端面模态转换产生的多模态,从而减小后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的定位、识别提供有效信息,并为电磁超声双换能器激发结构的设计提供理论指导。     

基于非线性电磁超声表面波混频方法的金属疲劳裂纹检测

针对铝合金板材疲劳损伤检测困难的问题,构建含有疲劳裂纹界面力模型的电磁超声表面波混频调制模型,研究不同激发频率下的非线性超声表面波的混频调制效果,进而确定了激励频率。分析电磁超声表面波在铝板中的传播情况,以及不同裂纹深度和长度对非线性混频效果的影响。最后进行非线性超声表面波混频检测实验,对完好试件及疲劳试件的非线性特征进行对比分析,研究边频分量随激励信号频率、幅值、信号时延以及裂纹长度不同的变化情况,得到边频分量与微裂纹长度的关系曲线。实验结果表明,如果铝板中存在疲劳裂纹,会有边频调制分量出现;当两列混频信号同时到达疲劳裂纹时,非线性调制效应最强;通过边频分量与微裂纹长度拟合出的关系曲线可以有效监测裂纹的扩展,从而为金属疲劳裂纹的定量检测奠定良好的基础。     

基于FPGA的超声导波宽带激励源设计

超声导波检测效率高、距离远,逐渐成为焊缝缺陷检测的有效方法之一。目前国内的超声导波检测信号激励源通常将信号发生器和功率放大器组合使用,操作不方便且功率放大器价格昂贵,不能满足远距检测。为了克服其缺点,设计了一款基于FPGA的超声导波检测宽带激励源。该激励源的激励频率、脉冲周期数、脉冲检测均可根据不同的检测对象灵活可调。在50Ω负载上,激励源的功率放大器在250 kHz～4.5 MHz的激励频率范围内能够实现100 Vpp的输出幅值,可直接驱动压电换能器。软件部分使用Verilog语言设计了各硬件的驱动程序及与上位机的串口通信协议。经试验验证,搭配接收采集模块,激励源可实现500 mm长焊缝缺陷检测。模块体积小,性能可靠,具有一定的实用价值。     

基于Halbach阵列电磁超声纵波换能器优化设计

传统电磁超声纵波换能器换能效率低,水平偏置磁场弱且无法被充分利用,导致回波信号幅值小,影响检测结果的准确性.该文应用一种新型纵波换能器,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布,能够显著增强水平磁场.为提高其回波幅值,利用有限元软件进行建模,分别采用正交试验和均匀试验方法,在考虑线圈匝数的前提下,对换能器参数进行优化.仿真结果表明,降低导线间距、导线宽度和导线高度,将永磁体提离距离固定在合适范围内,均可以增强回波信号;设置合适的激励电流频率,能够使得声衰减和回波幅值处于适中水平,有利于检测.实验结果表明,优化后的换能器相较于优化前回波幅值提高了83％.     

钢板电磁超声换能机理及塑性损伤的非线性超声检测

铁磁材料电磁超声换能器(electromagneticacoustic transducer,EMAT)的换能机制与外加磁场、材料的磁化特性和磁致伸缩特性有密切的关系,电磁超声波的产生很大程度上取决于材料的电磁特性和偏置磁场。首先,建立钢板电磁超声波的有限元模型,分析偏置磁场及被测试件的电磁特性对电磁超声换能机制的影响,通过引入不同磁导率和电导率等效模拟塑性变形试件,分析换能机制与电磁特性的关系,并在此基础上搭建基于电磁超声表面波的塑性变形检测系统。其次,通过对拉伸的标准工字板试件进行磁导率检测,得到不同塑性损伤试件与相对磁导率变化的对应关系。塑性变形会改变钢板的电磁特性,进而影响到检测信号的变化。最后,对塑性变形进行电磁超声非线性检测,得到相对非线性系数与塑性变形的对应关系,并验证塑性变形、电磁参数与非线性检测信号之间的关系。     

电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响

Lamb波因其指向性好、传播距离远、检测效率高等优点而被广泛应用于构件的无损检测中。但是,Lamb波在激发过程中往往是两个或多个模态同时被激发,而且通常每个模态波包的传播速度不尽相同,这就导致不同模态的Lamb波在后续信号分析中相互干扰,尤其是在缺陷信号的识别中。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响,通过对电磁超声换能器加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制,提高了对应模态Lamb波的激发效率,并且增强了对非主模态Lamb波的抑制效果,从而减小了后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。     

基于模糊控制的超声理疗仪频率自动跟踪技术

针对超声理疗仪中压电超声换能器谐振频率漂移问题,提出了一种频率自动跟踪技术。该技术以模糊控制器为核心,通过比较计算超声换能器两端电压、电流信号的相位差,实时调整超声理疗仪DDS信号发生器的输出频率,保证超声换能器始终工作在谐振点上。测试表明,基于模糊控制的频率自动跟踪技术跟踪准确,超声理疗仪的工作效率得到了提高,输出超声强度可达3 W。     

编码激励带宽对超声气体流量测量性能的影响

对比研究了四种不同带宽线性调频信号激励下,超声流量测量系统的性能。超声换能器为Senscomp中心频率125kHz,带宽10kHz的收发型压电换能器。信号产生、数据采集和时序控制由FPGA设计的专用电路实现。对接收信号进行脉冲压缩处理后,测得流速与横河1.0精度等级的涡街流量计比对,计算标准偏差和读数误差。结果表明,在B=20kHz的线性调频信号激励下,流速测量的误差和标准偏差最小;B=10kHz时,带宽与换能器带宽匹配,系统流速测量性能次之;B=5kHz时和B=50kHz时,流速测量性能最差。     

一种超声治疗仪的自动跟踪锁频电路设计

针对超声治疗仪中压电超声换能器因制造工艺导致固有频率出厂误差的问题，以及因温度变化等因素导致频率漂移，使其工作在非谐振状态下影响压电超声换能器电-声转化效率降低、治疗波形变化以及输出功率不稳定，从而影响超声治疗仪的治疗效果的问题，设计了一种超声治疗仪的自动跟踪锁频电路。该系统采用STM32F103ZET6作为微控制器。利用压电超声换能器逆向压电效应特性原理和最大电压式反馈法，通过扫频采样将最大电压值和谐振频率进行实时反馈，使得压电超声换能器始终工作在谐振点上，以实现自动跟踪锁频。实验测试证明，基于该自动跟踪锁频电路的超声治疗仪能够保持较稳定的输出功率以及良好的治疗波形、频率跟踪精准且成本低，能够达到良好的治疗效果。因此本课题具有较好的创新性和应用前景及广泛的适用价值。     

压电参数d33特性测试装置设计

纵向压电应变常数d33是表征压电陶瓷材料机电转换性能的重要参数之一.有别于常规的静态、动静态检测方式,设计了一种基于扫频方法的新型d33参数测试装置.通过检测不同频率信号激励时线路的电流变化,实现压电陶瓷d33参数的检测计算.该装置具有性能参数检测操作方便、检测过程效率高等特点.     

横波电磁超声相控阵换能器设计

针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题,采用有限元方法仿真分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律,据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。研究表明,横波位移分布受频率影响较小,但受阵元宽度影响明显。其中,0.2 mm阵元宽度激发产生的横波在±35°范围内位移分布平稳,随着阵元宽度的增加,横波能量朝向0°位置聚集。考虑到平稳位移分布更有利于保证相控阵换能器缺陷检测精度,因此采用0.2mm阵元宽度设计横波电磁超声相控阵换能器。此外,阵元间距选择和声束偏转角度控制的研究结果能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速、准确的指导。最后,实验验证了仿真模型的有效性。     

海水中感应耦合与超声耦合无线电能传输技术对比EI北大核心CSCD

通过原理分析,提出了海水中感应耦合无线电能传输(ICWPT)系统的电路模型,其中考虑了海水的涡流效应,建立了匹配条件下传输效率的表达式。作为对比,基于单个超声换能器的电路模型,建立了包含两个超声换能器的超声耦合无线电能传输(UCWPT)系统电路模型,分析了匹配条件下的传输效率。分别以矩形耦合线圈作为电磁耦合装置,以压电复合材料换能器作为电声和声电转换装置,搭建了在海水槽中ICWPT和UCWPT系统实验平台。分别从传输效率与工作频率的关系、传输效率与耦合距离的关系进行了比较,并对传输功率进行了讨论。研究发现,ICWPT的传输效率与频率的关系曲线比UCWPT的效率与频率关系曲线更加平坦。较远距离时,UCWPT的传输效率高于ICWPT的传输效率。