CN112098516B - 一种超声检测用传感器及其信号处理方法 - Google Patents
一种超声检测用传感器及其信号处理方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112098516B CN112098516B CN202011047375.5A CN202011047375A CN112098516B CN 112098516 B CN112098516 B CN 112098516B CN 202011047375 A CN202011047375 A CN 202011047375A CN 112098516 B CN112098516 B CN 112098516B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensor
- piezoelectric
- piezoelectric wafer
- signal
- transmitting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 14
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 9
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 7
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- WBPWDGRYHFQTRC-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxycyclohexan-1-one Chemical compound CCOC1CCCCC1=O WBPWDGRYHFQTRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- -1 modified acrylic ester Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 19
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 19
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 19
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 45
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229920006335 epoxy glue Polymers 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229920003986 novolac Polymers 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
- G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/023—Solids
- G01N2291/0234—Metals, e.g. steel
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种超声检测用传感器及其信号处理方法，包括传感器外壳，设于传感器外壳内的压电单元和辅助部件；所述压电单元包括接收压电晶片和设于接收压电晶片下方的发射压电晶片；所述发射压电晶片与接收压电晶片为轴向串联结构。应用CEEMDAN和小波降噪算法相结合的方式来进行降噪处理。本发明通过将发射压电晶片和接收压电晶片设置成轴向串联的结构，从而使得本发明的超声发射功率远大于常规的传感器；压电单元由发射压电晶片和接收压电晶片共同组成，接收灵敏度远高于常规传感器；提供一种超声检测用传感器信号处理方法，将CEEMDAN和小波降噪算法相结合，进一步提高了信号的信噪比和分辨率。本发明能完成水力发电机组导电铜板原位检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声检测用传感器，特别是一种超声检测用传感器及其信号处理方法。
背景技术
随着国内水力发电厂投运时间的延长，特别是大型抽水蓄能机组的电动发电机在交变工况下出现了材料结构故障，特别是高水头、高转速型机组接连发生了转动失稳、线圈变形等材料疲劳现象，严重影响机组的安全运行，个别电厂甚至由此引发转子“扫膛”事故，机组设备损毁，造成了巨大的社会、经济损失。
作为发电机的关键部件，导电铜板的重要性不言而喻，其完好性和可靠性是整个机组安全运行的基础。而500rpm以上的机组由于转速和性能的原因，一般临界转速设计通常不超过1.2倍安全裕度，可靠性低于常规机组，某些部位的导电铜板长期运行过程中的安全余量偏低。
根据国外抽蓄机组线圈导电铜板的断裂故障统计分析，热应力和交变机械应力的叠加作用是造成此类事故的主要原因，特别是配合电网调峰需要，短周期内工况多次转换、启停频繁的机组，更易在高速转动运行过程中发生磁极引线、连接线开裂引发熔断的现象。近年，国内多起抽蓄机组磁极引线的故障案例也验证了这个结论。
而发电机铜板引线因结构和绝缘设计，使得如不解体或去除表面绝缘，则无法直接观察和触及引线的表面缺陷，这种情况给检测和维护造成了极大的困难。
但如全部解体检验，则导线和绝缘的拆装工序，将额外大幅增加工作量并延长工期，降低了机组的可用率。
超声波检测因具有对金属内部缺陷灵敏度高、可靠性好且不必去除全部绝缘的特点，可应用于导电铜板的原位(非拆卸)检测，从而避免了机组的解体检测。
但是，在水力发电机组导电铜板原位超声检测时，因存在超声波铜板材质衰减率大，结构导致的检测面狭小和曲面耦合等困难，使得常规的超声检测传感器无法完成检测。具体来说就是常规的传感器其超声发射功率不足且接收灵敏度不高，导致最终获取的信号的信噪比和分辨率很低，完全无法通过此内容获取到导电铜板的情况，从而无法完成导电铜板的原味超声检测。
综上所述，现有的常规超声检测传感器存在无法完成水力发电机组导电铜板原位超声检测的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种超声检测用传感器及其信号处理方法。本发明具有能完成水力发电机组导电铜板原位超声检测的优点。
本发明的技术方案：一种超声检测用传感器，包括传感器外壳，设于传感器外壳内的压电单元和辅助部件；所述压电单元包括接收压电晶片和设于接收压电晶片下方的发射压电晶片；所述发射压电晶片与接收压电晶片为轴向串联结构。
前述的超声检测用传感器中所述辅助部件包括设于传感器外壳顶部的两个引线接头，设于传感器外壳的底部的楔块，设于传感器外壳内部并位于压电单元上方的两根引线和阻尼块。
前述的超声检测用传感器中，所述压电单元功能为发射时将电脉冲转换为超声波，接收时将超声波转换为电信号；
所述阻尼块的功能为吸收压电单元背向辐射的超声波，增加晶片振动的阻尼，从而能提高信噪比，提升分辨率。
前述的超声检测用传感器中，还包括用于将各部件粘接的粘结剂，所述粘结剂为中温固化环氧胶。
前述的超声检测用传感器中，两根所述引线分别为接收引线和发射引线；所述发射压电晶片与发射引线连接，所述接收压电晶片与接收引线相连。
前述的超声检测用传感器中，所述发射压电晶片为锆钛酸铅多晶压电陶瓷，厚度为100μm；所述发射压电晶片通过加工工艺直接生产获得，等同于将10层普通的发射压电晶片单片叠堆而成。
前述的超声检测用传感器中，所述接收压电晶片为碘酸锂压电单晶，厚度为80μm。
前述的超声检测用传感器中，所述发射压电晶片的压电应变常数为289×10-12m/V，激励电压小于等于100V；
所述接收压电晶片的压电电压常数为350×10-3Vm/N。
前述的超声检测用传感器中，所述压电单元的极化方向为d33，极化方向与压电单元轴向平行；所述压电单元的声波发射方向为由发射压电晶片向接收压电晶片方向发出。
前述的超声检测用传感器中，所述阻尼块构成材料包括钨粉和环氧树脂；所述楔块为改性丙烯酸酯有机玻璃；所述钨粉和环氧树脂的体积比为6.9:3.1。
前述的超声检测用传感器中，发射的超声波波形为纵波，中心频率为1MHz。
前述的超声检测用传感器中，所述楔块的形状与水力发电机组导电铜板的形状相互配合。
一种超声检测用传感器信号处理方法，应用CEEMDAN和小波降噪算法相结合的方式来进行降噪处理，其具体流程如下：
A、计算得到第一阶IMF1；
B、计算得到第二阶IMF2；
C、计算得到第j阶IMFj′：重复执行步骤B，即：先计算剩余信号的余量，在此余量信号上添加Ej(ni(t))，多次对信号EMD处理，最终求得第j阶IMFj′；
D、判断余量信号是否能被模态分解：如果能被模态分解，继续执行步骤C；如果不能被模态分解，执行步骤E；
E、计算互相关系数：求出每个本征模态分量和原信号之间的互相关系数；互相关系数定义为
式中，x(t)是含噪信号，imfi(t)是本征模态分量，N为采样点数，
为含噪信号，
为对应IMF的均值；
F、去除噪声信号：根据步骤E所得的互相关系数制作互相关系数曲线，在互相关系数曲线中，找到第一个局部极小值对应的分量imfk，可认为imfk及比之更高频的IMF分量中，噪声信号占主体信号很小，可直接去除噪声信号；
G、进行小波降噪处理：对步骤F求得的imfk之后的几个IMF分量应用小波降噪算法进行处理；
H、求得最终信号：将步骤G所得的IMF分量与步骤A中得到剩下的IMF分量进行合成，生成降噪后的信号。
前述的超声检测用传感器信号处理方法中，步骤A所述的计算得到第一阶IMF1，其具体步骤如下：
A1、生成含噪声数据：在原始纯净超声回波数据s(t)混入设定的正负成对的噪声，生成对应的含噪声数据
sni(t)＝s(t)+αni(t)，i＝1，2，3，…，I；其中ni(t)为设定噪声，α为参数；
A2、进行模态分解：对A1求得的sni(t)进行模态分解，即Ej(sni(t))；
A3、求得多个
循环并多次执行A1和A2，得到多个
A4、计算得第一阶IMF1：对步骤A3求得的所有
进行求平均值，得到第一阶IMF1。
前述的超声检测用传感器信号处理方法中，步骤B所述的计算得到第二阶IMF2，其具体步骤如下：
B1、计算剩余信号余量：步骤A的基础上，计算得到剩下的信号余量，记做r1(t)；
B2、混入噪声：在r1(t)中混入正负的步骤A中EMD处理后的噪声，得Ej(ni(t))；
B3、求得第二阶IMF2：对混入噪声后的信号进行EMD分解，和步骤A的步骤相同，首先经过多次的EMD处理求得多个本征模态分量，再通过求均值，得到第二阶IMF2。
与现有技术相比，本发明通过将发射压电晶片和接收压电晶片设置成轴向串联的结构，从而使得本发明的超声发射功率远大于常规的传感器，发射声压高于相同面积常规传感器5倍；本发明的压电单元由发射压电晶片和接收压电晶片共同组成，而常规的传感器只设置一个晶片同时作为发射和接收使用，本发明的接收灵敏度远高于常规传感器；本发明还提供一种超声检测用传感器信号处理方法，将CEEMDAN和小波降噪算法相结合，在大幅提高发射功率和接收灵敏度的基础上对接收信号进行数字处理，进一步提高了信号的信噪比和分辨率。
综上所述，本发明不仅超声发射功率大于常规传感器、接收灵敏度远高于常规传感器，还通过数字处理进一步提高了信号的信噪比和分辨率，从而能完成水力发电机组导电铜板原位检测。
进一步的，常规的传感器因为工艺和材料等原因导致一般只能选用将发射压电晶片和接收压电晶片并联来提高超声发射功率，但是采用并联的传感器仍然不足以完成水力发电机组导电铜板原位检测；而本发明通过发射压电晶片和接收压电晶片选用不同的材料，并根据材料限定各自的规格(具体为发射压电晶片为通过铁铂锰钙四元掺杂改性(PZT－4)的锆钛酸铅多晶压电陶瓷，厚度为100μm；接收压电晶片为碘酸锂压电单晶晶体，厚度为80μm，z轴0°切割)，不仅克服了串联连接的缺陷(相互串扰)还极大的提高了超声发射功率和接收灵敏度，完全可以完成水力发电机组导电铜板原位检测；经过实验对比，本发明的发射声压高于相同面积的常规传感器5倍。
本发明选用中温固化环氧胶作为粘结剂，粘结剂与各部件的材料相互配合，确保了本发明的使用温度能达到100℃，从而克服了因大发射功率产生大量的热量导致装置烧毁的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是压电单元的结构示意图(部分剖面)；
图3是实施例的理想仿真超声信号图；
图4是实施例的含噪仿真超声信号图；
图5是实施例的CEEMDAN+小波降噪效果图。
附图中的标记为：1-外壳，2-引线接头，3-引线，4-阻尼块，5-压电单元，6-楔块，7-接收压电晶片，8-发射压电晶片，9-内部电极，10-外部电极，11-声波发射方向，12-极化方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种超声检测用传感器，构成如图1至5所示，包括传感器外壳1，设于传感器外壳1内的压电单元5和辅助部件；所述压电单元5包括接收压电晶片7和设于接收压电晶片7下方的发射压电晶片8；所述发射压电晶片8与接收压电晶片7为轴向串联结构；所述压电单元5的面积为3mm×3mm。
所述辅助部件包括设于传感器外壳1顶部的两个引线接头2，设于传感器外壳1的底部的楔块6，设于传感器外壳1内部并位于压电单元5上方的两根引线3和阻尼块4。
所述压电单元功能为发射时将电脉冲转换为超声波，接收时将超声波转换为电信号；所述阻尼块的功能为吸收压电单元背向辐射的超声波，增加晶片振动的阻尼，从而能提高信噪比，提升分辨率。
还包括用于将各部件粘接的粘结剂，所述粘结剂为中温固化环氧胶，型号为E－16；所述粘结剂采用双组分，确保其工作温度能达到120℃。
两根所述引线3分别为接收引线和发射引线，所述引线3为无氧铜，型号为LC－OFC；所述发射压电晶片8与发射引线连接，所述接收压电晶片7与接收引线相连。
所述发射压电晶片8为锆钛酸铅多晶压电陶瓷，厚度为100μm；所述发射压电晶片8通过铁铂锰钙四元掺杂改性(PZT－4)。
所述接收压电晶片7为碘酸锂压电单晶，厚度为80μm；所述接收压电晶片7为单晶晶体，z轴0°切割。
所述发射压电晶片的压电应变常数为289×10-12m/V，激励电压小于等于100V；所述接收压电晶片的压电电压常数为350×10-3Vm/N。
所述压电单元5的极化方向12为d33，极化方向12与压电单元5轴向平行；所述压电单元5的声波发射方向11为由发射压电晶片8向接收压电晶片7方向发出。
所述阻尼块4构成材料包括钨粉和环氧树脂；所述楔块6为改性丙烯酸酯有机玻璃，型号为MIL-P-8184；所述钨粉和环氧树脂的体积比为6.9:3.1；所述钨粉为1300目钨粉，所述环氧树脂为双组分中温的酚醛环氧；所述阻尼块采用预压棒真空抽吸制成。
发射的超声波波形为纵波，中心频率为1MHz。
所述楔块的形状与水力发电机组导电铜板的形状相互配合。
一种超声检测用传感器信号处理方法，应用CEEMDAN和小波降噪算法相结合的方式来进行降噪处理，其具体流程如下：
A、计算得到第一阶IMF1；
B、计算得到第二阶IMF2；
C、计算得到第j阶IMFj：重复执行步骤B，即：先计算剩余信号的余量，在此余量信号上添加Ej(ni(t))，多次对信号EMD处理，最终求得第j阶IMFj；
D、判断余量信号是否能被模态分解：如果能被模态分解，继续执行步骤C；如果不能被模态分解，执行步骤E；
E、计算互相关系数：求出每个本征模态分量和原信号之间的互相关系数；互相关系数定义为
式中，x(t)是含噪信号，imfi(t)是本征模态分量，N为采样点数，
为含噪信号，
为对应IMF的均值；
F、去除噪声信号：根据步骤E所得的互相关系数制作互相关系数曲线，在互相关系数曲线中，找到第一个局部极小值对应的分量imfk，可认为imfk及比之更高频的IMF分量中，噪声信号占主体信号很小，可直接去除噪声信号；
G、进行小波降噪处理：对步骤F求得的imfk之后的几个IMF分量应用小波降噪算法进行处理；
H、求得最终信号：将步骤G所得的IMF分量与步骤A中得到剩下的IMF分量进行合成，生成降噪后的信号。
步骤A所述的计算得到第一阶IMF1，其具体步骤如下：
A1、生成含噪声数据：在原始纯净超声回波数据s(t)混入设定的正负成对的噪声，生成对应的含噪声数据
sni(t)＝s(t)+αni(t)，i＝1，2，3，…，I；其中ni(t)为设定噪声，α为参数；
A2、进行模态分解：对A1求得的sni(t)进行模态分解，即Ej(sni(t))；
A3、求得多个
循环并多次执行A1和A2，得到多个
A4、计算得第一阶IMF1：对步骤A3求得的所有
进行求平均值，得到第一阶IMF1。
步骤B所述的计算得到第二阶IMF2，其具体步骤如下：
B1、计算剩余信号余量：步骤A的基础上，计算得到剩下的信号余量，记做r1(t)；
B2、混入噪声：在r1(t)中混入正负的步骤A中EMD处理后的噪声，得Ej(ni(t))；
B3、求得第二阶IMF2：对混入噪声后的信号进行EMD分解，和步骤A的步骤相同，首先经过多次的EMD处理求得多个本征模态分量，再通过求均值，得到第二阶IMF2。
Claims (8)
1.一种超声检测用传感器，其特征在于：包括传感器外壳（1），设于传感器外壳（1）内的压电单元（5）和辅助部件；所述压电单元（5）包括接收压电晶片（7）和设于接收压电晶片（7）下方的发射压电晶片（8）；所述发射压电晶片（8）与接收压电晶片（7）为轴向串联结构；所述发射压电晶片（8）为锆钛酸铅多晶压电陶瓷，厚度为100μm；所述接收压电晶片（7）为碘酸锂压电单晶，厚度为80μm。
2.根据权利要求1所述的一种超声检测用传感器，其特征在于：所述辅助部件包括设于传感器外壳（1）顶部的两个引线接头（2），设于传感器外壳（1）的底部的楔块（6），设于传感器外壳（1）内部并位于压电单元（5）上方的两根引线（3）和阻尼块（4）。
3.根据权利要求2所述的一种超声检测用传感器，其特征在于：两根所述引线（3）分别为接收引线和发射引线；所述发射压电晶片（8）与发射引线连接，所述接收压电晶片（7）与接收引线相连。
4.根据权利要求1所述的一种超声检测用传感器，其特征在于：所述压电单元（5）的极化方向（12）为d33，极化方向（12）与压电单元（5）轴向平行；所述压电单元（5）的声波发射方向（11）为由发射压电晶片（8）向接收压电晶片（7）方向发出。
5.根据权利要求2所述的一种超声检测用传感器，其特征在于：所述阻尼块（4）构成材料包括钨粉和环氧树脂；所述楔块（6）为改性丙烯酸酯有机玻璃；所述钨粉和环氧树脂的体积比为6.9:3.1。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种超声检测用传感器的一种超声检测用传感器信号处理方法，其特征在于：应用CEEMDAN和小波降噪算法相结合的方式来进行降噪处理，其具体流程如下：
A、计算得到第一阶
；
B、计算得到第二阶
；
C、计算得到第j阶
：重复执行步骤B，即：先计算剩余信号的余量，在此余量信号上添加
，多次对信号EMD处理，最终求得第j阶；
D、判断余量信号是否能被模态分解：如果能被模态分解，继续执行步骤C；如果不能被模态分解，执行步骤E；
E、计算互相关系数：求出每个本征模态分量和原信号之间的互相关系数；互相关系数定义为
式中，x(t)是含噪信号，
是本征模态分量，N为采样点数，
为含噪信号，
为对应IMF的均值；
F、去除噪声信号：根据步骤E所得的互相关系数制作互相关系数曲线，在互相关系数曲线中，找到第一个局部极小值对应的分量
，可认为
及比之更高频的IMF分量中，噪声信号占主体信号很小，可直接去除噪声信号；
G、进行小波降噪处理：对步骤F求得的
之后的几个IMF分量应用小波降噪算法进行处理；
H、求得最终信号：将步骤G所得的IMF分量与步骤A中得到剩下的IMF分量进行合成，生成降噪后的信号。
7.根据权利要求6所述的一种超声检测用传感器信号处理方法，其特征在于，步骤A所述的计算得到第一阶
，其具体步骤如下：
A1、生成含噪声数据：在原始纯净超声回波数据s(t)混入设定的正负成对的噪声，生成对应的含噪声数据
；其中为设定噪声，α为参数；
A2、进行模态分解：对A1求得的
进行模态分解，即
；
A3、求得多个
：循环并多次执行A1和A2，得到多个
；
A4、计算得第一阶
：对步骤A3求得的所有
进行求平均值，得到第一阶
。
8.根据权利要求6所述的一种超声检测用传感器信号处理方法，其特征在于，步骤B所述的计算得到第二阶
，其具体步骤如下：
B1、计算剩余信号余量：步骤A的基础上，计算得到剩下的信号余量，记做
；
B2、混入噪声：在
中混入正负的步骤A中EMD处理后的噪声，得
；
B3、求得第二阶
：对混入噪声后的信号进行EMD分解，和步骤A的步骤相同，首先经过多次的EMD处理求得多个本征模态分量，再通过求均值，得到第二阶
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011047375.5A CN112098516B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种超声检测用传感器及其信号处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011047375.5A CN112098516B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种超声检测用传感器及其信号处理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112098516A CN112098516A (zh) | 2020-12-18 |
| CN112098516B true CN112098516B (zh) | 2022-10-04 |
Family
ID=73783925
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011047375.5A Active CN112098516B (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种超声检测用传感器及其信号处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112098516B (zh) |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2938087Y (zh) * | 2006-07-07 | 2007-08-22 | 中国南车集团戚墅堰机车车辆厂 | 一种用于小直径内孔探伤的超声探头 |
| CN101321411A (zh) * | 2008-06-13 | 2008-12-10 | 北京信息科技大学 | 圆柱形叠堆晶片水声换能器 |
| CN102565197A (zh) * | 2010-12-14 | 2012-07-11 | 贵州黎阳航空动力有限公司 | 一种小直径薄壁钢管探伤用超声波线聚焦探头的制作方法 |
| CN103983700A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-13 | 常州市常超电子研究所有限公司 | 用于钢管外壁探伤的接触式单晶直探头 |
| CN104090032A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-10-08 | 北京工业大学 | 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 |
| CN106353408A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-01-25 | 中国科学院声学研究所 | 一种压电超声直探头 |
| CN206161599U (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-10 | 中国科学院声学研究所 | 一种压电超声直探头 |
| CN106768289A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-31 | 山东大学 | 一种新型高温压电振动传感器 |
| CN108802175A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-11-13 | 中国计量大学 | 一种基于emd的脉冲涡流检测信号降噪方法 |
| CN108954020A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-07 | 常州大学 | 一种管道定位方法 |
| CN109871733A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-06-11 | 南京信息工程大学 | 一种自适应海杂波信号去噪方法 |
| CN209858486U (zh) * | 2019-01-30 | 2019-12-27 | 平拓(上海)新材料科技有限公司 | 一种奥氏体薄壁管焊缝小盲区高信噪比的瓦状复合晶片纵波斜探头 |
| CN209878680U (zh) * | 2019-02-01 | 2019-12-31 | 平拓(上海)新材料科技有限公司 | 一种凸弧面工件超声自动化检测用复合材料晶片自聚焦水浸探头 |
-
2020
- 2020-09-29 CN CN202011047375.5A patent/CN112098516B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2938087Y (zh) * | 2006-07-07 | 2007-08-22 | 中国南车集团戚墅堰机车车辆厂 | 一种用于小直径内孔探伤的超声探头 |
| CN101321411A (zh) * | 2008-06-13 | 2008-12-10 | 北京信息科技大学 | 圆柱形叠堆晶片水声换能器 |
| CN102565197A (zh) * | 2010-12-14 | 2012-07-11 | 贵州黎阳航空动力有限公司 | 一种小直径薄壁钢管探伤用超声波线聚焦探头的制作方法 |
| CN103983700A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-13 | 常州市常超电子研究所有限公司 | 用于钢管外壁探伤的接触式单晶直探头 |
| CN104090032A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-10-08 | 北京工业大学 | 基于气体基1-3型压电复合材料的空耦传感器 |
| CN106353408A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-01-25 | 中国科学院声学研究所 | 一种压电超声直探头 |
| CN206161599U (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-10 | 中国科学院声学研究所 | 一种压电超声直探头 |
| CN106768289A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-31 | 山东大学 | 一种新型高温压电振动传感器 |
| CN108802175A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-11-13 | 中国计量大学 | 一种基于emd的脉冲涡流检测信号降噪方法 |
| CN108954020A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-07 | 常州大学 | 一种管道定位方法 |
| CN109871733A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-06-11 | 南京信息工程大学 | 一种自适应海杂波信号去噪方法 |
| CN209858486U (zh) * | 2019-01-30 | 2019-12-27 | 平拓(上海)新材料科技有限公司 | 一种奥氏体薄壁管焊缝小盲区高信噪比的瓦状复合晶片纵波斜探头 |
| CN209878680U (zh) * | 2019-02-01 | 2019-12-31 | 平拓(上海)新材料科技有限公司 | 一种凸弧面工件超声自动化检测用复合材料晶片自聚焦水浸探头 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112098516A (zh) | 2020-12-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5644729B2 (ja) | 超音波振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置 | |
| CN100365840C (zh) | 平面型复合结构超声换能器 | |
| Zhu et al. | New fabrication of high-frequency (100-MHz) ultrasound PZT film kerfless linear array [Correspondence] | |
| Wang et al. | Ternary piezoelectric single-crystal PIMNT based 2-2 composite for ultrasonic transducer applications | |
| CN112098516B (zh) | 一种超声检测用传感器及其信号处理方法 | |
| CN101571568A (zh) | 一种适用于变压器局部放电检测的超声平面阵列传感器 | |
| CN105784849A (zh) | 一种新型石墨烯超声波探头 | |
| Or et al. | Mode coupling in lead zirconate titanate/epoxy 1–3 piezocomposite rings | |
| CN110332952B (zh) | 一种基于声学图像的变压器铁心松动检测方法及平台 | |
| CN205564818U (zh) | 一种新型石墨烯超声波探头 | |
| US20090115290A1 (en) | Ultrawideband Ultrasonic Transducer | |
| CN212748032U (zh) | 一种超声检测用传感器 | |
| Zhang et al. | Fabrication of PIMNT/Epoxy 1-3 composites and ultrasonic transducer for nondestructive evaluation | |
| DE102019218336B4 (de) | Hochfrequenter ultraschallwandler und verfahren zur herstellung | |
| Zhang et al. | 1-3-Type piezoelectric composites with three-layer cascade structure | |
| Jensen | Determination of macroscopic electro-mechanical characteristics of 1-3 piezoceramic/polymer composites by a concentric tube model | |
| CN113926681B (zh) | 大带宽超声换能器及其背衬层制作方法 | |
| CN205808487U (zh) | 一种用于多普勒流量仪表的传感器结构 | |
| CN203061411U (zh) | 新型超声波传感器 | |
| CN205286396U (zh) | 一种超声换能器的新型阵列结构 | |
| KR101263272B1 (ko) | 공진형 음향방출센서 | |
| CN220346417U (zh) | 一种2-2复合结构超声换能器 | |
| Spicci et al. | Ultrasound piezo-disk transducer model for material parameter optimization | |
| Savoia et al. | A low frequency broadband flexural mode ultrasonic transducer for immersion applications | |
| Lin et al. | PZT/epoxy multi-composites for ultrasonic transducer applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |