基于迭代补偿的纳米粒子磁化信号检测方法研究

磁粒子成像是一种无创成像技术,通过检测磁粒子示踪剂磁化信号,表征其浓度分布图像。在实际检测中,检测线圈的感应信号包含激励磁场信号与磁性纳米粒子磁化信号。将激励信号从感应电压中去除,获取粒子信号是磁性粒子成像信号检测需要解决的关键问题。针对磁性纳米粒子成像信号检测中激励磁场耦合消除方法进行研究,设计平面梯度检测线圈,并提出迭代补偿控制方法,消除激励磁场耦合,实现磁性纳米粒子磁化信号检测。仿真计算与实验测量的结果表明,对于不同检测模型,所提出的检测方法均可以完成粒子信号检测。该方法获得的粒子信号的信噪比是原有信号消去检测方法的2.2倍,与滤波方法相比信噪比提高到1.3倍,激励磁场耦合衰减可达到34 dB。     

油液磨粒检测传感器线圈间距对输出信号的影响

电感式磨粒传感器在机械设备润滑油液磨粒在线监测中具有独特优势,通过测量传感器输出的感应电压信号来获取油液中磨粒的大小、数量以及质量等信息,进而可实现设备磨损程度的判断。为了研究电感式三线圈传感器中相邻两线圈之间的距离对传感器输出感应信号的影响,基于差动式三线圈互感原理建立传感器三维模型;利用JMAG-Designer12.0软件对传感器检测铁磁磨粒的过程进行瞬态电磁仿真,分析线圈间距对传感器输出感应电动势的影响;通过制作传感器进行实验并行验证仿真结果的正确性。研究结果表明,当线圈间距小于2.5 mm时,感应电动势随间距的增加而增大,当线圈间距大于2.5 mm时,感应电动势随间距的增加而减小,线圈间距为2.5 mm时,感应电动势最大,传感器输出信号与理论正弦信号变化趋势接近一致,并且信号干扰最小、信号最为稳定。     

面向脉冲涡流热成像的激励电源特性研究

激励电源性能直接影响脉冲涡流热成像的信号特性提取、检测灵敏度和缺陷检出率,针对常规水冷铜管式感应加热电源存在电磁耦合效率低、加热均匀性差等问题,提出了一种含U型磁轭探头的新型脉冲激励电源。基于脉冲涡流热成像检测理论和电磁热耦合方程,提出了一种将激励线圈缠绕在U型磁轭上的探头结构,进一步分析了加热时间对试样裂纹区域温度场的影响;给出了脉冲激励电源整体系统方案,通过对电压源型全桥逆变电路换流过程进行分析,为合理设置IGBT开通、关断控制信号提供参考;为实现快速搜索负载谐振频率并实时跟踪谐振频率,提出了一种改进型全数字定角频率跟踪技术,并详细阐述了该技术的实现过程;对研制的脉冲激励电源性能进行测试以验证理论分析的正确性,并将其应用于脉冲涡流热成像金属表面裂纹的检测。     

基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦合磁场的计算及电流控制利用8个梯度线圈形成了基于无场线的开放式空间定位磁场,成像区域30 mm×30 mm;以单边激励线圈产生20.7 kHz激励磁场,处于高频激励磁场及定位磁场中的超顺磁纳米粒子示踪剂产生具有丰富谐波成分的可定位超顺磁磁化信号,使用高信噪比Gradiometer线圈检测其3次谐波信号形成电压云图图像;通过预测量的系统函数矩阵利用非负最小二乘法对电压云图进行重建,形成示踪剂浓度分布云图。成像实验结果表明,系统在开放式成像区域内探测灵敏度20μg Fe,图像重建空间分辨率2 mm,成像速度1 fps,达到了较好的开放式成像效果,系统也是国内首台全自主研发的开放式磁粒子成像系统。     

一种可抑制电磁冲击盲区的新型电磁超声检测技术研究

电磁超声检测中,激发(TX)线圈利用强脉冲电流激励超声波的同时,会对接收(RX)线圈造成电磁冲击。在电磁冲击期间,RX线圈无法工作并需要稳定时间,从而形成电磁冲击盲区。针对此问题,提出一种可抑制电磁冲击盲区的新型电磁超声检测技术,该技术中采用了一种特殊RX线圈结构。一方面,该线圈结构中相邻线段之间间距满足超声波相长干涉的匹配关系;另一方面,该线圈与TX线圈的互感为0,使其能从电磁超声的脉冲激励系统中退耦。分析了所提新型电磁超声检测技术抑制电磁冲击的原理,并从理论上给出了该特殊RX线圈的设计方法。最后,通过实验表明该技术对电磁冲击抑制达到94.8%,从而验证了有效性。     

一种用于小电流测量的电子式电流互感器传感头研究与设计

在电力系统中,电子式电流互感器被广泛应用于电流测量.本系统采用新型高精度Rogowski线圈作感应元件,设计一种新型模拟信号处理系统对线圈输出电压信号进行处理,完成电流的测量和过载保护功能.从而简化设计过程、降低生产成本.从试验结果看传感头精度可达到0.2级要求.     

基于正交电磁原理的PCCP断丝检测

针对预应力钢筒混凝土管PCCP预应力钢丝断裂这一主要失效模式,对基于正交电磁原理的断丝检测技术进行了研究。利用COMSOL有限元仿真软件,建立并优化了检测系统模型,进而对断丝效应进行了理论剖析,分析了边缘效应、断丝与检测器周向相对位置、激励频率、钢丝相对磁导率等因素对断丝信号特征的影响,为实际检测提供了理论指导;分析了钢筒结构对仿真结果的影响,为计算效率的提高提供了参考依据。最终,设计并实现了正交电磁断丝检测系统,创新性地提出一种基于正弦脉宽调制技术和智能功率模块的高压大功率正弦信号线圈驱动方案并设计了相应保护电路,采用锁相放大器可以有效提取断丝信号。实验结果表明,该系统可以有效识别断丝,且成本较低。     

基于平衡电磁技术的管道裂纹全角度检测方法

针对管道表面裂纹缺陷方向各异的问题,提出一种基于平衡电磁技术的裂纹全角度检测方法。通过麦克斯韦方程分析了时谐电磁场下管道内表面的电磁分布,根据磁通与感应电流的畸变分析了管道表面各方向裂纹的检测机理与检测信号规律,并证明了平衡电磁技术对管道裂纹全角度检测的有效性。利用有限元方法计算分析了裂纹与检测方向成七种不同角度时管道内表面的电磁畸变程度,并通过仿真得到相应的感应电压信号,根据仿真结果进行有效性试验,结果表明,平衡电磁检测技术能够对管道表面裂纹实现全角度检测,检测信号特征以检测方向与裂纹成30°夹角为分界,0°～30°信号特征为先波谷后波峰,检测信号幅度随着角度增加逐渐减小,峰谷间距快速变小;30°～90°信号特征为先波峰后波谷,检测信号幅度随着角度增加逐渐增大,峰谷间距缓慢变小;当检测方向与裂纹成30°时,感应电压信号为双峰谷特征,且峰峰值最小。该方法为管道表面裂纹角度的量化研究提供了理论依据和实验基础。     

基于有限元仿真的涡流探头特性研究

涡流检测在工业生产及设备运行维护等无损检测技术领域占有重要地位。文中介绍一种用于无损检测的涡流探头,探头由1个激励线圈与2个接收线圈组成。激励线圈在电压信号的激励下,在试件中产生感应涡流,试件中涡流随缺陷发生变化,接收线圈捕获到涡流产生磁场的变化,以此分辨试件表面缺陷。分别对涡流探头的激励线圈、接收线圈进行理论分析,使用有限元仿真软件Maxwell对传感器进行建模与仿真。采用数值方法分析探头在正弦波电压激励下的工作方式,铝试件与Q235试件表面涡流分布与探头输出特性。仿真分析了涡流效应对Q235材料探头输出的影响。对Q235试件中不同缺陷深度对探头输出电压大小的影响进行了分析。根据仿真结果,进行了探头实物制作,获得了探头在不同缺陷深度的输出信号,通过实验验证了探头对缺陷检测的有效性。     

基于非铁磁性金属管的无线能量与信息同步传输技术

基于非铁磁性金属管的电磁耦合系统中,由于电磁场趋附效应等原因阻碍磁场穿透金属管而无法实现能量和信息的有效传输,为解决该问题,建立了系统电磁耦合数学模型,推导出管内磁场分布及次级线圈感应电压表达式,利用ANSYS软件对影响初次级耦合的敏感因素,如激励频率、金属管材料,进行了仿真分析,结果表明高电阻率的金属材料及低的激励频率,可增大系统耦合效率,且初级线圈在5 kHz至10 kHz激励频率附近工作时,次级可获得最佳感应电压.实验证明,基于上述结论设计的无线传输系统可满足负载电路对感应电压幅值及信息同步传输的要求.     

混凝土超声检测技术的研究与实现

针对混凝土结构无损检测的需要,提出了一种超声激励脉冲产生的方法。由于超声波信号在混凝土中衰减快,为了提高检测系统的探测能力,增强回波信号,提高超声激励脉冲幅值,采用一种高频继电器实现了电磁脉冲源,并通过水和混凝土两种不同介质的无损检测试验验证其可用性。为了实现混凝土结构的高效精细检测,采用波包分解技术对检测数据处理分析,通过合成孔径技术成像,研制了系统样机。不同混凝土结构试块的检测成像试验表明,系统探测深度可达1m,可以较准确成像显示混凝土结构内部嵌入物的位置。     

高灵敏低压电磁感应式滑油磨屑传感器

提出了一种高灵敏低压低功耗的三线圈电磁感应式磨屑检测方法。理论推导了金属磨屑穿过线圈组引起的感应电压变化的表达式,并据此对线圈组的几何参数进行了优化。通过在激励和感应线圈两端分别并联和串联恰当容值的电容实现双LC谐振,以获得更高的激励电流和感应电压。实验验证了在108 kHz、5 Vpp的正弦信号激励下,上述两种方法同时使用能够较大幅度提高信噪比,在相敏检波电路之后未使用放大电路的情况下能够清晰地检测到低至150μm的铁质颗粒,而此时激励线圈的有功功率仅为1.12 mW。所设计的传感器能够在平衡低功耗的同时获得高灵敏度,其优化思路对于同类型传感器优化具有借鉴意义。     

MOOG协调加载控制系统的传感器激励检测技术研究

很多飞机结构强度试验采用了MOOG协调加载控制系统,该系统在传感器线缆激励检测过程中难以实现实时检测。基于此,本文提出了一种传感器激励检测方法,设计了激励检测装置的内部电路以及该装置与协调加载控制系统的连接电路,对传感器激励电压信号进行实时检测。搭建了试验平台对该方法进行验证,证明该方法对试验控制回路中的电压信号检测是有效的,对试验件的安全起到了保护作用。     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

基于PCB线圈吸附式铁磁传感器的研究

运用PCB线圈作为感应元件的铁磁传感器越来越成熟,但PCB线圈由于其结构限制,使得铁磁颗粒不能通过其检测区域,另也没有相关研究证实PCB线圈对于铁磁颗粒测量的精确性。为此提出一种基于磁塞与电感检测原理的新型铁磁传感器。使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立传感器的仿真模型,对PCB线圈的磁场分布进行仿真分析。结果表明：PCB线圈表面磁场强度具有良好的均匀性,适当减小PCB线圈的内径,有利于提高PCB线圈的磁场均匀性。基于仿真分析结果,设计5种不同尺寸规格的PCB线圈,并设计实验验证该传感器的检测精度。实验结果表明：该传感器具有良好的灵敏度,能有效检测出粒径100μm以下的铁磁颗粒。     

基于磁各向异性方法的铁磁材料应力检测研究

针对铁磁材料应力至今仍难以有效检测的问题,提出采用磁各向异性方法对铁磁材料应力进行检测。基于磁各向异性方法的检测原理,研制3种不同结构类型的锰锌铁氧体检测探头,搭建由励磁系统、信号采集系统、信号处理系统组成的磁各向异性检测系统,并在不同应力、频率与激励电压下对不同形状试件进行检测试验。结果表明,探头对于试件处于不同应力、激励频率与不同激励电压下均具有很好的检测效果,3种类型探头之间具有不同的检测现象和特征。     

电磁定位系统设计

为了实现空间较大范围内的移动目标定位跟踪,根据法拉第电磁感应定律,设计了一种电磁定位系统。此系统主要包括信号发射线圈和多轴接收线圈传感单元两部分。系统采用ST公司的ARM微控制器STM32F103来实现核心功能,并用特定的处理电路实现。功放电路对正弦信号进行放大,激励发射线圈产生交变磁场。三轴传感线圈感应磁场信号,得到三路模拟信号;采样处理后,通过计算得到相关位置参数。系统可以定位离信号源数米范围内的移动目标,满足室内的定位需求。     

多激励模式的电磁层析成像系统

根据理论分析和仿真研究提出并实现了一种多激励模式的电磁层析成像系统,为研究不同激励模式的优缺点和传感器的优化设计提供了条件,在此条件中实现的似平行场激励模式由于增加了独立的投影方向数,并具有较均匀的灵敏度分布,而提高了重建图像的质量。为了获得多个激励方向各检测信号的实部和虚部,作者提出了一种基于相位反馈搜索的正交解调方法,提高了系统信号处理的实时性。     

基于FBG的行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测方法研究

通过分析FBG传感器的传感模型与耦合理论,提出了一种基于FBG传感器的行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测方法。对宽带光源、传感光路、光电转换、信号解调以及数据采集等模块进行集成,搭建了内齿圈齿根应变动态检测系统,并利用该系统对不同负载工况下的行星齿轮箱进行了多次实验数据采集。结果表明:应用该系统能够实现对行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测,同时,采集的数据与理论分析相吻合,能够为后续行星齿轮箱啮合状态监测与故障诊断工作提供参考。     

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

针对基于微米技术的微机械陀螺检测功能微弱的现象,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型,经对某微陀螺结构的仿真计算发现,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大,造成电容检测信号极为微弱,无论激励的幅度和频率如何,为此,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构,可减小哥氏阻尼力,相对增大了激励哥氏力,这种新型结构显著增强了电容检测信号,而且具有双轴微陀螺功能,对耦合线加速度不敏感等特点。