一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道曲面區(qū)域范圍的厚度進(jìn)行測(cè)試。包括超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊、陣列式壓電薄膜傳感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊和信號(hào)分析模塊；超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊負(fù)責(zé)控制脈沖信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出周期性窄脈沖；陣列式壓電薄膜傳感器模塊受到激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波在被測(cè)試件上、下面多次地來回反射，反射產(chǎn)生的反射波被陣列式壓電薄膜傳感器探頭接收形成電信號(hào)；信號(hào)采集與處理負(fù)責(zé)將電信號(hào)放大、濾波、以及多通道掃查處理后，發(fā)送給信號(hào)分析模塊；信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)超聲波在上、下表面的傳播時(shí)間，采用波形數(shù)據(jù)分析軟件，計(jì)算出試件厚度，輸出測(cè)量厚度變化情況，以檢測(cè)腐蝕情況。
【專利說明】
一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無損檢測(cè)技術(shù)，屬于結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于陣列式壓電薄膜(PVDF)傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的持續(xù)性與高速性對(duì)以油氣資源為主體的能源需求越來越迫切。管道鑒于諸多優(yōu)勢(shì)，已成為油氣資源運(yùn)輸主要手段之一，因而預(yù)防管道泄漏等事故十分重要。超聲檢測(cè)是常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)，具有攜帶方便、測(cè)量簡(jiǎn)便、精度高、誤差小，能在不損壞設(shè)備、零部件的情況下，準(zhǔn)確檢測(cè)管道壁厚。在鍋爐、管道等曲面表面檢測(cè)中，常規(guī)超聲壓電傳感器有很多的限制與困難，對(duì)這類待測(cè)試件表面為曲面的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段的壓電探頭無法直接對(duì)其進(jìn)行厚度測(cè)量。此外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，壓力管道腐蝕情況的檢測(cè)需要對(duì)管道多個(gè)區(qū)域或者某一較大區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行厚度測(cè)量。單點(diǎn)檢測(cè)操作復(fù)雜繁瑣，數(shù)據(jù)記錄混舌L不利于對(duì)壓力管道腐蝕情況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道曲面區(qū)域范圍的厚度進(jìn)行測(cè)試。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，包括超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊、陣列式壓電薄膜傳感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊和信號(hào)分析模塊；超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊加載陣列式壓電薄膜傳感器模塊上，信號(hào)采集與處理模塊的輸入端與陣列式壓電薄膜傳感器模塊連接，信號(hào)采集與處理模塊的輸出端與信號(hào)分析模塊連接；
[0006]超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊負(fù)責(zé)控制脈沖信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出周期性窄脈沖，該周期性窄脈沖用以激勵(lì)陣列式壓電薄膜傳感器模塊來產(chǎn)生超聲波；
[0007]陣列式壓電薄膜傳感器模塊受到激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波在被測(cè)試件上、下面多次地來回反射，反射產(chǎn)生的反射波被陣列式壓電薄膜傳感器探頭接收形成電信號(hào)；
[0008]信號(hào)采集與處理包含信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、多通道掃查單元；負(fù)責(zé)將電信號(hào)放大、濾波、以及多通道掃查處理后，發(fā)送給信號(hào)分析模塊；
[0009]信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)超聲波在上、下表面的傳播時(shí)間，采用波形數(shù)據(jù)分析軟件，計(jì)算出試件厚度，輸出測(cè)量厚度變化情況，以檢測(cè)腐蝕情況。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
[0011]本發(fā)明所提供的系統(tǒng)分別采用陣列式壓電薄膜傳感器和超聲波測(cè)厚技術(shù)，對(duì)管道進(jìn)行區(qū)域性曲面測(cè)厚，大幅提高了腐蝕檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了管道腐蝕監(jiān)測(cè)。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波管材壁厚測(cè)量方法，避免了復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備、繁瑣的測(cè)試過程，并且實(shí)現(xiàn)了區(qū)域監(jiān)測(cè)功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0014]本發(fā)明提供了一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊、陣列式壓電薄膜傳感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊和信號(hào)分析模塊。其中:超聲波信號(hào)激勵(lì)部分控制脈沖信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出周期性窄脈沖，加載到陣列式壓電薄膜傳感器探頭上，探頭受到激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波會(huì)在試件上、下面多次地來回反射。這些反射波被壓電探頭接收形成電信號(hào)，再通過放大、濾波、多通道掃查等信號(hào)采集與處理后，由信號(hào)分析模塊統(tǒng)計(jì)出超聲波在上、下表面的傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出試件厚度，以檢測(cè)腐蝕情況。
[0015]各模塊的功能為:
[0016]超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊，用于發(fā)出周期性窄脈沖以激勵(lì)壓電晶片來產(chǎn)生超聲波。超聲波信號(hào)激勵(lì)采用電路方式實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。本發(fā)明以555定時(shí)器為核心來制成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。555定時(shí)器是多用途的模擬一數(shù)字混合集成電路，利用555定時(shí)器可以極為方便地搭建單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖高壓的工作原理是RC放電電路。由觸發(fā)電路控制存儲(chǔ)電能的高壓云母電容放電，借此產(chǎn)生瞬時(shí)高壓的脈沖信號(hào)。其中切為輸出脈沖寬度，是電容C的電壓由O充到的時(shí)間。調(diào)節(jié)tw可以得到本實(shí)驗(yàn)要求的窄脈沖信號(hào)。
[0017]由上式可知，輸出脈沖寬度tw僅與R和C的大小相關(guān)。因此，調(diào)節(jié)R、C的大小即可調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度。在實(shí)際應(yīng)用中，將電阻R設(shè)置成可調(diào)式Rw，通過調(diào)節(jié)Rw來改變脈沖覽度。
[0018]陣列式壓電薄膜傳感器模塊，用于受激勵(lì)發(fā)出超聲波和接受超聲波回波，以此產(chǎn)生壓電信號(hào)，并輸出到信號(hào)采集與處理模塊。陣列式的設(shè)計(jì)思路是以單體PVDF壓電薄膜傳感器為基礎(chǔ)，將多片PVDF壓電薄膜依據(jù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際要求整合排布在柔性基底上，構(gòu)成陣列式傳感器組，實(shí)現(xiàn)多個(gè)區(qū)域或者某一較大區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行厚度測(cè)量。
[0019]信號(hào)采集與處理模塊，用于壓電信號(hào)調(diào)理、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、采樣、多通道掃查等。其中，信號(hào)調(diào)理作用為
[0020](I)壓電薄膜傳感器的高內(nèi)阻抗轉(zhuǎn)化為低阻抗便于輸出，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)化；
[0021](2)將不能直接采集、測(cè)量的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0022](3)放大較為弱小的電荷信號(hào)；
[0023](4)去除高頻噪聲信號(hào)；
[0024](5)實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)放大的目的。
[0025]本發(fā)明中壓電信號(hào)調(diào)理電路主要分為三級(jí):電荷放大器、低通濾波電路及電壓放大器。采用以集成芯片為核心元件的信號(hào)調(diào)理電路，集成芯片主要是AD745、LMF90及MAX7410。
[0026]AD745是場(chǎng)效應(yīng)管輸入型電荷放大器芯片。其具有噪聲干擾小、高增益放大、寬頻帶、快速轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)。在作為壓電薄膜傳感器信號(hào)調(diào)理的第一級(jí)放大環(huán)節(jié)時(shí)，阻值高達(dá)1010Ω的AD745輸入阻抗可以較好地匹配PVDF壓電晶體的高內(nèi)阻抗。
[0027]LMF90是一個(gè)四階陷波器。壓電薄膜傳感器的抗電磁干擾能力較差，干擾信號(hào)主要集中于50Hz及150Hz的頻段。而LMF90可用于濾除50Hz的工頻干擾信號(hào)及其倍頻信號(hào)。MAX7410是一種可調(diào)式的濾波電路芯片。其濾波功能不僅包含低通，同時(shí)也囊括帶通及高通濾波。
[0028]壓電薄膜傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大、低通濾波及電壓放大后將被送入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，因而還需要加入A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集電路。本發(fā)明將在颶風(fēng)3代RC3-2C20開發(fā)板上設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路。颶風(fēng)3代RC3-2C20開發(fā)板由核心板(包括FPGA在內(nèi)的構(gòu)成n1s的最小系統(tǒng))、基礎(chǔ)功能擴(kuò)展板(底板)及SOPC平臺(tái)(System on ProgrammingChip平臺(tái))組成。底板的基礎(chǔ)功能擴(kuò)展面向所有的FPGA開發(fā)用戶；S0PC平臺(tái)則為用戶提供新的嵌入式電子設(shè)計(jì)的選擇機(jī)會(huì)。開發(fā)板包含了通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制、存儲(chǔ)及人機(jī)通訊幾方面。
[0029]信號(hào)分析模塊，用于壓電信號(hào)的波形采集、控制與顯示，計(jì)算測(cè)試厚度。本發(fā)明使用的軟件系統(tǒng)是颶風(fēng)3代RC3-2C20開發(fā)板配套開發(fā)的波形采集、控制與顯示的軟件平臺(tái)。該軟件系統(tǒng)為匹配開發(fā)板上各芯片而設(shè)計(jì)了多種功能，在本次實(shí)驗(yàn)中，主要涉及的有數(shù)據(jù)采集、成像與重放；圖像設(shè)置；多圖顯示等功能。這些功能將極為方便地分析、處理數(shù)據(jù)。
[0030]系統(tǒng)軟件的流程大致是系統(tǒng)上電之后，超聲波信號(hào)激勵(lì)電路開始發(fā)射窄帶脈沖信號(hào)激勵(lì)PVDF壓電薄膜傳感器，PVDF壓電傳感器產(chǎn)生超聲波、感應(yīng)回波信號(hào)后輸出電信號(hào)，傳送至信號(hào)調(diào)理電路。同時(shí)，通過FPGA啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器A/D7862，A/D轉(zhuǎn)換器采集經(jīng)過調(diào)理的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量，再并行輸入到FPGA中，在FPGA中經(jīng)過初步處理后通過串行接口 RS-232傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，并在軟件界面上顯示出圖像。
[0031]本系統(tǒng)的工作過程為:
[0032](I)選取測(cè)試對(duì)象以及傳感器設(shè)計(jì)
[0033]確定被測(cè)試件及其待測(cè)點(diǎn)位置，以此設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部壓電薄膜排列。利用耦合劑將陣列式壓電薄膜傳感器粘接在試件待測(cè)位置。
[0034](2)電參數(shù)確定
[0035]選取合適的超聲波信號(hào)激勵(lì)參數(shù)，脈沖激勵(lì)信號(hào)頻率為200MHz、幅值最大為380V、調(diào)節(jié)寬度為300ns至50 μ S。
[0036]颶風(fēng)3代RC3-2C20開發(fā)板上設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。工作電壓為+5V ；采樣速率是2501(鄧8，轉(zhuǎn)換時(shí)間是41^ ;支持12位數(shù)字量并行輸出，模擬量的輸入范圍包含O 到 2.5V。
[0037]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:包括超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊、陣列式壓電薄膜傳感器模塊、信號(hào)采集與處理模塊和信號(hào)分析模塊；超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊加載陣列式壓電薄膜傳感器模塊上，信號(hào)采集與處理模塊的輸入端與陣列式壓電薄膜傳感器模塊連接，信號(hào)采集與處理模塊的輸出端與信號(hào)分析模塊連接；其中: 超聲波信號(hào)激勵(lì)模塊負(fù)責(zé)控制脈沖信號(hào)發(fā)生裝置發(fā)出周期性窄脈沖，該周期性窄脈沖用以激勵(lì)陣列式壓電薄膜傳感器模塊來產(chǎn)生超聲波； 陣列式壓電薄膜傳感器模塊受到激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波在被測(cè)試件上、下面多次地來回反射，反射產(chǎn)生的反射波被陣列式壓電薄膜傳感器探頭接收形成電信號(hào)； 信號(hào)采集與處理包含信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)采集單元、多通道掃查單元；負(fù)責(zé)將電信號(hào)放大、濾波、以及多通道掃查處理后，發(fā)送給信號(hào)分析模塊； 信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)超聲波在上、下表面的傳播時(shí)間，采用波形數(shù)據(jù)分析軟件，計(jì)算出試件厚度，輸出測(cè)量厚度變化情況，以檢測(cè)腐蝕情況。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述的信號(hào)采集與處理模塊中包含壓電信號(hào)調(diào)理電路，該壓電信號(hào)調(diào)理電路主要分為三級(jí):電荷放大器、低通濾波電路及電壓放大器；采用以集成芯片為核心元件的信號(hào)調(diào)理電路，集成芯片為AD745、LMF90及MAX7410。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于陣列式壓電薄膜傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:測(cè)試時(shí)利用耦合劑將陣列式壓電薄膜傳感器模塊粘接在試件待測(cè)位置。
【文檔編號(hào)】G01B21/08GK104236505SQ201410478481
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】徐丹君, 董澍, 張亮, 鄭志騰, 朱煒, 王偉, 吳雷 申請(qǐng)人:中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所