磁致伸缩导检测传感器有限元仿真研究.doc

1、XX大学毕业设计（论文）题 目：磁致伸缩导波检测传感器有限元仿真研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六月 磁致伸缩导波检测传感器有限元仿真研究摘要：导波在检测管道时无需耦合剂，也不需要与管道相接触接触。用导波检测管材既能节省时间，又能提高检测效率。因此，了解超声导波的特性是使其进入应用行列的关键所在。本文主要对超声磁致伸缩导波进行建模，并根据仿真结果进行分析。永磁铁提供的磁场将管道进行磁化，从而为管道提供了一个偏置磁场；线圈通以高频电流，根据电磁感应定律，变化的电流会在管道中产生交变磁场。本文主要研究磁致伸缩纵向导波的两

2、种模态:一种是L模态，偏置磁场的方向与交变磁场的方向相同；另外一种是T模态，偏置磁场的方向与交变磁场方向垂直。对偏置磁场进行扫描之后，本文分析了在T模态下，偏置磁场的大小与位移的关系；在L模态下，根据质点的位移图得出磁致伸缩导波的传播方式，并且比较了纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩的大小。关键词： 磁致伸缩导波 偏置磁场 交变磁场 位移 Finite element simulation of magnetostrictive guided wave detection sensor Abstract: There is no need to couple and contact with the

3、pipeline when using guide wave to test pipe.To use guide wave to test pipe not only can save time but also can improve efficiency. Therefore, understanding the characteristics of ultrasonic guided wave is the key to make it into an application.In this paper,we build the model of the magnetostrictive

4、 ultrasonic guided waves and analysis based on the simulation results. Magnetic field provided by permanent magnet will Magnetize the pipe which provides a bias magnetic field to pip. when a high frequency current pass through the coil and according to the law of electromagnetic induction,it generat

5、es an alternating magnetic field in a pipeline, This paper studies the two model of longitudinal guided waves.One is the L mode and the direction of the bias magnetic field and the alternating magnetic field are the same;the other on is T mode, the direction of bias magnetic field perpendicular to t

6、he direction of alternating magnetic field.After scanning the bias magnetic field,we can know the relationship between the amplitude of the bias magnetic field and the displacement field under T mode.In L mode,we can know the magnetostrictive wave propagation method based on the displacement of the

7、particle and the amplitude of the vertical magnetostriction and horizontal magnetostriction.Keyword: guide wave the bias magnetic field the alternating magnetic field displacement field目 录1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 国内外研究的现状21.3 课题研究的内容42 管道中超声导波的理论研究42.1 超声波导波理论简介42.2 超声波导波的基本特性52.2.1 群速度和相速度52.2.2 频散特性72

8、.3 管道中的超声导波92.3.1 管道中的周向导波92.3.2 管道中的纵向导波93 电磁超声换能器概述93.3.1 MsS构成103.3.2 铁磁材料的磁化和磁致伸缩特性103.3.3 铁磁材料的磁致伸缩特性114 comsol multiphysics 介绍134.1 数值模拟综述134.2 有限元的未来是多物理场144.3 COMSOL Multiphysics简介144.4 AC/DC模块介绍155 磁致伸缩检测传感器COMSOL仿真165.1 纵向导波L态模型165.2 纵向导波T态模型186 仿真结果分析196.1 纵向导波L模态模型仿真结果196.2 纵向导波T模态模型仿真结果

9、217 结论与展望25参考文献26致 谢27磁致伸缩导波检测传感器有限元仿真研究1 绪论1.1课题研究的意义 在我国，管道干线已经发展成为很复杂的网络。随着使用时间的增加，管道会受到冲刷腐蚀，从而导致管壁变薄发生泄漏事故，不仅会导致巨大的经济损失，还会破坏生态环境，也许会造成人员伤亡。2013年11月12日位于青岛市黄岛区的中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，发生爆炸事件，共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。2012年淄博市高新区输油管道柴油泄漏，致使环境受到了污染。2008-2010年间，全国仅媒体公开报道的地下管线事故平均每天就有5.6起。全国每年因地下管线事故造

10、成的直接经济损失达数十亿元。由此可见，管道的质量的重要性。虽然现在的常规无损检测手段在对管道检测有着很多的优势，譬如，常规无损检测由于其已发展多年，其技术已经成熟，只需要对工人进行稍加培训，就可以使用现有的设备进行检测。虽然常规无损检测技术比较成熟，但是也有其缺点，其中一个缺点就是常规无损检测需要逐点进行检测。管道系统是很庞大的，如果全都进行逐点检测，工作量将是很庞大的，而且费时费力，成本高。因此，常规无损检测方法难以有效的在当前工业中广泛使用的成千上万公里的管道检测中应用。钢管也同样用于物料运输及结构支撑，在使用过程中，各种原因都会导致钢管出现裂纹、腐蚀等使其失效，为安全带来隐患。常用的检测

11、手段有漏磁法和超声法，但是这两种方法都需要接触被检测表面，而且检测区域有限，对于大量的工程，难以快速的检测。而且，在实际中，为了保护钢管，在钢管外层还带有保护材料，为了接触钢管表面，需要去除这些保护材料，这样一来，检测效率降低，检测成本提升。超声导波与一般的超声波相比较而言，衰减更小，也即传播的距离比一般的超声波远，而且包含的信息也比较完整，而且其在传播时，声场遍及整个管厚，这样就可以检测管道的内部缺陷或者表面缺陷。我们还可以通过控制激发频率及模态来提高检测的精度。超声导波还可以在水下和包覆层下进行检测，可以对充满液体的管道进行检测，这样就无需中断管道来进行检测。在用超声导波进行检测的时候，由

12、于导波激励接收方式的不同，存在着很多种不同的超声导波无损检测方法。虽然如此，但是超声导波的传感器却各不相同，目前所使用的传感器主要有压电式传感器（PZT）、磁致伸缩传感器（MsS）、电磁声传感器（EMAT）、脉冲激光式传感器和PVDF式传感器等。其中压电传感器要与管道表面接触，有时这就需要去除包覆层，费时费力，难以大面积使用。相对于压电式传感器，磁致伸缩传感器是非接触式的，就不需要直接耦合，也就省去了去除包覆层的一步。由于是非接触式，所以传感器就可以随意移动，灵活性较大。传感器的核心为软性的线圈，就可以适应任何截面。其还有转换效率高、适应各种温度场合的特点。本题主要是在电脑层面模拟超声导波的传

13、播特征，帮助分析缺陷信号，使其检测有个参考。在现有的管道导波检测中,导波按激励方式的不同可以分为压电式、电磁声、脉冲激光式、PVDF式和磁致伸缩式。而压电式和PVDF式在使用的时候如果遇到管道外有包覆层的话，要先把包覆层去掉，而且，在检测的时候需要与被检测的工件的表面贴紧，以使声能透进工件,电磁声式的工作距离比较有限,通常只有几个毫米,且换能效率低。脉冲激光式通过热弹性膨胀和使用激光使工件表面的材料熔化，进而蒸发来形成力从而激发导波，因为激光使工件的表面受损，所以就不是无损检测，而是有损检测。对比可知,磁致伸缩式导波检测装置具有的优点更更多。然而，在实际中，通过实验得到结果可能是费时费力的。所

14、以在实验之前，利用仿真软件来模拟。有限元分析方法的基本出发点是将复杂的问题简单化,再对简化后的问题进行求解。它将求解域划分成若千个相连的小区域,每个小区域就称为有限元。对每一个有限元的近似解进行求解,然后再根据整个区域所要满足的边界条件来对其进行求解,这个解也是问题的近似解。在实际工程中,有很多问题只能得到近似解,就可以利用有限元分析方法对问题进行求解。它的计算精度很高,能解满足复杂条件下的各种问题。因此,有限元分析被广泛的应用于电磁场,流体力学、热传导等领域。在电磁超声换能器的仿真分析过程中，ANSYS 有限元仿真软件无法查看铁磁性材料中磁致伸缩力。但是在comsol中，我们可以自定义本构方

15、程，自定义磁致伸缩曲线等等，comsol的自由度比较大，从而可以从各个方面进行分析。1.2国内外研究的现状 在19世纪中后期，James P.Joule和Villari分别发现了磁致伸缩效应及其逆效应。自从20世纪60年代开始，具有类似功能的压电元件技术取得飞速发展。压电元件具有尺寸小、制造容易、效率高等优点，因而得到广泛的应用。磁致伸缩元件的研究与发展一定程度上取决于压电元件。在二十世纪九十年代，美国西南研究院无在检测斜拉桥钢缆的缺陷时遇到困难，为了解决此问题，尝试利用了磁致伸缩导波技术，并取得了成功。之后，越来越多的研究者者都对这一领域进行了研究，使得磁致伸缩传感器在无损检测方面的研究应用又进了一步。H.Kwun 和 C.M.Teller1利用磁致伸缩效应及其逆效应在钢杆中进行了激励和检测超声波的实验。当改变传感器的构成方式与起偏置作用的磁场之后，就可以观察到单一模式的导波或者多个模式的导波。D. C. Gazis2分析了板壳理论和轴对称假设的局限性，提出了自己的线弹性理论。首先，他分析了在平面应变假设条件下的空心圆柱壳，之后得到了其频散方程。他分析了轴对称和非轴对称模态导波。并得出了壁厚和内径