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关键词： 交流电磁场   裂纹扩展   信号调理   可视化监测  

摘要： 针对航空航天装备结构关键节点表面裂纹长期定点监测的需求,本文在交流电磁场检测(ACFM)的基础上,提出交流电磁场监测技术,研制交流电磁场监测传感阵列和配套硬件处理电路,开发裂纹扩展监测可视化和监测定量方法,编写监测系统软件,最终搭建一套交流电磁场监测系统并进行实验,实现结构裂纹扩展的可视化和定量监测。论文主要从以下四个方面展开研究:(1)交流电磁场监测仿真分析基于ACFM原理,提出交流电磁场监测技术,利用COMSOL有限元软件建立交流电磁场监测仿真模型,仿真分析结构表面裂纹区感应电流和磁场畸变特点,优化交流电磁场监测激励频率及监测传感器排布间距,为后续监测传感阵列设计、裂纹扩展可视化及裂纹定量监测方法研究提供理论基础。(2)交流电磁场监测硬件系统开发基于仿真优化得到的传感器排布间距研制交流电磁场监测传感阵列,设计具有信号放大、滤波、交流—直流转换功能的微弱信号调理电路,进一步的集成信号采集模块和功率放大电路开发交流电磁场监测仪,最终搭建起交流电磁场监测硬件系统,为交流电磁场监测实验提供硬件基础。(3)裂纹扩展监测方法及软件设计仿真分析裂纹扩展时监测信号分布规律,设计裂纹扩展判定和扩展类型判定方法,进一步仿照质心求解方法设计裂纹端点定位方法,实现结构表面裂纹监测的长度和角度的定量,设计裂纹深度定量方法,编写交流电磁场监测系统软件,为交流电磁场监测实验提供软件基础。(4)基于交流电磁场的裂纹监测实验融合交流电磁场监测软件、硬件,搭建交流电磁场监测实验系统,对人工裂纹进行监测实验,主要包括裂纹长度扩展监测实验、裂纹深度扩展监测实验、不同角度裂纹监测实验和裂纹端点扩展监测实验,实验结果表明,本系统能够实现裂纹扩展监测的可视化及定量监测,为交流电磁场监测的工业应用奠定了基础。

关键词： 变电站   工频电磁场   容性设备在线监测装置   准确性   稳定性  

摘要： 容性设备数量在变电站中占比达40%以上,是电力系统中不可缺少的电力设备,可以通过容性设备在线监测系统对其介损值进行测量进而分析设备绝缘状态。现行监测方法为通过计算末屏接地电流和母线电压之间的相角差进而得到介损值。实际运行中容性设备在线监测装置所采集的末屏接地电流信号微弱,易受周围工频电磁场干扰,导致监测到的介损值不准确、波动大的情况时有发生,若监测不准确则会造成误报,监测结果不能供运维人员参考。因此研究容性设备在线监测装置的原理,分析外界电磁场对装置测量结果的影响机理,对保证在线监测装置测量准确、稳定具有重要的意义。目前对容性设备在线监测装置的检测环境为实验室内理想环境,并不能完全反映现场电磁场环境,相关标准也未规定在电磁干扰下在线监测装置测量性能的具体要求,且外界电磁场对在线监测装置测量结果的影响程度尚不明朗,缺少定量研究。针对现有研究的不足,本文从容性设备在线监测装置工作原理、外界干扰电磁场影响机理、外界干扰电磁场对测量结果的定量影响开展了理论分析、现场电磁环境实测、模拟试验研究。首先,本文系统地分析了容性设备绝缘状态监测原理和容性设备在线监测系统的工作原理。接着,研究了外界电磁场与在线监测装置的耦合机理,并分别推导了在磁场、电场干扰下的电流传感器输出信号的改变量。可知,干扰磁场强度越大、磁场与传感器绕组交链磁通越大,信号改变量也越大;电场主要通过感应磁场对装置的测量结果造成影响。进一步,为了减小电磁干扰,对传感器的电磁屏蔽原理和措施进行了研究。其次,本文对5所变电站容性设备在线监测装置安装处进行现场电磁环境实测,并分析了电场/磁场的大小、方向分布规律。接着基于实测结果在实验室内设计并搭建了工频电磁场模拟平台,通过采用加压平行极板产生电场的原理搭建了电场模拟装置,通流线圈产生磁场的原理搭建了磁场模拟装置。经测试,该工频电磁场模拟平台可以同时产生连续可调的0-50kV/m的电场、0-0.3mT的磁场,满足模拟现场电磁环境的需求。最后,本文利用上述模拟平台,开展了磁场、电场对容性设备在线监测装置测量性能影响的模拟试验,测试了不同干扰强度和工况下容性设备在线监测装置测量结果的定量变化情况。试验结果表明,干扰磁场为0-0.2mT时装置测量的准确性和稳定性呈线性下降,而干扰电场对测量性能影响较小。挂网运行前需对在线监测装置增加0-30kV/m、0-0.1mT的干扰电磁场的检验,同时需要重点关注介损测量点为0.1%-1%时的装置测量性能。在变电站现场可以通过改变装置的安装位置或为传感器加装由坡莫合金、微晶合金等制成的多层电磁屏蔽套等措施来减小外界电磁环境对测量性能造成的影响。

关键词： D45矿用自卸车   电涡流缓速器   电磁场   温度场  

摘要： 近年来,随着我国矿产资源开发利用的不断的增长,矿用自卸车因具有载重量大、动力强等优点成为矿山等恶劣环境中的主要运输设备。由于矿用自卸车经常出现满载上下坡的现象,因此安装辅助制动装置是保证它行车安全的一个重要制动系统。电涡流缓速器相比其它的辅助制动装置更具有独立性、经济适用性及环保性,因此在自卸车上安装电涡流缓速器可以实现降低或保持稳定车速、减轻其行车制动的磨损的目的。本文针对适用于D45矿用自卸车的电涡流缓速器装置进行研究。首先是对车型相关参数进行了介绍,利用对整车力学模型分析得到车辆制动需要缓速器提供的制动力矩和功率。从能量变换的角度,分析了涡流损耗功率,进一步得出电涡流缓速器的制动功率和制动力矩的计算公式。最后根据匹配车型的安装位置提出了一种“半开”式的电涡流缓速器的整体设计方案,并对其部件进行了创新设计和计算。利用Ansys Maxwell有限元法对瞬态磁场进行了仿真分析。首先得到了制动力矩和涡流损耗的变化曲线,然后对静态磁场和瞬态磁场进行了分析,从而验证了磁场的退磁效应,最后对影响磁场强度的因素分别进行了仿真分析,并得到了相应的结论。利用Ansys Workbench有限元软件对转子盘上的温度场进行了仿真分析。首先得到了在风冷散热下,降低或保持稳定车速两种运动情况下转子盘的最高温度,然后分析了电涡流缓速器恒速制动时,在转子盘许用温度内的气隙值和转子盘厚度值,最后进一步分析温升造成的热变形对气隙的影响,确定了合适的气隙大小,使电涡流缓速器能够安全工作。

关键词： 交变电磁场   磁感应强度   畸变磁场   裂纹缺陷   U型探头  

摘要： 钢板作为钢材加工的原材料被广泛应用于各个领域,如管道运输,道路桥梁,石油化工等各行各业,但在钢板生产及其他产品的加工和应用过程中,很容易因为人为因素和其他外界因素使得钢板表面或深表面产生裂纹等缺陷,这将严重的影响钢板及其加工产品的性能,如果不能对其进行及时有效的检测,将可能造成无法挽回的经济损失,甚至影响人的生命安全,所以对钢板及其加工产品的质量检测成了各行业关注的问题。针对钢板表面任意走向裂纹缺陷检测的问题,提出了一种基于U形探头的交变电磁场检测方法。本文研究了交变电磁场检测机理,通过麦克斯韦方程建立了U型检测探头在钢板表面感应电磁场分布的数学模型,通过毕奥-萨伐尔定律解算了检测探头内部的磁感应强度,利用法拉第感应定律建立了畸变磁场与检测探头感应电压信号的数学模型;基于交变电磁场检测原理和理论模型,使用COMSOL仿真软件建立了U型探头实物仿真模型,对检测探头磁芯结构、磁芯尺寸、提离值大小,激励线圈电流和频率大小等参数进行优化,分析了有无缺陷时被检钢板表面的电磁场分布,研究了裂纹缺陷对感应电磁场分布的影响,并通过改变钢板表面缺陷尺寸等条件,对缺陷引起的检测信号的形成机理做了研究;搭建了U型探头检测实验平台,分别对不同深度钢板裂纹的检测信号进行了分析,并进行数据拟合。结果表明基于U型检测探头的交变电磁场检测技术,在钢板表面无缺陷时,检测探头正下方电磁场均匀分布,处于电磁平衡状态,探头无检测信号;该检测技术可以对钢板表面任意走向裂纹进行有效检测,对于相互正交的两条裂纹,检测信号Z轴(垂直于被检钢板表面指向空气)分量信号特征呈反向,且可以对钢板深表面裂纹进行有效检测,检测深度可达10mm;这有效的突破了传统交变电磁技术检测方向单一的局限性,也为更深层裂纹缺陷的检测提供了研究基础。

摘要： "电磁场与电磁波"课程是电子信息类专业本科生的重要专业基础课。在高校的课程教学中,思政教育是教学的重要组成部分,通过将电磁场与电磁波的理论知识和思政元素相结合,采用多种方式构建德育课堂,可增强学生的爱国意识,并激发学生的爱国热情。

关键词： RBWO   强电磁场真空击穿   表面自纳米化   超声冲击   微粒子喷丸  

摘要： 相对论返波管(Relativistic Backward Wave Oscillator)在高功率微波产生器件中占有重要的地位,主要原因是其具有高功率、高效率,且在重频工作环境下有较好的服役表现。但是,脉冲缩短严重降低了单个微波脉冲的能量,较大程度地限制了高功率微波的发展。研究表明,引起脉冲缩短的原因主要是强电磁场真空击穿,强电磁场真空击穿与材料表面真空电子物理特性密切相关,尤其是晶粒细化和降低材料表面粗糙度能够有效抑制强电磁场真空击穿,基于此,本文通过对钛材料进行表面自纳米化处理,开展其强电磁场真空击穿特性的研究:(1)分别采用超声冲击和微粒子喷丸技术对钛材料进行了表面自纳米化处理,并对其金相组织、表面粗糙度、晶粒尺寸等进行了表征分析,结果表明,自纳米化处理后的钛材料晶粒细化,表面晶粒尺寸约40nm尺寸左右,材料表层出现明显的塑性变形,形成微米级的梯度纳米结构,且表面粗糙度降至0.15μm以下。(2)通过场致电子发射、阴极引杆发射、强流电子束打靶等实验,对比了钛材料在表面自纳米化处理前后的的电子发射性能、耐受电子轰击性能。场致电子发射测试结果表明,经过超声冲击技术处理的工业纯钛TA2在本文的测试条件下基本认为没有电子发射;阴极引杆发射实验结果表明,经过超声冲击处理的钛材料引杆对应的管头痕迹最小;这两个结果说明超声冲击表明处理能有效抑制钛材料的电子发射。打靶实验结果表明,经过超声冲击表面处理后,电子束的损伤深度有进一步减小的趋势,说明超声冲击表面处理在一定程度上提高了TA2材料的耐电子束轰击性能。(3)开展慢波结构击穿,结果表明,慢波结构上的击穿主要集中在强场区,即小半径附近区域;慢波结构上的击穿痕迹主要分为“小坑”和“微裂纹”两类,但因电子发射和电子轰击导致的损伤痕迹在微观上存在差异;TA2工业纯钛经过超声冲击表面处理后,其耐强电磁场真空击穿特性与性能较好的钛合金基本相当。本文在理论分析的基础上开展表面纳米化处理、强电磁场真空击穿等实验,得出了超声冲击技术能够有效的抑制钛材料的强电磁场真空击穿的结论,为后续的强电磁场真空击穿研究提供了一定的参考。

关键词： 循环冷却水   碳酸钙水垢   扫频电磁场   频率   阻垢  

摘要： 循环冷却水系统广泛应用于电力、冶金、石油化工等领域,是大型换热设备的必要组成部分。然而随着时间的推移,循环冷却水系统的管道内壁会不断生成碳酸钙等盐类水垢,水垢的生成会降低换热设备的传热效率,加速设备老化,产生安全隐患。因此必须对冷却水管道进行处理,电磁阻垢技术具有阻垢效率高、能源消耗低、安全无污染等优点,发展前景十分广阔。本文以循环冷却水处理技术为背景,采用扫频电磁场对循环水管道进行阻垢除垢,分析了循环水管道内壁水垢的形成过程以及影响循环水管道结垢的因素。对扫频电磁场的阻垢机理进行总结分析并运用ANSYS电磁场仿真软件研究线圈匝数、管材以及管径对处理腔内磁场强度和分布的影响。通过综合分析可得,扫频频率段和感应磁场强度是影响阻垢效果的两个重要因素;选择100匝缠绕线圈且内径为100mm的PVC管作为模拟管道参数最为合适。通过对扫频电磁场阻垢机理进行研究,设计了扫频电磁场除垢装置,扫频电磁场除垢装置的工作原理为:单片机产生特定频率的方波信号,通过电平转换电路对该方波信号进行升压提高带载能力,然后通过积分电路将方波信号变换成三角波信号,扫频信号发生电路通过CD4046芯片将输入的三角波信号转化为扫频方波信号,最后通过驱动电路和功率放大电路进行功率放大并驱动电磁线圈,产生扫频电磁场从而实现除垢目的。该除垢装置的频率可调范围为20KHz-70KHz。在扫频电磁场阻垢机理和本文设计的除垢装置基础上,搭建了扫频电磁场阻垢静态实验系统以及恒温模拟循环冷却水实验系统,通过实验对扫频电磁场阻垢机理进一步研究,实验结果表明,经电磁场处理的循环冷却水会加速碳酸钙水垢的生成且水垢结晶形态以文石为主,其结构松散容易被水流带走而不是沉积在管壁上。在本实验的工况条件下,当扫频范围为50KHz-60KHz时模拟循环冷却水溶液的电导率和pH值下降幅度最大,除垢率及除垢效率最高,该扫频范围是该硬水的最佳除垢频率。

关键词： 电磁干扰   近场扫描   等效辐射源   有相位重构算法   无相位重构算法   高效率   准确  

摘要： 随着芯片先进制造技术的蓬勃发展,电子产品也随之趋于小型化、高度集成化、移动化、高频化和低功耗的特点。与此同时,电子产品的电磁干扰问题越来越严重。常用的电子产品的电磁干扰分析方法为传统的全波仿真方法。然而全波仿真法从技术方面,需要知道电子产品的具体内部结构,对于复杂的电子产品来说,其涉及多个尺度(PCB级-元器件级-芯片级)的电磁辐射耦合,其仿真难度大,需要耗费的计算资源多和计算时间长;从商业方面,很多器件具有知识产权保护,难以获取其电磁模型。由于近场扫描方法的成本低,结合等效辐射源算法,不需知道被测物的内部结构,可达到理想的电磁测量效果。本文在近场扫描技术的基础上,研究高效率的等效辐射源重构算法。1)在有相位等效辐射源重构算法中,本文采取等效电磁偶极子的阵列来等效物理辐射源。本文提出了基于奇异值分解的求取正则化参数的方法,在重构的电磁场精度相当的前提下,此方法比传统的L曲线法求正则化参数的运算速度更快。在此基础上,以U型微带线仿真模型为例,研究了模型在负载短路、负载开路和负载匹配的情况下不同电磁场分量输入组合对等效辐射源重构的影响。本文得到以下结论:有相位辐射源中占比少的分量,对应重构精度差;输入的分量越多,重构整体精度越好;重构的分量是输入的分量的类型,其精度比不是输入分量重构的效果要好。2)在无相位等效辐射源重构算法中,为了提升无相位电磁场输入重构辐射源算法效率,本文以贴片天线仿真模型为例,研究了传统双面迭代法。为了减少扫描工作量,在双面迭代法基础上,本文提出了仅保留一个扫描面的直接单面迭代法。为了进一步减少单面迭代法的运算时间,本文提出了通过按照分量的性质拆分成两组单面迭代过程,然后两组单面迭代数据通过共享等效辐射源,交替迭代。结合仿真结果和商用功分器的实验结果显示:在输入数据量庞大及精确度相差不大的前提下,运算时间由短到长依次为,基于分量的交叉迭代法、直接单面迭代法和双面迭代法。通过本文研究,得到高效的有相位和无相位电磁场输入的等效辐射源重构算法,为复杂的电子产品的电磁干扰分析提供了量化的指导。

关键词： 重接型电磁发射器   有限元模拟   瞬态电磁场   抛体电枢   脉冲电源  

摘要： 电磁发射技术具有发射迅速、射程远、发射效率高、可控性强和隐蔽性好等诸多优点,是满足未来发射方式的新技术。重接型电磁发射器能够避免轨道电磁发射器抛体电枢与发射轨道烧蚀磨损,其轴向电磁加速力和发射效率明显优于线圈电磁发射器,但对抛体电枢形状有一定限制。本文利用电磁场理论与电路原理的解析模型对重接型电磁发射器的基本电磁特性进行理论分析,通过有限元法三维瞬态电磁场模拟分别对单板式、多翼式和多极矩式重接型电磁发射系统的动态发射过程及发射性能进行系统分析,提出优化设计方案。采用有限元数值方法对单板式重接型电磁发射系统在发射过程中的电磁场、电磁力和抛体电枢运动进行动态模拟,分析抛体电枢初始触发位置、脉冲电源的电压与电容、驱动线圈匝数与抛体电枢结构对发射性能的作用机理。抛体电枢向发射方向偏移能够打破抛体电枢电磁力的对称平衡状态,缩短启动时间,大幅提高发射速度。增大电压与电容值会提高发射速度,而发射效率随着脉冲电源功率增加会出现最大值。增加驱动线圈匝数导致发射系统电流峰值延后和发射速度降低。使用空心铝制抛体电枢能有效提高发射速度与发射效率。基于单板式重接型电磁发射器的电磁场模拟结果,对多翼式和多极矩重接型电磁发射系统进行三维有限元瞬态电磁场模拟。多翼式发射系统的瞬态电磁场模拟结果表明:正向驱动线圈组电流的发射效率高于反向驱动电流;减少驱动线圈匝数能有效提高发射速度与发射效率;驱动线圈耦合系数随侧翼数量增加而提高,但是线圈内产生的反向感应电动势也会随之增高,可能导致发射效率降低;六翼式结构的发射性能优于四翼式和八翼式结构。此外,增加脉冲电源的电压与电容能够提高发射速度,但是发射系统的能量转换效率会有所下降,因此应该优化脉冲电源参数。通过建立四极矩、六极矩、八极矩以及圆筒形抛体电枢模型来模拟多极矩重接型电磁发射系统的动态发射过程。四极矩电枢结构的发射速度最快。虽然圆筒形电枢受圆周切向电磁力的作用而产生旋转,但抛体电枢在发射后能够保持较高的稳定性。由于多极矩重接型电磁发射系统的结构特点,增加抛体电枢外侧驱动线圈尺寸能有效提高发射速度与发射效率。

关键词： 传输线法   有限元   电磁场   非线性  

摘要： 利用有限元法对电力设备进行电磁场分析是产品设计生产和性能分析中非常重要的步骤,但随着设备容量的不断增大以及对计算精度要求的不断提高,需要进行大量的网格分析,这使计算规模变得很大,并且在对电力设备的非线性材料进行分析时,需要求解大型非线性方程组,这通常涉及迭代方法,传统有限元法在迭代求解过程中要不断重复组装全局的系数矩阵,消耗了大量的CPU时间。本文使用一种新型的非线性方程组的求解方法—传输线法(TLM)。该方法在迭代过程中系数矩阵保持不变,大大减少执行时间。本文对传输线有限元法进行了详细的推导,基于传输线法原理在有限元单元分析后对线性单元和非线性单元分别进行等效模型的建立,建立端口、单元和全网络的等效模型,并对边界条件进行处理。对于线性方程组的求解,本文详细推导了LU分解法和共轭梯度法,并研究Jacobi预处理技术对共轭梯度法进行改进,将LU分解法和Jacobi预处理共轭梯度法(J-CG)编程实现,计算了电机开口槽模型,验证两种方程组求解方法的准确性。将上述两种线性方程组求解程序应用在传输线有限元方法中,形成LU分解法的传输线有限元法(FEM-TLM-LU)和Jacobi预处理共轭梯度法的传输线有限元法(FEM-TLMJCG)并编写算法程序。将上述两套程序应用在长直载流导体模型中,与精确解析解进行对比,验证了方法的准确性。使用上述两种算法和相应程序求解了一台单相变压器和一台三相感应电机的电磁场,通过对不同计算规模下计算时间和迭代步数的对比,分析了两种算法的计算效果。本文所有程序都是通过C++语言自编程实现。