管道磁致伸縮導(dǎo)波檢測機(jī)理及傳播特性研究.pdf

1、磁致伸縮導(dǎo)波檢測傳感器作為一種新型的超聲波檢測裝置實(shí)現(xiàn)了非接觸式的高效無損檢測,常用于鐵磁性管道等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測,但其較低的信噪比及非線性力磁耦合特性造成輸出信號多變等不足限制了其應(yīng)用。因此探索力磁耦合作用下磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)機(jī)理和傳播特性,明確影響磁致伸縮傳感器的主要因素對于提升磁致伸縮導(dǎo)波檢測效率有著重要的意義。本論文采用仿真計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,針對磁致伸縮導(dǎo)波檢測技術(shù)機(jī)理和力磁作用下的磁致伸縮導(dǎo)波傳播特性及其影響因素進(jìn)行

2、了研究。
　　首先,以電磁學(xué)、彈性力學(xué)及電動力學(xué)等經(jīng)典理論為基礎(chǔ),應(yīng)用動量守恒定理的方法,推導(dǎo)了基于Lorentz力、磁化力和磁致伸縮力的磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)控制方程,詳細(xì)闡述了磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的換能機(jī)理。依據(jù)磁致伸縮導(dǎo)波檢測的工作原理,將其分成三個相互關(guān)聯(lián)的場,即電磁場、電磁場與物質(zhì)相互作用的力場和超聲波場,并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述,得到了磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)完整方程式。在此基礎(chǔ)上,分析了磁致伸縮力和Lorentz力之間的關(guān)系

3、,確定了磁致伸縮力在基于磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)波檢測中的主導(dǎo)地位,說明偏置磁場平行于檢測工件的情況下,磁致伸縮力的變化對磁致伸縮導(dǎo)波的檢測效率有直接影響。
　　其次,針對以磁致伸縮效應(yīng)為主要機(jī)理傳感器的研究,在過去一般將材料的非線性磁致伸縮關(guān)系假定為線性關(guān)系,而該線性模型只適用于在偏置磁場附近狹小的線性范圍,并不能滿足實(shí)際的工作條件。為了真實(shí)的反映非線性力耦作用下磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的工作機(jī)理,本文利用磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)中電磁場及力場的數(shù)

4、學(xué)方程式,建立了導(dǎo)波的磁致伸縮式縱向模態(tài)激勵傳感器非線性動力學(xué)模型,并以此模型為基礎(chǔ),針對影響磁致伸縮導(dǎo)波檢測傳感器力磁耦合轉(zhuǎn)換效率的靜態(tài)偏置磁場、交流磁場及激勵頻率進(jìn)行了研究。分析表明,在考慮頻散特性的情況下,通過降低激勵電流頻率、提高其電流強(qiáng)度,并將偏置磁場設(shè)定于磁致伸縮曲線中切線斜率最大處等方法可以有效的提高磁力轉(zhuǎn)換效率。
　　再次,傳統(tǒng)的磁致伸縮導(dǎo)波檢測中忽略了力磁作用對導(dǎo)波傳播的影響,造成缺陷定位的不準(zhǔn)確。基于此不足,本

5、文從磁致伸縮材料的非線性本構(gòu)模型出發(fā),建立了磁場、應(yīng)力場與鐵磁性材料彈性模量之間的關(guān)系,討論了磁場及應(yīng)力場對磁致伸縮材料特性的影響,并采用有限元分析軟件進(jìn)行了模擬,得到了力磁作用下磁致伸縮導(dǎo)波的傳播特性。計(jì)算表明在磁場或應(yīng)力場的作用下磁致伸縮導(dǎo)波群速度會發(fā)生改變,從而影響到檢測中缺陷的定位。
　　最后,采用虛位移方法推導(dǎo)了在軸對稱坐標(biāo)下,永磁體、線圈的脈沖渦流場及被測試樣的平衡運(yùn)動方程的弱形式方程,得到了對磁致伸縮導(dǎo)波檢測有著重要