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1、以上英文原文为PDF格式，下载后双击即可打开另存毕业设计文献翻译与原文题目： 在检测圆柱体扭转波时磁致伸缩传感器性能受偏置磁场的影响 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O一五 年 四 月 扭转波在检测圆柱体时磁致伸缩传感器性能受偏置磁场的影响概要近来波导中的无损检测的弯曲波测量得到重视。采用分散弯曲波的主要原因是纵波无损检测在弯曲的地方经常通过波形转换成弯曲波。本研究目的是探讨静态偏置磁场对扭转波的磁致伸缩非接触式传感器测量输出的影响。与磁致伸缩传感器测量的纵波不同，弯曲波测量传感器输出受到应用偏置磁场分布的显著影响。在这项工作，我
2、们会考虑配置一些偏磁来截断纵波但却能捕获弯曲波，通过一些弯曲波的实验来观察它们的性能。特别地，我们还会考虑测量裂纹体中产生的弯曲波，这种弯曲波是与裂纹体相切产生的。通过这些实验，不使用最佳偏置磁系统很难检测小裂缝的问题将得到处理。磁致伸缩位移传感器测量的信号分析了弯曲波在时域平面准确的损失。前言当时变力学施加到铁磁性材料上时，铁磁性材料内部的磁场发生了变化。这种现象被称为逆磁致伸缩效应或Villari effect1-2。磁致伸缩材料和磁机械传感器测量铁磁材料中的弹性应变波就是基于这一现象。其他传感器，基于机电或压电原理也可用于测量弹性波，但只有磁致伸缩传感器的非接触测量能力。此外，磁致伸缩传
3、感器具有一个简单的配置：传感器的线圈周围只包含样本和一个或多个偏置的永磁铁。铁磁材料的磁通密度的变化转换为周围的线圈中电压的变化。迄今为止，磁致伸缩位移传感器的应用大多集中在铁磁波导中的竖向和扭转波的测量。然而，最近，传感器也被用于弯曲振动的测量和waves3。最近的一篇论文表明，当传感器用来测量弯曲波，必须仔细选择偏磁铁的位置. Cho eta 提出最佳的形状的永久磁铁和 Kim 和 Kimalso 提出的基于拓扑优化偏置磁悬浮系统得到高性能超磁致伸缩传感器适用测量铁磁波导中传播的弯曲波。用轭代替永磁磁致伸缩传感器有其优点，它可以调整偏置磁场的强度和与永磁的比较成本效益。我们在本研究的目的是
4、调查这些优化轭所产生的偏置磁场对测量信号输出的影响。特别是，我们重点在一个圆柱体的弯曲将小波损伤检测。将球方法已被用来作为一种标准的方法来生成弹性弯曲波8-9。山脊分析程序，是用来估计连续Gabor小波变换(GWT)9的瞬时频率、快速识别不同的色散波信号的有效和强大的时频分析工具。分析：偏磁系统优化设计在这项工作中，我们会考虑图 1 中所示永铁磁圆柱波导中的弯曲波的测量。图1所示的线圈电压输出是铁磁圆柱体中磁场在x=xs这条弹性弯曲波变化的结果。可见，输出电压V（xs,t）可以写作： （1） 其中B是沿着x轴的磁通密度。在式1中，cj是常数，n是线圈的匝数。扬氏模量和旋转的圆柱截面分别显示为E
5、和0。从式1中，我们可以看出当积分最大是我们将得到传感器最大的电压输出。因此，如果我们最大化下面的积分f(x)，传感器的性能将达到最大化: (2)图1 由线圈和偏见磁铁组成磁致伸缩传感器在长铁磁圆柱体中测量弯曲波的应用为了将传感器线圈的电压输出最大化，下面可以设置下面的最大化问题。Kim和Kim6-7使用拓扑优化的方法找到了最优的枷锁形状。方程(3)是式2的离散版本。用有限元法为偏置的轭设计区域得到的，nsy表示在圆柱体中x=xs在y方向上的节点数，nd 是密度pg设计变量的总数。这些变量被分配到设计域中的所有有限元素。式3的不平等是偏置轭重质量M0限制的体现， 其中Ve是单元面积。在图 2
6、中给出了拓扑优化方法优化的轭配置。图2中展示了三种不同的磁致伸缩传感器的轭。(a)基本的轭 (b)采用线性拓扑优化的轭 (c)采用非线性拓扑图优化的轭B、连续小波变换（CWT）CWT在分析信号的局部特征中是一个非常有效的时频分析工具。对于一个平方可积的信号函数f(t)，连续小波转换Wf被定义为这里()*是（）的共轭复数。在式4中 (t)是满足以下条件的母小波。是的傅里叶变换形式。式5的微分形式为：是通过对s积分和对u变量进行转换得到的。本研究采用Gabor小波作为小波母函数：其中 n 是 的中心频率， 表示的传播时间。Gabor 小波由n和的乘积Gs控制。Gs=(9)通过调整Gs的值、Gabo
7、r小波可以获得一个理想的形状。C：实验我们进行了几个实验来探讨轭的配置对被测信号的幅度的影响。图3：用于在中心钢球激发固体环梁的实验设置。在图3中，一个裂纹梁被简单的支撑着。梁在A位置被一个下降的小钢球激发。产生的弯曲波的影响在B点通过不同轭配置的磁致伸缩传感器以20微秒的采样率测量。在C点该梁有一个小裂缝，大小形状如图3（d）所示。通过对传感器测得的信号进行时域分析, 连续Gabor小波和Gs=3.5是用来作为小波母函数。用于配置实验系统的数据如下：圆柱测试杆：材料=低碳钢，长度=1.4 m，直径=10 mm，裂纹尺寸=2 mm 和 3mm投掷物：材料=低碳钢，直径=10 mm，长度=30
8、mm，质量=17.4 g。（头加工成半球形，确保点撞击）传感器线圈：位置=距离右端0.6m处，100匝，直径0.12mm铜丝。（缠绕在丙烯酰基管上）电磁体线圈：50匝，0.3mm铜丝，标称电流密度=3.5 A/mm2。通过连续小波变换分析信号如图所示，图4：D=3mm，图5：D=2mm。图3中给出了三种不同的轭在B点测得的裂纹尺寸D=3mm的信号。图4表明3种轭都成功的捕获到了弯曲波；弯曲波在时频平面的色散特征明显。图4和图5的时间表明波的到达时间有一定的频率分量。图中厚虚线表示的脊对应着|wf(u,s)|函数的最大点的轨迹。在图4中，尺寸参数转化为评率f使用下面的关系式。 (10)式中fs为
9、信号f(t)的采样频率。Wf(u,s)中的u为图4，图5中的时间。中间的等高线是裂缝C的反射波，这是显而易见的。在给定的光滑频率曲线中，频率在10KHZ到30KHZ，使用图3(c)测的信号的结果是最好的，图5给出了D=2mm的被测信号。图4：给出了在B点的被测信号的图谱和曲线 使用Gs=3.5和D=3mm的参数（a）使用图3(a)的轭 （b）使用图3(b)的轭 （c）使用图3(c)的轭图5：给出了在B点的被测信号的图谱和曲线 使用Gs=3.5和D=2mm的参数（a）使用图3(a)的轭 （b）使用图3(b)的轭 （c）使用图3(c)的轭现在，让我们检查沿某一特定频率波信号的数量。图6给出了在f=
10、15khz情况下|wf|信号的数量。在图6.a中，使用图3(b)的轭测得的信号数量比使用图3（a）的轭测得的数量多%37。使用图3(c)的轭增加了大概%10的信号。图6.（b）表明使用图3（b）和图3（c）的轭在D=2mm的情况下，峰值数据与基本的轭相比分别增加了%60和%73。这表明了在检测小裂纹中使用最优偏磁系统的重要性。当缺陷非常小时，从缺陷中反射回来的波会隐藏在噪声中，这时候磁轭优化就显得十分重要了。由于传感器的性能手磁通密度分布的影响，这样研究在x=xs的磁通分布就变得有意义了（参考图7）。图7展示了通过ANSYS仿真的三种磁轭的磁通密度分布。使用图3(b)的静态磁通分布和使用图3（
11、c）磁轭得到的分布非常接近。得到这样的结论是由于探测点附近的磁轭形状相似。 最后我们尝试使用图4中测得的信号估计缺陷的位置C。为了估计从B到C的距离，我们用 （10）式中是波到达A位置和第一次底波时间的差值。应该注意到，群速度Cg(f)是从试验测量信号中找到。 从图8可以看出使用图3（b）和图3（c）的磁轭可以准确的估计到缺陷的位置。图8结论这项工作涉及到偏置磁轭系统对磁致伸缩传感器在测量长圆柱体中的弹性弯曲波的影响。实际试验是在有裂纹的长圆柱体中进行的。考虑了两种优化磁轭偏置系统相对于基础的磁轭的表现。通过对在时域平面和特定的频率条件下从小裂缝得到的反射波的质量来检查偏置磁轭的性能。实验结果
12、表明优化偏置磁轭比基本磁轭表现要好。尽管不是那么明显，非线性的拓扑优化偏置磁轭系统表现要比线性的拓扑优化偏置磁轭效果好。参考文献1 D. C. Jiles, “Theory of the magnetomechanical effect,” J. Phys. D: Applied Physics, Vol. 28, pp. 1537-1546, 19952 J. P. Joule, “On the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars,” Phy. Mag. Vol. 3 pp. 30-76, 18473
13、 H. Kwun and C. M. Teller, “Magnetostrictive generation and detection of longitudinal, torsional, and flexural waves in a steel rod,” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 3(2), pp. 1202-1204, 1994 4 H. Lee and Y. Y. Kim, “Wave selection Using a Magnetomechanical sensor in a solid cylinder,” J. Acoust. Soc. Am.
14、，Vol. 112(3), pp 953-960, 20025 S. H. Cho, Y. Kim, and Y. Y. Kim, “The Optimal Design and Experimental Verification of the Bias Magnet Configuration of a Magnetostrictive Sensor for Flexural Wave Measurement,” Sensors and Actuators: A Physical, Vol. 107, pp 225-232, 20036 Y. Y. Kim and W. Kim, “Yoke Topology optimization of the Bias Magnetic System in a Magnetostrictive Sensor,”KSME (Korean Society of the Mechanical Engineers) Journal A (in Korean), submitted, 20037 W. Kim and Y. Y. Kim,” Design of a Bias Magnetic System of a Magnetostrictive Sensorfor Flexural Wave Measurement,” IEEE Trans.
