管道磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)機(jī)理及傳播特性研究.pdf

1、磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)傳感器作為一種新型的超聲波檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了非接觸式的高效無損檢測(cè),常用于鐵磁性管道等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè),但其較低的信噪比及非線性力磁耦合特性造成輸出信號(hào)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(cè)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(duì)于提升磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)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(duì)磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)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(dòng)力學(xué)等經(jīng)典理論為基礎(chǔ),應(yīng)用動(dòng)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(cè)系統(tǒng)控制方程,詳細(xì)闡述了磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的換能機(jī)理。依據(jù)磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)的工作原理,將其分成三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的場(chǎng),即電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的力場(chǎng)和超聲波場(chǎng),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(cè)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(cè)中的主導(dǎo)地位,說明偏置磁場(chǎng)平行于檢測(cè)工件的情況下,磁致伸縮力的變化對(duì)磁致伸縮導(dǎo)波的檢測(cè)效率有直接影響。
　　其次,針對(duì)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(chǎng)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(cè)系統(tǒng)中電磁場(chǎng)及力場(chǎng)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(lì)傳感器非線性動(dòng)力學(xué)模型,并以此模型為基礎(chǔ),針對(duì)影響磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)傳感器力磁耦合轉(zhuǎn)換效率的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)及激勵(lì)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(lì)電流頻率、提高其電流強(qiáng)度,并將偏置磁場(chǎng)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(cè)中忽略了力磁作用對(duì)導(dǎo)波傳播的影響,造成缺陷定位的不準(zhǔn)確?；诖瞬蛔?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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與鐵磁性材料彈性模量之間的關(guān)系,討論了磁場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)對(duì)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(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)的作用下磁致伸縮導(dǎo)波群速度會(huì)發(fā)生改變,從而影響到檢測(cè)中缺陷的定位。
　　最后,采用虛位移方法推導(dǎo)了在軸對(duì)稱坐標(biāo)下,永磁體、線圈的脈沖渦流場(chǎng)及被測(cè)試樣的平衡運(yùn)動(dòng)方程的弱形式方程,得到了對(duì)磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)有著重要