非浸入式液位测量传感器及其安装与应用方法技术

本发明专利技术属于无损检测技术和测量技术领域，具体涉及一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器及其安装与应用方法。PWAS(即薄的主动式压电传感器piezoelectric wafer active sensors)的工作原理基于压电效应及逆压电效应。PWAS在平面x1x2方向尺寸远大于其在平面x1x3方向上尺寸，利用压电耦合d31实现力学参数与电学参数的耦合，以实现超声导波的有效激发与接收。PWAS和平板的耦合为PWAS边缘处的面内耦合，当PWAS粘到薄壁平板表面之后，粘结层厚度极薄，通过面内运动的耦合，PWAS边缘可以有效的激发或者接收Lamb波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无损检测技术和测量
，具体涉及一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器及其安装与应用方法。
技术介绍
超声导波是一种沿着波导(平板或管道)传播的弹性波，具有低能耗、高敏感性和长距离传播的能力。超声导波具有多模态和频散特性。频散曲线可以用来确定导波传播速度、识别导波模态和开发合适的检测数据分析算法。频散曲线可以通过求解导波的特征方程得到。当自由平板浸入水中或者管道充液时，超声导波在自由平板或管道中的传播受到水的影响，频散方程的波数解为复数，同时，除自由平板或管道中基本的导波模态外，覆水平板或充液管道中还存在另外一种超声导波模态，即quasi-Scholte模态(固体与液体界面处的准界面波)。导波的激发或接收可以采用多种不同的传感器，例如压电传感器，梳状传感器，压电纤维复合传感器(MFC)，楔状斜入射传感器，光纤传感器，电磁超声传感器(EMAT)，空气耦合传感器和激光传感器等。这些传感器分别具有不同的特点。在这些传感器中，压电传感器被广泛应用于导波的激发和接收，以及结构健康监测。与传统的超声传感器(利用压电耦合d33)不同的是，压电传感器尺寸小且重量轻，可以植入被测物内部，或者粘贴在被测物表面进行导波的激发和接收。而目前的此类传感器安装和操作都比较复杂，重复使用率很低，测量精度也有待提高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器及其安装与应用方法。具体如下：一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器，所述传感器在平面x1x2方向尺寸远大于其在平面x1x3方向上尺寸，利用压电耦合d31实现力学参数与电学参数的耦合，以实现超声导波的有效激发与接收；其中，所述x1方向与三维坐标系中的x轴同向，所述x2方向与三维坐标系中的y轴同向，所述x3方向与三维坐标系中的z轴同向。所述传感器和薄壁平板的耦合为所述传感器边缘处的面内耦合，当所述传感器粘贴到所述薄壁平板表面之后，通过面内运动的耦合，以使所述传感器边缘可以有效的激发或者接收Lamb波；所述粘贴的厚度为毫米级。所述传感器粘贴到结构表面，在低频区，所述传感器可以激发和测得A0模态和quasi-Scholte模态，通过分析接收传感器接收到的导波信号实现液位的精确测量。所述传感器在20～120kHz的激发频率范围内，可以近似得到单一的A0模态。所述传感器在低频区可以激发和测得quasi-Scholte波，用于液位的测量；对所述传感器的激发频率选择在低频区。一种将上述传感器粘贴安装到结构表面的方法，所述方法包括如下步骤：(1)检查所述传感器，确保所述传感器表面没有被氧化，完好无损；(2)结构表面打磨：用细砂纸工具将所述结构上贴所述传感器位置的油污、锈迹除去；(3)结构表面清洁：用棉纱或脱脂棉花沾酒精清洁所述结构表面，擦洗2～3遍，擦洗后所述结构表面不可再用手接触；(4)涂胶粘贴：正确区分所述传感器的粘贴面，正极朝上，反面是粘贴面；根据所述传感器的面积大小在所述粘贴面涂上适量胶水；(5)粘贴固化：将塑料薄膜盖在所述传感器上，用拇指按压挤出多余的胶水，所述按压的时间约为1分钟，室温低时适当延长所述按压的时间；(6)焊接所述传感器的导线：使用电烙铁点焊所述导线，所述点焊过程中避免烙铁头触碰到所述传感器，以避免使所述传感器受到高温而发生极化。由所述传感器测量液位时，以无水时作为基准，在液位发生变化时，新液位导波信号波包与基准液位导波信号波包的峰峰对应的时间差呈线性关系变化。一种采用上述传感器及上述方法来测量覆水平板中液位的方法，所述方法包括如下步骤：(1)设置所述传感器的尺寸为7mm×7mm，厚度为0.2mm，所述传感器由压电材料锆钛酸铅3制成，所述传感器的上边面1和下边面2分别是正电极和负电极，材料为银；(2)将激发频率设置为100kHz，激发信号为汉宁窗调制的多周期正弦波；(3)依次改变水箱中水的位置，所述位置的变化范围5mm到135mm，间隔10mm；(4)取用所述覆水平板材料为T304不锈钢钢板，材料参数：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m3；(5)安装激发传感器与接收传感器布置在同一条轴线上，由液位的改变检测所述接收传感器接收到的导波信号的相移；(6)以自由平板时作为基准，在密闭容器液位发生变化时，新液位时导波信号波包与基准液位导波信号波包的峰峰对应的时间差呈线性关系变化，由所述传感器显示出密闭容器中液位。一种采用上述传感器及上述方法来测量充液管道中液位的方法，所述方法包括如下步骤：(1)设置所述传感器的尺寸为5mm×5mm，厚度为0.2mm，所述传感器由压电材料锆钛酸铅3制成，所述传感器的上边面1和下边面2分别是正电极和负电极，材料为银；(2)将激发频率设置为100kHz，激发信号为汉宁窗调制的多周期正弦波；(3)依次改变水箱中水的位置，所述位置的变化范围0mm到90mm，间隔10mm；(4)取用所述覆充液管道为T304不锈钢，外径114.4mm，材料参数：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m3；(5)安装激发传感器与接收传感器布置在同一条轴线上，由液位的改变检测所述接收传感器接收到的导波信号的相移；(6)以自由平板时作为基准，在密闭容器液位发生变化时，在密闭容器液位发生变化时，新液位时导波信号波包与基准液位导波信号波包的峰峰对应的时间差呈线性关系变化，由所述传感器显示出密闭容器中液位。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的PWAS传感器体积小、重量轻，易于与待测结构整合在一起(粘贴结构表面或嵌入结构内部)，广泛用于导波的激发和接收；所述的PWAS尺寸小(直径5～10mm，厚度0.2～0.5mm)；所述的PWAS宽频带传感器；所述的PWAS具有模态调制特性；所述的PWAS不接触容器内的介质，不污染容器内液体。所述的PWAS布置在容器外部，已安装、更换，不需破坏容器，也可用于封闭容器内液位的检测。所述的PWAS安装方便快捷，操作简单，易于重复使用，具有较高的测量精度。附图说明图1为薄的主动式压电传感器示意图；图2为PWAS与结构的相互作用示意图；图3为粘结层厚度与应力的相互关系示意图；图4为PWAS模态调制曲线示意图；图5为低频区Quasi-Scholte波的模态结构；图6为高频区Quasi-Scholte波的模态结构；图7为覆水平板单发-单收实验布置图；图8为覆水平板实验液位dW和时间差ΔtT-R的相互关系图，以dW＝0(即无水时)作为基准；图9为覆水平板单发-单收实验中dW＝0(实线)和dW＝95mm(虚线)的信号图；图10为充液管道单发-单收实验布置图；图11为充液管道实验液位dW和时间差ΔtT-R的相互关系图，以dW＝0(即无水时)作为基准；图12为充液管道单发-单收实验dW＝0、dW＝50mm和dW＝90mm的信号图。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。实施例一：本专利技术提供了一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器-薄的主动式压电传感器(piezoelectricwaferactivesensors，简称PWAS)，如图1所示。PWAS传感器体积小、重量轻，易于与待测结构整合在一起(粘贴结构表面或嵌入结构内部)。PWAS的工作原理基于压电效应及逆压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器，其特征在于，所述传感器在平面x1x2方向尺寸远大于其在平面x1x3方向上尺寸，利用压电耦合d31实现力学参数与电学参数的耦合，以实现超声导波的有效激发与接收；其中，所述x1方向与三维坐标系中的x轴同向，所述x2方向与三维坐标系中的y轴同向，所述x3方向与三维坐标系中的z轴同向。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声导波的非浸入式液位测量传感器，其特征在于，所述传感器在平面x1x2方向尺寸远大于其在平面x1x3方向上尺寸，利用压电耦合d31实现力学参数与电学参数的耦合，以实现超声导波的有效激发与接收；其中，所述x1方向与三维坐标系中的x轴同向，所述x2方向与三维坐标系中的y轴同向，所述x3方向与三维坐标系中的z轴同向。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器和薄壁平板的耦合为所述传感器边缘处的面内耦合，当所述传感器粘贴到所述薄壁平板表面之后，通过面内运动的耦合，以使所述传感器边缘可以有效的激发或者接收Lamb波；所述粘贴的厚度为毫米级。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器粘贴到结构表面，在低频区，所述传感器可以激发和测得A0模态和quasi-Scholte模态，通过分析接收传感器接收到的导波信号实现液位的精确测量。4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述传感器在20～120kHz的激发频率范围内，可以近似得到单一的A0模态。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器在低频区可以激发和测得quasi-Scholte波，用于液位的测量；对所述传感器的激发频率选择在低频区。6.一种将权利要求1-5任一项所述的传感器粘贴安装到结构表面的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)检查所述传感器，确保所述传感器表面没有被氧化，完好无损；(2)结构表面打磨：用细砂纸工具将所述结构上贴所述传感器位置的油污、锈迹除去；(3)结构表面清洁：用棉纱或脱脂棉花沾酒精清洁所述结构表面，擦洗2～3遍，擦洗后所述结构表面不可再用手接触；(4)涂胶粘贴：正确区分所述传感器的粘贴面，正极朝上，反面是粘贴面；根据所述传感器的面积大小在所述粘贴面涂上适量胶水；(5)粘贴固化：将塑料薄膜盖在所述传感器上，用拇指按压挤出多余的胶水，所述按压的时间约为1分钟，室温低时适当延长所述按压的时间；(6)焊接所述传感器的导线：使用电烙铁点焊所述导线，所述点焊过程中避免烙铁头触碰到所述传感器，以避免使所述传感器受到高温而发生极化。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由所述传感器测量液位时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏，徐鸿，李鸿源，张凯利，田振华，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11