论文摘要
针对钢管在各行业的广泛应用,通过现有检测手段很难进行高效率、低成本的检测,研究了一种利用磁致伸缩换能器原理激励出超声导波进行无损检测的系统,本系统可以实现大范围、长距离构件的低成本、高效率检测。本课题首先设计了一个基于磁致伸缩原理的超声导波换能器,然后设计了一套基于FPGA与ARM硬件架构的信号激励与处理平台,在此硬件平台上进一步设计了友好的人机界面及控制逻辑。通过在一根76mm管径的钢管实验,验证了该系统对1%横截面损失的无损检测性能。论文第一章在简要介绍了管材应用及检测方法的基础上,概述了超声导波的研究现状；通过对国外已经商业化的几种超声导波检测系统的性能对比,进一步明确了本课题所研究的磁致伸缩超声导波检测系统的意义和目标；最后提出了本课题研究的主要内容,为之后的研究工作指明思路。论文第二章首先引入各向同性弹性固体中的运动方程,进一步以空气中的空心钢管为模型分析了超声导波的多模态和频散,得出在T(0,1)扭转模态下的低频导波理论上是非频散的且模态单一；设计了一种磁致伸缩超声导波换能器,并通过换能器结构设计及信号采集处理方法实现了超声导波单方向传播与接收；最后通过试验数据论述了短时傅立叶变换在超声导波回波信号提取中的应用,试验结果表明短时傅立叶变换应用的有效性。论文第三章首先设计了磁致伸缩超声导波无损检测系统框图,主要包括磁致伸缩扭转波换能器、嵌入式人机界面、嵌入式控制模块、激励信号源、功率放大模块、信号放大模块、信号滤波、AD采集等；然后设计了系统硬件架构,主要由FPGA和ARM组成的系统控制及人机界面模块；对ARM.FPGA及嵌入式操作系统的选择分别进行了分析；对几个关键硬件模块如锂电池管理、信号滤波器、数模与模数转换器以及无线通讯定位模块进行了分析设计,部分进行了仿真；最后从信号完整性的角度,分析了PCB的层叠设计和部分走线设计。论文第四章首先分析了DDS信号源的特点及杂散效应,并给出了相应的解决方法及逻辑设计原理；对数据采集和数据传输部分的逻辑设计进行了分析；最后阐述了嵌入式软件的实现方法及功能,包括数据采集软件和数据分析软件。论文第五章首先提出了系统测试的方法,包括硬件的环境可靠性测试方法、电磁兼容性测试方法和软件测试方法；之后通过对一根管径76mm壁厚4mm钢管进行1%缺陷的实际检测,检测结果中缺陷的回波信号明显,表明了本系统在进行1%横截面损失的检测中的有效性。论文第六章对本课题的研究做了全面总结,提出了本课题在研究工作中存在的问题,以及今后研究工作的重点。