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《磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究》篇一一、引言磁致伸缩直线位移传感器（Magnetostrictive Linear Position Sensor）作为一种重要的位移测量装置，具有高精度、高稳定性和高响应速度等特点，广泛应用于各种自动化系统和工业测量中。
该传感器利用磁致伸缩效应（Magnetostrictive effect）原理，通过测量磁性材料在磁场作用下的伸缩变化，实现位移的精确测量。
本文旨在研究磁致伸缩直线位移传感器的弹性波机理，分析其工作原理及影响因素，为进一步提高其测量精度和稳定性提供理论依据。
二、磁致伸缩效应及传感器结构磁致伸缩效应是指磁性材料在磁场作用下发生伸缩变形的现象。
磁致伸缩直线位移传感器主要由磁性材料、传感器线圈、永磁体等部分组成。
当传感器线圈中通过电流时，会产生磁场，该磁场与永磁体相互作用，使磁性材料发生伸缩变形。
这种变形量与电流大小及方向密切相关，从而实现了位移的测量。
三、弹性波机理研究1. 弹性波的产生与传播在磁致伸缩直线位移传感器中，当磁场作用于磁性材料时，材料内部会产生应力波，即弹性波。
这种弹性波以一定的速度在材料内部传播，并引起材料的伸缩变形。
弹性波的产生与传播受材料性质、磁场强度及频率等因素的影响。
2. 弹性波的传播特性弹性波在传播过程中具有特定的传播速度和传播路径。
传播速度与材料密度、弹性模量等性质有关。
此外，传播路径还会受到传感器结构、外界干扰等因素的影响。
因此，了解弹性波的传播特性对于提高传感器的测量精度和稳定性具有重要意义。
3. 影响因素分析（1）材料性质：磁性材料的性质对弹性波的产生与传播具有重要影响。
不同材料的密度、弹性模量等性质不同，导致弹性波的传播速度和传播路径存在差异。
因此，选择合适的磁性材料是提高传感器性能的关键。
（2）磁场强度与频率：磁场强度和频率直接影响弹性波的产生与传播。
增大磁场强度或提高频率，可提高传感器的响应速度和测量范围。
弹性波与结构动力学引言：弹性波是物质中传播的一类波动现象，它在结构动力学中起着重要的作用。
通过研究弹性波的传播特性，我们可以深入了解结构的振动行为，进而为工程结构的设计和安全性评估提供理论支持。
一、弹性波的基本概念弹性波是一种沿着介质中传递的机械波，其传播过程中介质的形状和体积保持不变。
弹性波包括两种类型：纵波和横波。
纵波是沿传播方向的波动，介质中的粒子在波传播过程中沿波的传播方向振动。
而横波是垂直于传播方向的波动，介质中的粒子在波传播过程中垂直于传播方向振动。
二、弹性波的传播特性弹性波在传播过程中受到介质本身刚度和密度的影响。
根据介质的性质不同，弹性波的传播速度也不同。
例如，在固体中，纵波的传播速度大于横波的传播速度；而在液体中，纵波和横波的传播速度相等。
此外，弹性波的传播还受到外部条件的限制，如介质的边界条件和存在的障碍物。
这些因素会使波动的传播方向改变，产生反射、折射和散射现象。
三、结构动力学中的应用结构动力学旨在研究结构体在受到外界力作用下的响应行为。
通过研究弹性波的传播和结构的振动特性，我们可以了解结构在承受外力时的变形和应力分布情况，从而评估结构的安全性和稳定性。
1. 弹性波的成像技术利用弹性波的传播特性，我们可以将其应用于结构的成像技术中。
通过在结构表面上布置传感器，并采集传感器上的信号信息，可以获得结构内部的振动分布情况。
这对于检测结构的缺陷和损伤以及评估结构的健康状况具有重要意义。
2. 弹性波在地震工学中的应用地震是一种具有较高频率和较大能量的弹性波。
研究地震波的传播行为可以帮助我们了解地震的发生机理和地震波对结构的影响。
通过地震波的预测和分析，可以为建筑物的抗震设计和城市的抗震规划提供科学依据。
3. 结构动力响应的数值模拟结构动力学中的数值模拟是利用计算机模拟方法来分析结构体在受到外力激励下的响应行为。
其中，弹性波的传播特性被广泛应用于模拟结构的振动响应。
通过建立结构的有限元模型和适当的边界条件，可以计算结构在不同外力作用下的动态行为，为工程师提供设计和评估结构安全性的参考。
弹性波的传播弹性波是一种在固体、液体和气体中传播的机械波，具有很广泛的应用。
在地震学、地质勘探、无损检测、声波成像等领域，弹性波的传播特性研究具有重要意义。
本文将从弹性波的定义及分类、传播方式、传播速度、传播特性以及应用等方面进行详细论述。
一、弹性波的定义及分类弹性波是一种沿着固体、液体和气体中传播的机械波，其能量主要以弹性势能和动能的形式传播。
根据传播介质的状态，弹性波可以分为固体波、液体波和气体波。
固体波包括纵波(压缩波)和横波(剪切波)两种类型。
纵波是指介质中颗粒沿波的传播方向振动，具有压缩和膨胀的特点；横波则是介质中颗粒沿垂直于波的传播方向振动，具有剪切的特点。
液体波主要是纵波，而气体波则主要是横波。
二、弹性波的传播方式弹性波在传播过程中可以存在多种传播方式，如直接波传播、折射波传播、反射波传播和散射波传播等。
直接波传播是指直接从波源向外传播的波，沿着传播路径传递能量。
折射波传播是指当弹性波传播介质发生密度、速度等物理特性发生变化时，波传播方向发生偏离的现象。
反射波传播则是指当弹性波遇到介质界面时，部分能量被反射回原介质，形成反射波。
散射波传播是指当弹性波遇到界面或者障碍物时，部分能量被散射到各个方向，形成多个散射波。
三、弹性波的传播速度弹性波的传播速度与介质的物理性质有关。
在固体介质中，纵波的传播速度比横波的传播速度要大，这是因为纵波是介质颗粒沿波的传播方向振动，颗粒之间的相互作用比较紧密，传播速度相对较高。
而横波则是介质颗粒沿垂直于波的传播方向振动，颗粒之间的相互作用较弱，传播速度相对较低。
液体介质中的弹性波传播速度相对较低，而气体介质中的弹性波传播速度最低。
这是因为液体和气体的分子之间相互作用较弱，颗粒振动传递能量相对困难，导致传播速度较慢。
四、弹性波的传播特性弹性波的传播特性主要包括衰减、折射、反射和散射等。
弹性波传播过程中会发生能量的损耗，即衰减现象。
这是因为弹性波在传播过程中受到介质内部的摩擦力和介质之间的摩擦力的作用，导致波幅逐渐减小。
构造过程中孔隙弹性与弹性波传播特性引言构造工程中，对于岩石、土壤等地质材料的认识和研究是至关重要的。
而对于这些材料的孔隙弹性与弹性波传播特性的了解，不仅可以帮助我们更好地理解构造形成的机制，还可以为工程设计和地质灾害预测提供一定的指导。
因此，研究孔隙弹性与弹性波传播特性具有重要的应用价值。
一、孔隙弹性对构造形成的影响孔隙弹性是指材料中存在的孔隙对材料弹性性质的影响。
在构造形成过程中，岩石、土壤等地质材料中存在不同形状和大小的孔隙，这些孔隙对构造形成起到了重要的作用。
首先，孔隙的存在会降低材料的强度和刚度。
当应力作用于材料时，孔隙会成为应力集中的部位，从而导致材料的局部应变增大，强度下降。
因此，在构造形成过程中，孔隙的存在会使地质材料容易发生断裂和滑坡等现象。
其次，孔隙的存在还会影响材料的波速和波阻抗。
孔隙会使材料中的声波传播遭遇到散射和衰减，从而降低声波在材料中的传播速度。
此外，由于孔隙中的气体或液体与材料的声阻抗不同，导致声波传播时也会发生反射和折射。
因此，在构造形成的过程中，孔隙的存在会对地震波传播特性产生重要影响。
二、孔隙率对弹性波传播的影响孔隙率是指材料中孔隙所占体积的比例。
在构造工程中，孔隙率是一个重要的地质参数，其大小直接决定了材料的密实程度和力学性质。
孔隙率的增加会导致材料的波速降低。
由于孔隙率的增大会加大材料中的孔隙相互之间的间隙，从而增加了声波传播的路径，导致声波传播速度的降低。
这一特性在地质工程中具有重要意义，因为通过测量声波传播速度的变化，可以反推材料的孔隙率，从而了解材料的密实程度和孔隙结构。
同时，孔隙率的增大也会导致材料的波阻抗变化。
波阻抗是指波在不同介质之间传播时的阻抗差异。
当孔隙率增大时，材料中的孔隙相对于固体材料的体积比例增加，由于孔隙中的气体或液体与固体材料的声阻抗不同，导致波阻抗的变化。
这个变化会导致波在材料间的传播受到反射和折射的影响，从而改变了波的传播方向和能量衰减。
弹性波传播的实验观察与分析弹性波传播的实验观察与分析弹性波是一种在固体、液体和气体等介质中传播的机械波。
在物理学中，弹性波包括了声波和地震波。
弹性波的传播是由介质中的分子或原子振动传递能量而引起的。
为了观察和分析弹性波的传播特性，我们进行了一系列的实验。
实验背景：实验中使用的模型是一个弹性绳，绳的一端固定在支架上，另一端通过手的抖动产生弹性波。
我们用一个光电门来检测弹性波传播的时间。
实验目的：1．观察弹性波在绳中的传播。
2．探究弹性波传播的速度与绳的性质之间的关系。
3．分析弹性波的特点及其在实际生活中的应用。
实验步骤：1．将一端固定的弹性绳通过手的快速抖动产生激励，使弹性波传播。
2．在绳的几个不同位置放置光电门，用于检测弹性波传播的时间。
3．记录光电门探测到的时间，并计算出弹性波传播的速度。
4．将实验结果整理并进行分析。
实验结果：实验中我们分别在绳的三个不同位置放置了光电门。
我们的实验数据如下：光电门一探测到弹性波的传播时间为0.5秒，光电门二探测到弹性波的传播时间为1.0秒，光电门三探测到弹性波的传播时间为1.5秒。
实验分析：通过实验数据可以计算出弹性波在绳中的传播速度。
根据速度=距离/时间的公式，我们可以计算出：光电门一探测到的位置距离抖动点0.5米，所以弹性波在绳中的传播速度为0.5米/0.5秒=1米/秒；光电门二探测到的位置距离抖动点1米，所以弹性波在绳中的传播速度为1米/1秒=1米/秒；光电门三探测到的位置距离抖动点1.5米，所以弹性波在绳中的传播速度为1.5米/1.5秒=1米/秒。
从实验结果可以看出，弹性波在绳中传播的速度是恒定的，即在这个实验中，弹性波的传播速度为1米/秒。
实验结论与应用：弹性波在介质中传播的速度与介质的性质有关，而与波的频率、振幅和波长等无关。
在实际生活中，弹性波的传播特性在很多方面都有应用。
例如，声波传播在通信技术中被广泛使用，地震波传播的研究可以预测地震的发生和震源的位置等。
弹性波传播与介质特性弹性波是在物质中传播的一种波动形式，它是由介质中的分子或离子振动引起的。
弹性波的传播可以揭示介质的物理性质和结构特征，因此在地球物理学、工程地质学、材料科学等领域具有重要的应用价值。
弹性波的传播速度与介质的物理特性密切相关。
例如，在固体中，弹性波传播速度与介质的刚度有关。
对于同一类型的弹性波，其传播速度在不同介质中可能存在较大的差异。
这是因为介质的密度、成分、结构等因素都会对弹性波的传播产生影响。
弹性波的两种主要类型是纵波和横波。
纵波是沿着波的传播方向进行压缩和膨胀的波动形式，类似于我们在弹簧中产生的波动。
横波则是垂直于波的传播方向进行振动的波动形式，类似于我们在绳子上产生的波动。
根据介质的不同，弹性波传播的方式和特性也有所不同。
在地球物理学中，地震波是一种重要的弹性波。
当地壳发生地震或爆炸等现象时，产生的能量会以地震波的形式向外传播。
通过观测地震波的传播速度和振幅，我们可以推断出地下的岩石结构、地基稳定性等重要信息。
这对于地震灾害预测、矿产勘探、工程设计等方面具有重要的意义。
除了地震波，弹性波在非破坏性材料检测、医学影像学等领域也有广泛的应用。
通过利用纵波和横波在不同材料中的传播速度差异，我们可以对材料的结构、缺陷、应力状态等进行无损检测和分析。
在医学影像学中，例如超声波检查就是利用弹性波的传播和反射来对人体组织进行成像和诊断。
弹性波传播的研究不仅涉及传播速度，还包括波动的衍射、折射、散射等现象。
这些现象反映了介质的复杂性和非均匀性。
在地震学中，利用弹性波的衍射、散射等特性，我们可以研究地下介质的微观结构和物理性质，探索地球的内部构造和演化过程。
在工程地质学中，利用弹性波的传播特性，可以评估地基的稳定性和岩石的强度等重要参数，为工程项目的设计和建设提供科学依据。
总之，弹性波传播与介质特性紧密相连。
通过研究弹性波在不同介质中的传播特性和现象，我们可以深入了解介质的物理性质和结构特征。
弹性波在高压输电线中的传播特性杨永军1, 李华东1, 裘进浩2(1.山东电力研究院国家电网电力机器人技术实验室 济南,250002)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京,210016)摘要 采用压电陶瓷设计了一种适用于高压输电线结构健康监测的传感器,分析了该传感器在输电线表面激励弹性波,得到了弹性波在输电线中的传播特性。
利用Gabor小波变换计算传感信号到达时间的原理,试验得到了弹性波在输电线中传播的群速度频散曲线。
结果表明,在低频段(低于30kHz)时,弹性波在输电线中的传播模态比较简单,适合用于结构健康监测。
通过弹性波在输电线中的衰减试验,得到了信号峰值随传播距离的衰减曲线以及激励信号频率与信号峰值之间的关系曲线,得到弹性波在输电线中按照指数规律衰减。
关键词 输电线;弹性波;传播特性;Gabo r小波变换;结构健康监测中图分类号 T B553;TN384引 言长期以来,输电线在电力网中发挥着重要的作用。
钢芯铝绞线是输电线上普遍采用的导线材料,主要是利用镀锌钢芯承受荷载,利用外层铝绞线输送电能。
覆冰以及断股经常造成输电线路的舞动以致杆塔的倒塌以及电路短路,因此输电线的结构健康监测十分必要。
由于弹性波在结构中能够传播较远距离,而且对结构中的损伤比较敏感,所以在结构健康监测领域得到了广泛的应用[1]。
基于弹性波对输油管道以及铁轨的结构健康监测已经取得了比较成熟的研究成果,但是利用弹性波对输电线的结构损伤以及覆冰监测还是一个比较新的研究方向。
基于弹性波的结构健康监测技术一般采用压电元件作为激励与传感元件[2-4],通过分析监测信号遇到损伤时候产生的散射、反射等特征信号进行监测。
弹性波在输电线中的传播具有频散特性,选择合适的频率使信号频散最小成为监测能否实现的关键,对弹性波在输电线中的传播特性的研究显得尤为重要。
输电线结构比较特殊,一般是钢芯螺旋铝绞线,传统的压电功能器件以块状和片状居多,不易粘贴在非平面结构表面。
笔者根据实际的输电线,设计了一种夹持装置,将压电陶瓷片贴在夹持装置上,共同组成传感器。
通过试验系统,对弹性波在输电线中的传播特性进行了分析。
基于小波变换计算峰值到达时间的原理,得到了弹性波在输电线传播的群速度频散曲线,对不同的传播模态及频散特性进行了分析,为今后进一步选择适当的频率,利用弹性波对输电线进行结构健康监测提供了依据。
在不同位置布置传感器,基于小波变换计算峰值到达时间的原理,测得了Lamb在输电线中传播的衰减特性曲线,拟合得到了衰减规律。
1 波速测量原理1.1 基于小波变换计算峰值到达时间的原理 函数f(t)的连续小波[5-6]变换定义如下CW T(a,b)=∫∞-∞f(t)j*a,b(t)d t(1)其中:j a,b(t)=1aj t-ba为小波函数;符号“*”为其共轭变换;a为尺度因子;b为平移因子。
小波函数由母小波j(t)经过伸缩、平移后得到。
在允许条件下,通过a,b的移动,可得到一个灵活可变的时间-频率窗,高“中心频率”时,窗口自动变窄;低“中心频率”时,窗口自动变宽,达到时频分析的作用。
笔者选用的小波函数为Gabo r小波,提供了更好的时频分辨率。
Gabor小波函数[7-10]定义如下第32卷第2期2012年4月振动、测试与诊断Jo urnal o f Vibra tion,M easurem ent&Diag nosisV o l.32No.2Apr.2012国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)资助项目(编号:2007AA032104);国家自然科学基金中美合作项目(编号: 51161120326);教育部长江学者创新团队资助项目(编号:I RT0968)收稿日期:2010-11-12;修改稿收到日期:2011-08-29DOI:10.16450/ k i.i ssn.1004-6801.2012.02.029j m(t)=14e2πex p-t22e2+j k c t(2) 其傅里叶变换为j m(k)=2π4πe2ex p-(k-k c)22e2(3)其中:e,k c为正常数。
Gabo r小波函数看作中心在t=0的Gaussian窗函数,其傅里叶变换的中心为k=k c。
函数1aj m×t-ba的中心为t=b,其傅里叶变换a j m(a k)×ex p(-j k b)的中心为k=k c/a。
Gabo r小波变换CW T f(a,b)代表函数f(t)在t=b,k=k c/a附近的时频成分。
试验令k c=2π,则1/a等于中心频率f= k/2π。
考虑沿x方向传播、相同单位幅度、角频率不同的两个谐波构成的发散波为u(x,t)=e-i(k1x-k1t)+e-i(k2x-k2t)(4) 使用Gabor小波对u(x,t)作小波变换,得CW T u(x,a,b)=a{e-i(k1x-k1b)j m*(a k1)+e-i(k2x-k2b)j m*(a k2)}(5) 若Δk足够小,得到Gabo r小波变换(CW T u)模|(CW T u)(x,a,b)|≈ab|j m(a k c)|× [1+cos(2Δkx-2Δk b)]1/2(6) 结果表明,小波变换后的模在a=k c/k0,b= (Δk/Δk)x=x/c g时取得最大值,即在(a,b)平面上的峰值对应频率为k0=k c/a时的波包,以群速度c g 传播的到达时刻。
根据以上结论,信号峰值到达时间t为信号Gabo r小波变换的最大峰值所对应的时间,利用到达时刻测量出信号到达时间。
1.2 基于信号传播时间的波速测量原理试验系统基本思想是:驱动器在结构表面激发主动监测信号,同时传感器在同一表面的其他地方接收结构响应信号,并对信号进行分析。
笔者采用压电片(PZT1)进行激励,另一压电片(PZT2)进行传感(见图1),分别采集激励信号和传感信号,对两种信号做小波变换,得到激励信号的峰值到达时间t1和接收信号的峰值到达时间t2,弹性波在两传感器之间的传播速度v为v=L0/Δt(7)其中:L0为PZT1到PZT2的距离;Δt=t2-t1,Δt为信号从PZT1传到PZT2的时间。
由于L0一定,t1和t2可以通过对监测信号进行Gabo r小波变换得到,采用式(7)计算信号传播的速度v。
2 试验系统试验系统采用了2片压电片,1片用作激励信号,另1片用作接收信号。
整个试验系统包括功率放大器、电荷放大器、N I采集卡和计算机。
试验系统示意图如图1所示。
试验中,为了研究弹性波在输电线中的传播特性,采用0～80k Hz、幅值为10V的7波峰的正弦调制窄带信号作为激励信号。
因为正弦曲线周期性比较平滑,且达到波峰的时间相对于抛物线形状较快,通过调制之后的正弦信号的周期数越多,带宽越窄,一定程度上缓解了La mb传播过程中的频散。
经过多次试验得出,采用7波峰的正弦调制波在输电线中传播效率较高。
因此,笔者采用7波峰的正弦调制窄带信号作为激励信号。
图2所示为30 k Hz激励信号时的时域与频域图。
图1 试验系统示意图图2 激励信号的时域波形和频域波形2.1 输电线的结构输电线一般是钢芯铝绞线,所选材质为内层是7根钢芯,外层是26根铝绞线围绕的钢芯铝绞线,如图3所示。
其中每根钢芯的直径为2.32mm,每根铝绞线的直径为2.98mm,整个钢芯铝绞线的外径为18.88mm。
钢芯的计算截面为29.59mm2,铝绞线的计算截面为181.34m m2。
2.2 传感器的设计由于输电线的结构比较特殊,为了使压电片能够更好地与输电线接触,设计了一组夹持装置,夹持215 第2期杨永军,等:弹性波在高压输电线中的传播特性 图3 钢芯铝绞线装置是由铝合金制成,外径为22.3mm ,内径为18.88mm ,长30mm ,如图4所示。
将圆弧形的压电片贴在夹持装置上,压电片与夹持装置共同组成了传感器,这样组成的传感器可以夹紧在输电线上面,使传感器很好地与输电线接触,而且传感器可以很容易地沿着输电线移动,实现对输电线整体的监测,如图5所示。
图4 夹持装置和传感器图5 放置在输电线上的传感器与驱动器3 弹性波在输电线中传播的特性3.1 频散特性分析 在输电线中,不同的振动模态或振频的弹性波具有不同的相群速度,这种现象称为频散[11]。
试验中利用PZT1驱动元件激发不同频率的弹性波,对PZT2传感元件接收的信号进行小波变换,提取峰值到达时间信息,并根据式(7)计算波速,得到了弹性波在输电线中传播的群速度频散曲线,如图6所示。
通过分析频散曲线可以看出,在低频段(低于30k Hz)传播模态较少,仅有III,IV 2个模态。
随着频率的增加,频散越严重。
在高频段按照波速的大小会先后出现5个传播模态。
图7、图8分别为激励频率为25和35k Hz 下传感器接收的时域信号。
25k Hz 激励下,按照波速大小先后出现了III,IV 2个模态,35k Hz 激励下,按照波速大小出现了I,II,III 和IV 4个模态。
通过试验对相速度频散特性进行了分析,在不图6 群速度频散曲线图7 频率为25k Hz 时的接收信号波形图8 频率为35k Hz 时的接收信号波形同频率下,信号在传播过程中会出现许多传播模态,许多模态的传播速度差别不大,容易造成信号的混叠。
目前主要是利用损伤位置的反射回波信号实现对一维结构损伤的定位。
由于传播过程会有许多模态出现,使得损伤反射信号与其他模态叠加在一起,很难提取有用的特征信号。
不同的损伤类型对波的传播特性有很大影响,有的损伤对回波反射信号较强,有的则较弱,有的频率易反射,有的则不易反射。
因此,选择合适的频率,使监测信号的模态尽可能少,是实现结构健康监测的关键。
频散特性的分析为选择合适的激励频率提供了依据,基于以上观点和试验结果,30kHz 比较适于作为输电线结构健康监测信号的中心频率。
3.2 弹性波在输电线中的衰减根据频散实现分析结果,当激励频率为30k Hz 时,传播模态简单,频散较小,适合用于输电线结构健康监测。
为了研究该频率在输电线中传播衰减特性,在输电线一端布置驱动元件PZT1,移动传感元件PZT2在输电线中的位置。
通过对接收信号进行Gabo r 小波变换,提取信号峰值,得到弹性波的幅值与传播距离之间的关系,如图9所示。
试验得到的幅值衰减曲线,说明弹性波在输电线中的传播按照非线性的衰减。
经过对试验数据的拟合,得到的拟合函216振 动、测 试 与 诊 断 第32卷 数为:A = 3.228e -0.7295x 。
经过分析发现,弹性波在输电线中的传播按照指数规律衰减,类似弹性波在板结构中的衰减规律:A =A 0e -x T [12]。
通过对弹性波在输电线中传播的衰减规律的研究,可以预测信号传播距离以及衰减情况。
