长距离钢轨检测中压电超声换能器的特性优化及应用研究

发布时间：2022-12-18 12:36

　　超声导波技术因具有检测频率低、检测距离长、抗电磁干扰能力强、覆盖范围大等特点,因此在断轨实时检测应用中具有潜在优势。本文以超声导波断轨检测应用为研究背景,重点研究压电超声换能器的特性优化,以期提高超声导波在钢轨中的传播效率。由于超声导波在钢轨中传播时受能量衰减、多模态、频散和现场噪声等影响,从而导致接收超声导波信号的幅度低下且信噪比差。因此,本文主要从压电超声换能器阻抗匹配、驱动电路优化、激励信号优化等方面入手系统地研究压电超声换能器的特性优化问题,主要工作如下:1.为了深入地研究纵向振动夹心式压电超声换能器（以下简称为压电超声换能器）的机电特性,基于一维波动和传输线理论,建立了纵向振动夹心式压电超声换能器PSpice等效电路模型和一发一收装置PSpice等效电路模型。分别从时域和频域对建立的压电超声换能器PSpice模型和一发一收装置PSpice模型进行分析,并通过实验验证了所建模型的准确性。研究发现,上述建立的压电超声换能器PSpice模型扩展性强,可与放大器、驱动电路、二极管等相结合。2.为了解决压电超声换能器与驱动电路以及钢轨表面的阻抗匹配问题,分别从电学端和声学端研究了阻抗匹... 

【文章页数】：151 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 钢轨断裂检测方法研究现状
        1.2.2 钢轨超声导波检测研究现状
        1.2.3 压电超声换能器特性优化研究现状
    1.3 论文研究内容与结构
    1.4 本章小结
2.超声导波断轨检测系统及相关理论基础
    2.1 基于超声导波的实时断轨检测系统
    2.2 超声导波相关概念
        2.2.1 超声导波
        2.2.2 相速度与群速
        2.2.3 多模态及频散特性
    2.3 压电超声换能器常见振动模式
        2.3.1 伸缩振动
        2.3.2 厚度剪切振动
        2.3.3 弯曲振动
    2.4 压电超声换能器分析方法与理论
        2.4.1 模态分析及谐响应分析理论
        2.4.2 等效电路法
        2.4.3 有限元分析法
    2.5 压电超声换能器阻抗匹配理论
        2.5.1 压电超声换能器电阻抗匹配
        2.5.2 压电超声换能器声阻抗匹配
    2.6 本章小结
3 纵向振动夹心式压电超声换能器PSpice模型研究
    3.1 夹心式压电超声换能器PSpice模型建立
        3.1.1 夹心式压电超声换能器结构
        3.1.2 夹心式压电超声换能器PSpice模型参数计算
        3.1.3 夹心式压电超声换能器与一发一收装置PSpice模型
    3.2 夹心式压电超声换能器PSpice模型验证
        3.2.1 夹心式压电超声换能器PSpice模型
        3.2.2 一发一收装置PSpice模型
    3.3 厚度振动夹心式压电超声换能器分析
    3.4 本章小结
4 阻抗匹配对压电超声换能器机电特性的影响研究
    4.1 电阻抗匹配对压电超声换能器机电特性的影响研究
        4.1.1 含电阻抗匹配网络的压电超声换能器PSpice模型
        4.1.2 匹配网络的选择及参数计算
        4.1.3 阻抗分析
        4.1.4 时域瞬态分析
    4.2 声阻抗匹配对压电超声换能器机电特性的影响研究
        4.2.1 声耦合剂的选择与制备
        4.2.2 时域瞬态分析
        4.2.3 频域分析
    4.3 本章小结
5 压电超声换能器驱动电路优化研究
    5.1 压电超声换能器驱动电路分析
        5.1.1 压电超声换能器振动分析
        5.1.2 功率MOSFET吸收电路
        5.1.3 压电超声换能器电阻抗匹配
        5.1.4 压电超声换能器驱动电路拓扑
    5.2 全桥高压脉冲驱动电路
        5.2.1 驱动电路总体方案
        5.2.2 功率MOSFET驱动方案
        5.2.3 电源电路及驱动电路实现
    5.3 同传统驱动电路对比分析
        5.3.1 驱动电路输出电压对比
        5.3.2 压电超声换能器接收电压对比
    5.4 吸收和匹配电路对驱动电路的影响研究
        5.4.1 关断过冲和振荡的抑制
        5.4.2 阻抗匹配和吸收电路对输出电压的影响
        5.4.3 阻抗匹配和吸收电路对接收电压的影响
    5.5 钢轨断裂检测与分析
    5.6 本章小结
6 压电超声换能器激励信号优化研究
    6.1 压电超声换能器最佳激励频率追踪研究
        6.1.1 跟踪滤波器
        6.1.2 最佳激励频率追踪实现
        6.1.3 实验验证与结果分析
        6.1.4 频率追踪方法比较
    6.2 编码激励研究
        6.2.1 巴克编码与脉冲压缩
        6.2.2 巴克编码激励分析
    6.3 自适应峰值检测研究
        6.3.1 峰值检测算法
        6.3.2 峰值检测算法验证
        6.3.3 峰值检测算法性能比较
    6.4 本章小结
7 总结与展望
    7.1 总结
        7.1.1 主要完成工作
        7.1.2 创新点
    7.2 展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间主要研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]钢轨轨头浅表面缺陷的空气耦合超声导波检测[J]. 常俊杰,李媛媛,李光亚.  无损检测. 2018(03)
[2]钢轨轨腰缺陷激光-电磁超声检测及信号处理[J]. 孙继华,赵扬,南钢洋,马健,刘帅,王启武,巨阳.  激光杂志. 2017(12)
[3]长轨检测超声换能器驱动电路的设计[J]. 魏小源,杨媛,王洋.  压电与声光. 2017(06)
[4]一种具有甩尾功能的高压脉冲产生电路[J]. 郝宪锋,成向阳.  科学技术与工程. 2016(21)
[5]基于超声导波的钢轨完整性检测方法研究[J]. 朱力强,许西宁,余祖俊,史红梅,段翔宇.  仪器仪表学报. 2016(07)
[6]高频医用超声换能器材料声匹配特性研究[J]. 刘鹏波,简小华,韩志乐,李章剑,崔崤峣.  压电与声光. 2016(03)
[7]钢轨轨底斜裂纹的超声导波散射特性[J]. 卢超,盛华吉,宋凯,林俊明,何方成.  无损检测. 2016(05)
[8]一种新的超声导波信号小波阈值去噪方法[J]. 张磊,杨媛,李文涛,高勇.  西安理工大学学报. 2015(03)
[9]基于扩展BVD模型的压电换能器电匹配研究[J]. 艾春安,韩兆林,李剑,蔡笑风,蒋杰.  科学技术与工程. 2015(05)
[10]中国高速铁路的发展历程与展望[J]. 干佳薇.  经济研究导刊. 2014(17)

硕士论文
[1]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014



本文编号：3722066