传感器在管道超声导波检测中的应用

管道超声导波检测技术是一种新兴的无损检测方法。利用该技术可以在一点对管道进行快速而全面的检测,节省检测时间,减少劳动强度。而由于导波的频散、多模态特性和管道工作条件、结构尺寸的不同,使得在超声导波检测中对导波的激励方式和传感器的使用要求也不尽相同。传感器的选择对管道超声导波检测的实现十分重要。简要回顾了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作机理、特性及其应用。     

偏置磁场对Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器性能的影响

利用Fe-Ga合金应变大、驱动简单和磁机耦合系数高的优点制成的Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器是一种新型导波 检测装置,为提高传感器的换能效率,结合Fe-Ga合金材料的非线性本构关系,并且通过实验测量Fe-Ga合金材料的静态特性,初步得到了 Fe-Ga合金材料工作的最佳磁场强度范围,将Fe-Ga合金材料的非线性本构关系耦合到导波传感器中,建立了 Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器激励、传播、接收的模型。通过分析传感器永磁体的提离效应,得出最佳提离距离为2.5ｍｍ,通过对接收电压及应变的分析,得到了传感器的永磁体剩余磁场强度为 1.0Ｔ,选取非均匀分布的静态偏置磁场大小为1.0Ｔ,提离距离为2.5ｍｍ,仿真计算得到接收端的电压峰值为 0.15Ｖ。     

管道超声导波检测用磁致伸缩涂层传感器研究

为克服磁致伸缩带材导波检测技术对耦合剂的依赖,又能满足对异形部件的检测需求,本文提出了一种磁致伸缩涂层导波检测的新方法。结合Fe-Ga磁致伸缩合金具有高的磁机械耦合系数,通过热喷涂技术制备Fe-Ga合金涂层,磁致伸缩为32 ppm。在1m长预置人工缺陷的316L不锈钢管道一端喷涂Fe-Ga涂层,设计磁致伸缩涂层传感器的结构和参数,得到产生偏置磁场与通入直流电的关系为17.05I Oe。通过频散曲线确定管道纵向导波的激励频率为180kHz,当偏置磁场为273 Oe时,得到缺陷处L(0, 1)、L(0, 2)和端面处L(0, 2)的回波信号幅值分别为0.24 V、0.20 V和1.44 V,说明磁致伸缩涂层传感器不仅能检测出缺陷,还能有效克服带材传感器需要耦合剂和适用对象有限的问题,可应用于管道在线监测,具有重要应用前景。     

卷簧缺陷检测的超声导波传感器研制

超声导波可用于卷簧等曲板结构的缺陷检测,超声导波传感器的性能对卷簧缺陷检测至关重要。为了能有效检测卷簧缺陷,基于周向导波传播原理,研制了三组用于卷簧缺陷检测的导波传感器。优化选择了楔块角度、压电晶片频率等导波传感器的重要参数,重点研究了传感器不同背衬对传感器性能的影响,通过三组传感器实验结果对比,得到在背衬中添加石墨烯可以提高传感器检测灵敏度的结论。研究表明,设计的导波传感器有较强的检测能力,可用于卷簧缺陷检测。     

超声检测探头水膜耦合器的研究

针对复杂环境下的压力容器进行自动超声检测耦合困难的问题,提出了一种超声检测探头水膜耦合器的设计方法。该耦合器结合了直接接触法和喷水耦合法的优点,同时通过实验确定了耦合的参数并研制了水膜耦合器。实践证明,该装置耦合效果良好、使用方便,可以为自动超声检测打下良好的基础。     

电磁超声水平剪切导波的缺陷检测研究进展

超声导波检测技术是新型的无损检测方法之一。水平剪切(SH)导波是超声导波的一种。在板和管结构的检测中，SH导波检测技术占据着越来越重要的位置。电磁声传感器(EMAT)常被用于SH导波的激励或接收。SH-EMAT具有适应性强、效率高的特点，基于SH-EMAT检测技术的应用场景越来越多。以近十几年的相关文献为基础，介绍了SH-EMAT设计以及SH导波缺陷检测技术的研究现状和进展，提供了SH导波检测在不同应用背景下的传感器选择，总结了不同频率SH导波的检测能力，分析了不同SH导波检测技术的优缺点。同时还对电磁超声水平剪切导波检测的未来研究趋势进行了展望，为相关研究人员提供了研究方向和思路。     

纵向导波磁致伸缩传感器信号检测的实验研究

阐述了纵向导波磁致伸缩传感器应用于钢管无损检测中的基本原理.对纵向导波磁致伸缩传感器激励导波和导波的信号检测进行了实验分析,利用磁致伸缩导波无损检测系统在管径为Φ38 mm的完整钢管激励不同频率导波,选择频散特性不明显的激励频率应用于缺陷管道检测,检测信号较好的反应出不同尺寸缺陷.该实验结论和数值计算结果相吻合.     

开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究

磁致伸缩导波技术具有单点激励即可实现长距离检测的优点,但在检测非铁磁性构件或端部外露构件时面临难题.在分析已有磁致伸缩导波传感器检测原理的基础上,提出首先利用磁致伸缩效应在铁磁性波导管中产生导波;然后通过端部将其传入构件实现检测的原理,构建了开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的研究实验平台.采用270 kHz的纵向模态导波,在长2800 mm,壁厚2.5mm的Φ25 mm低碳钢钢管上可检测出0.5mm深刻槽和Φ5 mm的通孔缺陷,且在长2800 mm,壁厚2.5mm的Φ25mm不锈钢钢管上可得到明显的端部回波信号,从而为该传感器进一步应用于非铁磁性或端部外露构件检测提供了依据.     

发明与专利

感应式传感器的分析电路;一种内置式液压油缸位移传感器;电容耦合式传感器装置及使用了电容耦合式传感器装置的物质检测方法;转基因产品的表面等离子共振生物传感器检测方法     

非线性自适应滤波在磁致伸缩导波传感器信号处理中的应用

针对传统滤波算法对磁致伸缩导波传感器信号滤波,存在降噪效果不理想、滤波后信号失真等问题,提出一种基于小波分解的非线性自适应滤波算法。在利用小波分解提取参考噪声的基础上,将神经网络和粒子群优化算法引入传统自适应滤波中,实现了对信号的非线性自适应滤波。以纵向导波磁致伸缩传感器对钢杆的检测信号为例,应用该算法进行滤波处理,结果表明:这种算法能够有效滤除检测信号中的噪声,具有滤波后信号信噪比高、信号不失真、容易实现实时处理等优点,可以实际应用在磁致伸缩导波传感器信号处理中。     

充液管道声压传感器设计

在分析管道导波机理的基础上,以管道中的流体为声压信号的传输介质,对充液刚性管道中的声场特点和声传播效应进行了研究,采用驻极体电容设计了能够检测充液管道中瞬变压力的声压传感器,透声材料封装使其兼有密封防水和声波透射双重功效,可实现主动防护监测和泄漏检测,在大港油田集油站现场实验取得了良好效果.     

磁致伸缩纵向导波传感器中偏置磁场的优化设计

偏置磁场大小是磁致伸缩纵向导波传感器设计的关键参数之一,最佳偏置磁场的选择受到材料和激励条件的影响,故要求导波检测系统中偏置磁场可调节性好.目前使用的偏置磁场有两种,其中螺线管线圈产生的磁场信号干扰大,信噪比低,永磁体提供的磁场可调节性不佳.为此,提出一种偏置磁场可以调节的结构方案,并通过该方案研制了一种可以调节的偏置...     

用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器

基于铁磁性材料的磁致伸缩特性,提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。该传感器分为激励和接收两部分,由8字型线圈、镍带以及偏置永磁铁组成。根据磁致伸缩效应,激励部分在板中激励导波,波在板中传播,遇缺陷及边缘反射,通过磁致伸缩逆效应,由接收部分接收其反射信号。根据反射信号的到达时间和波在板中传播的速度,可判断出板中缺陷所在位置。改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向可以在板中激励不同波型的导波。实验结果证明:该传感器设计是可行的,且具有价格便宜、灵敏度高、可与被测结构分离等优点。     

基于稀疏导波的裂纹定位和尺寸评估

材料在使用过程中,受各种因素的影响,会不可避免地产生诸多损伤,破坏材料结构完整性的同时,也具有一定的安全隐患;在无损检测中,尤其是导波检测领域,由于缺乏高效方法对材料结构中存在的损伤进行尺寸检测,因此使用导波方法对材料进行微裂缝等损伤的检测的过程中仍然存在很多困难;对一种基于稀疏导波的损伤检测方法进行了研究,可以在进行结构损伤定位的同时对损伤尺寸进行测量;研究表明,使用导波进行损伤检测时,由损伤而产生的复杂反射波中包括很多与损伤形状和尺寸相关的信息,但是这些信息并不明显,且信号重叠无法区分;因此,提出一种稀疏lamb波方法来分解由材料损伤产生的反射信号的各个分量;在此基础上,通过确定各个反射信号分量相应的传播时间来计算材料损伤尺寸;最后,在具有人工损伤的铝板上进行实验验证,结果表明,基于稀疏导波损伤检测的方法是可行的。     

基于导波能量特征PCA的结冰定量检测方法研究

为解决结冰探测中导波信号难以识别的问题,提出了基于导波能量特征主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的结冰定量检测方法,先后进行铝板结冰仿真实验和实测实验验证.仿真获得的结冰探测导波信号表明导波信号能量随结冰长度的增大而降低,利用PCA方法对导波信号的时域和时频域能量特征进行降维,验证了利用信号主成分综合得分测量结冰长度的可行性.并采用上述方法进行实测实验,实验结果表明主成分综合得分与结冰长度具有良好的线性关系,对预制结冰区域的检测结果表明该方法的检测精度较高,检测误差小于传统的能量法,并且对小尺寸结冰有较强的探测能力.     

Coupled microstructural and transport effects in n-type sensor response modeling for thin layers

The chemical gas sensor system of CO detection in a SnO₂ matrix was considered. A model was formulated which incorporated the coupled processes of gases diffusing into a porous ceramic and then participating in surface chemical reactions of adsorption, ionization and desorption. Microstructural properties of the sensor matrix were coupled with the diffusion and surface chemistry processes. The consequent surface chemical state served to partition bulk and grain boundary contributions to the n-type material conductance. Conductivity levels determined both with and without the presence of the target gas, CO, allowed sensor response to be determined as a function of film thickness.This simulation represents a modeling advance as it is the first to couple spatial variation of microstructural properties with diffusing gas species and the attendant surface chemistry and electroceramic properties, to predict sensor response as a function of film thickness. This will serve to be a useful design tool for ensuing materials research work towards improved sensor device development.     

饮水中铅痕量的光波导高灵敏探测

提出了一种基于双面金属包覆波导结构的高灵敏光学传感器,利用入射激光在小角度入射时所激发的超高阶导模为探针,并结合铅离子与苯肼硫碳酰偶氮苯的特异性显色机理,对饮水中铅离子痕量进行低浓度探测。理论与实验结果研究表明,该光学传感器的检测极限可达到1μg/L,该方法是一种需样少、耗时短、实时性好、稳定性高和价格低廉的在线检测新技术,预计可为我国环境保护和食品安全领域提供一种全新的重金属离子检测路线。     

基于MWCNTs/Nafion复合膜的高性能声表面波湿敏传感器研究

湿度检测广泛应用于工业、医疗等各个领域,对高性能湿度传感器的需求日趋迫切。首先对声表面波传感器敏感机理进行了深入的分析,得到影响其性能的主要因素。在此基础上研制出一种以多壁碳纳米管(MWCNTs)和Nafion复合材料为湿敏膜,高频声表面波谐振器为换能元件的高性能湿敏传感器。实验表明,制得的湿敏传感器在宽湿度范围内(1...     

基于PVDF的振弦式次声波传感器设计

针对当前用于次声波检测的次声波传感器存在的一些不足,设计一种基于PVDF的振弦式次声波传感器,建立了振弦、弹性元件、压电薄膜的数学模型,设计了调理电路,并对该传感器进行测试和验证。结果表明:该传感器具有能对次声波进行全方位接收、量程可调、灵敏度高、误差小等优点。