钢轨应力的电磁超声检测技术研究

论文摘要

超声波技术是测量钢轨应力一种重要手段。电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）是一种新型的超声发射接收装置。由于其具有不需要耦合剂和无需接触等特点,得到了越来越多的关注。本文首先论述了电磁超声技术的发展与应用,深入研究了电磁超声的理论基础,将EMAT分为三个相互联系的场:电磁场,机械力场和超声波场,推导出了相应的物理方程式,并得到了电磁超声系统的完整表达式;分析了固体中几种常见的超声波型,并结合声弹性理论,给出了应力和表面波的传播时间之间的关系。其次,对电磁超声的检测系统进行了设计。研究比较了永磁铁和两种电磁铁的特点,讨论了线圈结构对超声波模式的影响,设计了电磁超声检测探头。利用集成移相全桥控制芯片UCC2895设计了脉冲串信号发生器,并利用MOSFET组成全桥逆变电路对信号进行功率放大,着重研究了MOSFET的驱动特性以及相应的驱动参数的选择方法,设计了驱动电路。研究了EMAT的阻抗匹配方法,提高了发射效率和接收信号的信噪比。最后,在实际钢轨上进行了一系列的实验研究。首先对会影响钢轨应力测量结果的因素进行了实验分析和研究,优化了检测系统;其次,对钢轨进行应力加载试验,给出了钢轨的应力-声时关系,为下一步实现钢轨应力的动态检测奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 钢轨应力测量技术的发展现状
• 1.2.1 机械有损检测法
• 1.2.2 标定轨长法
• 1.2.3 物理无损检测法
• 1.3 电磁超声检测技术的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究情况
• 1.3.2 国内研究情况
• 1.4 本课题主要的研究内容
• 第二章 电磁超声的基本原理
• 2.1 前言
• 2.2 电磁场
• 2.3 机械力场
• 2.3.1 非铁磁性材料在磁场中的力
• 2.3.2 铁磁性材料在磁场中的力
• 2.4 超声波场
• 2.5 EMAT 系统的完整方程式
• 2.6 固体中的超声波
• 2.6.1 超声波的种类
• 2.6.2 固体中超声波的传播速度
• 2.7 电磁超声波应力检测的基本原理
• 2.7.1 声弹性效应
• 2.7.2 表面波应力检测原理
• 2.8 本章小结
• 第三章 电磁超声换能器的设计
• 3.1 前言
• 3.2 偏置磁场
• 3.2.1 永磁铁
• 3.2.2 电磁铁
• 3.2.3 激励磁体的选择
• 3.3 线圈设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 电磁超声检测系统电路设计
• 4.1 前言
• 4.2 信号发生电路
• 4.2.1 UCC2895 的基本原理
• 4.2.2 信号发生电路的设计
• 4.3 全桥逆变电路
• 4.4 MOSFET 驱动研究
• 4.4.1 MOSFET 开关特性
• 4.4.2 MOSFET 转换过程的功率损耗
• 4.4.3 栅极电荷曲线即驱动电流的计算
• 4.4.4 驱动功率
• 4.5 MOSFET 隔离驱动电路设计
• 4.5.1 MOSFET 栅极隔离驱动电路的要求
• 4.5.2 隔离类型
• 4.5.3 隔离驱动电路设计
• 4.6 阻抗匹配电路设计
• 4.7 电磁超声接收电路的设计
• 4.8 本章小结
• 第五章 钢轨应力的电磁超声检测实验
• 5.1 电磁超声实验研究
• 5.1.1 电磁超声发射-接收实验
• 5.1.2 激励脉冲个数对检测的影响
• 5.1.3 发射-接收探头距离对检测的影响
• 5.1.4 提离距离对检测的影响
• 5.2 钢轨声时-应力系数标定
• 5.2.1 应力加载系统设计
• 5.2.2 声时-应力标定实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表论文和科研成果