稀土超磁致伸缩换能器及其优化设计软件包的研究和开发

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1、摘要目前被广泛使用的超声无损检测设备中，超声发射源为压电陶瓷震源，其辐射功率相对较小，穿透能力差，因此无法适应越来越多的大型桥梁中大体积结构件(如桥台、桥墩、箱梁和T梁等)的检测检验要求。而超磁致伸缩震源具有发射功率大、余震短、传播距离远；机械强度高、工作电压低、体积小等优点。通过调查与分析研究目前主流的超磁致伸缩稀土换能器的特性及设计方法，开发出了一套换能器优化设计软件包。应用该软件包设计并研制了适用于桥梁无损检测的大功率高性能稀土换能器。将该换能器应用于无损检测仪器中，可准确测量超声波在介质(如混凝土)中的声速，从而实现了桥梁和大体积混凝土内部质量的

2、超声无损探测。开发的软件包使用四端网络法并结合傅立叶变换法，对超磁致伸缩稀土换能器进行了计算分析，软件包在输入换能器的一些结构和材料参数后，就可以以数据和曲线形式给出计算结果。利用该软件包可以对换能器的预压力大小、电气结构参数及几何结构尺寸进行优化，从而为换能器的设计提供了理论依据。论文使用有限元法对稀土换能器磁场分布进行了计算。有限元计算结果与四端网络法计算结果两者相吻合，验证了所开发软件包计算结果的有效性。通过对换能器在小信号下的阻抗特性和大电流激励下发射的超声波波形进行实测，并将实测结果与软件包计算结果进行对比分析，进一步验证了软件包计算结果的正确

3、性。最后，以开发的软件包为计算分析工具，优化并研制出了适于桥梁无损检测的大功率稀土换能器。发射功率大于10kw，发射信号接近单脉冲，主频为43kHz，余震很小。关键词：超磁致伸缩；稀土换能器；软件包；超声波；无损检测AbstractTheultrasonicemissionsourceinthewidelyusedultrasonicnondestructivetestingdevicenowispiezoelectricceramic．Itsradializationpowerislowandpenetratingcapabilityisnotgood

4、，SOitdoesn’tmeetthetestingrequirementofmasscomponeminthelargebridge(suchasbridgetower、pier、girder)．Howevergiantmagnetostrictivmaterialhasmanyadvantages，likehighradializationpower,shortaflershock，longtransmitingdistance，lowworkvoltage，smallvolumesandSOon．Byresearchingandanalysingt

5、heidiosyncrasyanddesignmethodoftheprevalentGiantMagnetostrictiyTransducer,asuitofsoftwarepackagehasbeenempolderedwhichcanoptimizethetransducer．Therareearthtransducerwhichhashighpowerandgoodperformancehasbeenmadebyusingofthenewsoftwarepackage．Thiskindoftransducerissuitablefornonde

6、structivetestingofbridge．Usingthistransducer，thenondestructivetestingdevicecanmeasurethetransmitvelocityofultrasonicintheload(suchasconcrete)accvrately．Andhencetheultrasonicnondestructivetestingaboutqualityofbridgeandmassconcreteinsidehasbeenrealized．Thenewsoftwarepackageisempold

7、eredbyusingofFour-terminalNetworkMethodandFouriertransform．TheGMMtransducerhasbeencalculatedandanalysedbyit．ThesoftwarepackageCangivetheresultbydataandcurveafterinputingsomestructureandmaterialparametersofthe仃ansducer．nCanalsooptimizethetransducer．Itcanoptimizetheprepressure、elec

8、tricalstructureandgeometricalstructureof