CN114460177A - 基于5g的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法及系统，涉及5G通信技术及声发射检测技术领域。包括：控制节点通过5G网络向普通节点发布开启采集声发射信号的命令；普通节点接收命令；声发射信号检测单元采集声发射信号，并将声发射信号放大后发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元；声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到声发射5G通信与分析单元；声发射5G通信与分析单元接收并分析转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。本发明能够将声发射传感器所采集到的数据实时高速传输到云端服务器，并在云端服务器中进行数据分析和数据存储，实现对数据的实时分析处理。
Description
技术领域
本发明涉及5G通信技术及声发射检测技术领域，特别是指一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法及系统。
背景技术
声发射检测技术被广泛应用于压力容器监测等工业领域中，利用声发射技术对压力容器进行监测和对其材料结构内的实时缺陷进行定位与检测，不仅能够对结构是否完整进行评价，而且还可以对其部件在加载过程中动态的缺陷信息进行收集。
现有的声发射检测系统进行压力容器泄漏监测时采用多声发射传感器协同工作进行泄漏源定位的方法。由于压力容器体积很大，需布置多个传感器在容器表面以确定泄漏源的位置，现今工业上使用的声发射检测仪设备一般可支持16、32个声发射传感器进行同时检测，通过磁吸夹具将声发射传感器固定在容器表面，布线多且混乱。由于容器体积比较大，所用的线缆很长，每次布置比较麻烦，有线的检测方式下也易对检测过程产生干扰，即如果线缆与传感器端或与A/D模块端脱离连接，会导致一定时间段内采集的数据丢失，丢失的数据无法被找回，从而对压力容器的实时监测产生很大的干扰。
声发射传感器工作频率较高，频率范围通常可达50-400KHz，每秒钟产生的数据量巨大。在多传感器进行压力容器泄漏监测应用场景中，压力容器泄漏产生的声发射信号以连续型信号表示出来，其持续时间最高可达500000μs，每秒钟产生的数据量可达150Mbit。并且声发射检测时声发射的信号的获取是不可逆的，每次加载所获得的数据都无法重复获取，如果系统中某传感器节点数据间接性丢失，则会对整个传感器阵列的泄漏源定位带来干扰，所以数据传输是否可靠将决定对泄漏源定位的准确性。但是传统3G、4G等无线网络传输不稳定、且4G网络20Mbps的上传速率难以满足实时分析泄漏源信息的要求，所以需要建立一种基于5G通信技术的声发射传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统。
发明内容
本发明针对现有技术中无线网络传输不稳定、且4G网络20Mbps的上传速率难以满足实时分析泄漏源信息的要求的问题，提出了本发明。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法，该方法由基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统实现，该系统包括待检测的压力容器以及设置于压力容器上的多个传感器节点；其中，多个传感器节点包括控制节点和多个普通节点；该方法包括：
S1、控制节点通过5G网络向普通节点发布开启采集声发射信号的命令；普通节点接收命令。
S2、多个传感器节点的声发射信号检测单元采集声发射信号，并将声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元。
S3、多个传感器节点的声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元。
S4、多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元接收并分析转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
可选地，多个传感器节点阵列排布。
可选地，S2中的声发射信号检测单元包括声发射传感器、前置放大器以及供电信号分离器。
可选地，S3中的声发射采集控制单元包括A/D模块以及ZYNQ模块。
可选地，ZYNQ模块，用于存储转换后的声发射信号，并在经过预设间隔时间后，将存储的转换后的声发射信号发送到声发射5G通信与分析单元。
可选地，S3中的多个传感器节点的声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储包括：
多个传感器节点的声发射采集控制单元中的A/D模块将接收的放大后的声发射信号转换为数字信号，数字信号存储到ZYNQ模块。
可选地，S4中的声发射5G通信与分析单元云端服务器包括5G模块、云端服务器以及数据库。
可选地，S4中的压力容器泄漏结果包括实时定位压力容器泄漏源的位置以及对压力容器泄漏源的活动性和强度进行评价。
另一方面，本发明提供了一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统，该系统应用于实现基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法，该系统包括待检测的压力容器以及设置于压力容器上的多个传感器节点；其中，多个传感器节点包括控制节点和多个普通节点；其中：
多个传感器节点模块的声发射信号检测单元，用于采集声发射信号，并将声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元。
多个传感器节点的声发射采集控制单元，用于对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元。
多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元，用于接收并分析转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
可选地，多个传感器节点阵列排布。
可选地，声发射信号检测单元包括声发射传感器、前置放大器以及供电信号分离器。
可选地，声发射采集控制单元包括A/D模块以及ZYNQ模块。
可选地，ZYNQ模块，用于存储转换后的声发射信号，并在经过预设间隔时间后，将存储的转换后的声发射信号发送到声发射5G通信与分析单元。
可选地，多个传感器节点，进一步用于：
多个传感器节点的声发射采集控制单元中的A/D模块将接收的放大后的声发射信号转换为数字信号，数字信号存储到ZYNQ模块。
可选地，声发射5G通信与分析单元云端服务器包括5G模块、云端服务器以及数据库。
可选地，压力容器泄漏结果包括实时定位压力容器泄漏源的位置以及对压力容器泄漏源的活动性和强度进行评价。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
上述方案中，声发射应用场景对网络提出了极高的要求，至少需要150Mbps以上的传输速率,同时网络延时要达到20ms以下，传统的4G、WIFI等网络难以满足声发射应用场景的需求，而5G有着高传输速率、低时延以及高可靠的特点，上传速率可以达到200Mbps，网络延时可达5-10ms，运用5G通信技术可以在保障传输速率大大加快的同时确保数据的可靠传输，将数据稳定可靠的发送到云端服务器，云端服务器进行数据分析后可以对泄漏源进行定位来确定泄漏源的位置，并且可以分析泄漏源的活动性以及强度。
本发明系统中由传感器控制节点与普通节点组成声发射传感器阵列来进行协同工作，阵列中包含一个传感器控制节点和三个普通节点。传感器控制节点通过5G网络给各普通节点发布命令，来控制各节点间的同时采集，普通节点在收到传感器控制节点的命令后，普通节点中的声发射采集控制单元开启A/D采样，将传感器接收到的声发射信号通过模数转换变成数字信号方便进行传输，四个传感器中同一时刻采集的数据可以同步上传到云端服务器，确保能够对泄漏源位置进行准确定位。
在传统声发射压力容器泄漏监测中，压力容器一般体积较大，所需要的线缆很长，而本发明中采用了无线的检测方式，即各传感器节点独自构成一个小的检测系统，将每一个节点系统都布置在压力容器上，每个节点系统中均包含一个5G模块。各节点系统可以通过5G无线通信形式将采集到的数据高速传输到云端服务器进行数据分析，避免传统检测将压力容器端固定的传感器通过长线缆连接到地面端A/D模块所带来的布线麻烦。
本系统采用了5G通信技术，传输速率很高，能够保证对采集到的声发射数据进行实时传输，并在云端进行实时分析处理。通过对事件计数、信号幅值等特征参数进行提取，可以实现对泄漏源强度以及活动性等指标进行分析，并且通过互相关式三维定位算法实现对压力容器泄漏源的定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的应用场景示意图；
图3是本发明实施例提供的传感器节点网络示意图；
图4是本发明实施例提供的传感器节点通信示意图；
图5是本发明实施例提供的传感器节点系统框图；
图6是本发明实施例提供的云端功能示意图；
图7是本发明实施例提供的基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统框图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法，该方法可以由基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统实现。如图1所示的基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
S1、控制节点通过5G网络向普通节点发布开启采集声发射信号的命令；普通节点接收命令。
一种可行的实施方式中，如图2所示，在压力容器泄漏监测的应用场景中，采用多个传感器协同工作。可以是采用多个声发射传感器节点构成传感器阵列，来进行压力容器的实时监测。如图3、4所示，传感器节点分为传感器控制节点和普通节点两种。可以是一个控制节点和三个普通节点。传感器控制节点可以通过5G网络向普通节点发布开启采集的命令，保证采样时钟同步，方便对泄漏源位置进行定位。当采集结束后，传感器控制节点可以对普通节点发送控制指令使普通节点停止采集，系统结束。
其中，如图5所示，每个声发射传感器节点均可构成一个小的检测系统，对压力容器进行监测。每个传感器节点都包括声发射信号检测单元、声发射采集控制单元以及声发射5G通信与分析单元，声发射信号检测单元的输出端与声发射采集控制单元输入端相连接，声发射采集控制单元的输出端与声发射5G通信与分析单元输入端相连接。每个声发射传感器节点可以独立的将声发射数据无线传输到云端服务器。
一种可行的实施方式中，开启采集可以是传感器控制节点通过5G模块向普通节点发送4位指令数据0000，该指令代表传感器控制节点命令普通节点开启采样。由于本申请采用了5G传输，5G网络具有高速率、低时延的特点，能够保证传感器控制节点的指令高速的发送到普通节点端。传感器控制节点进行35m的延时后，开启采样，以保证与普通节点进行同步采样。普通节点在收到指令后，其内部的ARM(Advanced Reduced Instruction SetComputer Machine，精简指令集计算机微处理器)处理单元给指令缓存发送指令，令其中缓存的指令与接收到的指令在指令比较器中进行比较，从而来识别传感器控制节点所发出的指令。普通节点每隔一段时间向传感器控制节点发送1111信息，该信息代表普通节点正常，如果没有接收到这个信息，代表普通节点端的声发射采集控制单元或声发射5G通信与分析单元出现了问题，这样传感器控制节点在把故障信息发送给云端服务器，工作人员便可以去实地排查出现的问题。在采集接收后，传感器控制节点向普通节点发送0001指令来控制采集结束。
一种可行的实施方式中，对于声发射检测来说，声发射信号到达时间的准确性很大程度上影响了定位的准确性，所以信号的采样务必在相同采样时钟下进行。本申请通过传感器控制节点的控制来保障各节点的采样同步。
具体地，保证采样时钟同步可以是普通节点在接收到传感器控制节点的命令后开启采样，并将采样后数据进行缓存，同时节点中的ZYNQ模块开始计时，每缓存完成采集2秒钟产生的数据，通过节点系统中的5G模块传输到云端进行分析。
S2、多个传感器节点的声发射信号检测单元采集声发射信号，并将声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元。
一种可行的实施方式中，声发射信号检测单元包括声发射传感器、前置放大器以及供电信号分离器。声发射传感器接收到微弱的声发射信号，通过前置放大器将微弱的声发射信号的幅值放大到适合于A/D模块进行模数转换，放大后的声发射信号经供电信号分离器发送到声发射采集控制单元的A/D模块。
其中，前置放大器的放大倍数为20DB、40DB、60DB增益可调,即可以放大10倍、100倍、1000倍。供电信号分离器接24v电源，为前置放大器进行供电，保障其正常工作。
S3、多个传感器节点的声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元。
一种可行的实施方式中，发射采集控制单元包含A/D模块和ZYNQ模块，ZYNQ模块可以是ZYNQ开发板。
具体地，A/D模块接收供电信号分离器传来的放大后的声发射信号，进行A/D转换将模拟信号转换为数字信号，并且将数据传送到ZYNQ开发板中进行缓存。ZYNQ开发板控制5G模块上网，通过驱动传输程序将采样后的数据传输到云端服务器中，上传峰值速率可以为230Mbps。
其中，A/D模块的采样频率可以为32MHz，采样位数为8位。
S4、多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元接收并分析转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
一种可行的实施方式中，声发射信号5G通信与分析单元包括5G模块、云端服务器以及数据库。采集的声发射数据上传到云端服务器后，云端服务器进行实时分析和存储，操作人员在云端服务器可以实时观看泄漏源定位的结果，并且通过提取声发射数据中的特征参数来对压力容器泄漏源的活动性和强度进行评价。
具体地，如图6所示，云端服务器可执行的功能主要分为两种，分别为泄漏源定位以及泄漏源分析，云端服务器可以对数字化声发射信号提取特征参数，根据所提取的特征参数来对泄漏源进行分析。泄漏源分析主要包括三种类别即泄漏源活动性评价、泄漏源类型鉴别及泄漏源强度分析。通过对振铃计数的提取可以进行泄漏源活动性分析，通过对持续时间参数的提取可以对泄漏源类别进行鉴别，通过对信号幅度的参数提取可以分析泄漏源的强度。在对结果进行分析后，将数据再次储存到数据库中方便以后进行调用分析。云端服务器也可以进行图形显示数据分析的结果，图形显示包括时间经历图、分布图以及关系图等。云端服务器除可以进行泄漏源分析外，也可以通过互相关三维定位算法和四个传感器进行三维泄漏源定位。通过对泄漏源进行定位以及对泄漏源分析这两项功能，可以对压力容器进行实时监测，保障设备的安全运行。
本发明实施例中，声发射应用场景对网络提出了极高的要求，至少需要150Mbps以上的传输速率,同时网络延时要达到20ms以下，传统的4G、WIFI等网络难以满足声发射应用场景的需求，而5G有着高传输速率、低时延以及高可靠的特点，上传速率可以达到200Mbps，网络延时可达5-10ms，运用5G通信技术可以在保障传输速率大大加快的同时确保数据的可靠传输，将数据稳定可靠的发送到云端服务器，云端服务器进行数据分析后可以对泄漏源进行定位来确定泄漏源的位置，并且可以分析泄漏源的活动性以及强度。
本发明系统中由传感器控制节点与普通节点组成声发射传感器阵列来进行协同工作，阵列中包含一个传感器控制节点和三个普通节点。传感器控制节点通过5G网络给各普通节点发布命令，来控制各节点间的同时采集，普通节点在收到传感器控制节点的命令后，普通节点中的声发射采集控制单元开启A/D采样，将传感器接收到的声发射信号通过模数转换变成数字信号方便进行传输，四个传感器中同一时刻采集的数据可以同步上传到云端服务器，确保能够对泄漏源位置进行准确定位。
在传统声发射压力容器泄漏监测中，压力容器一般体积较大，所需要的线缆很长，而本发明中采用了无线的检测方式，即各传感器节点独自构成一个小的检测系统，将每一个节点系统都布置在压力容器上，每个节点系统中均包含一个5G模块。各节点系统可以通过5G无线通信形式将采集到的数据高速传输到云端服务器进行数据分析，避免传统检测将压力容器端固定的传感器通过长线缆连接到地面端A/D模块所带来的布线麻烦。
本系统采用了5G通信技术，传输速率很高，能够保证对采集到的声发射数据进行实时传输，并在云端进行实时分析处理。通过对事件计数、信号幅值等特征参数进行提取，可以实现对泄漏源强度以及活动性等指标进行分析，并且通过互相关式三维定位算法实现对压力容器泄漏源的定位。
如图7所示，本发明实施例提供了一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统，该系统用于实现基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统方法。该系统包括。如图7所示的基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统框图，其中：
多个传感器节点模块的声发射信号检测单元，用于采集声发射信号，并将声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元。
多个传感器节点的声发射采集控制单元，用于对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元。
多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元，用于接收并分析转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
可选地，多个传感器节点阵列排布。
可选地，声发射信号检测单元包括声发射传感器、前置放大器以及供电信号分离器。
可选地，声发射采集控制单元包括A/D模块以及ZYNQ模块。
可选地，ZYNQ模块，用于存储转换后的声发射信号，并在经过预设间隔时间后，将存储的转换后的声发射信号发送到声发射5G通信与分析单元。
可选地，多个传感器节点，进一步用于：
多个传感器节点的声发射采集控制单元中的A/D模块将接收的放大后的声发射信号转换为数字信号，数字信号存储到ZYNQ模块。
可选地，声发射5G通信与分析单元云端服务器包括5G模块、云端服务器以及数据库。
可选地，压力容器泄漏结果包括实时定位压力容器泄漏源的位置以及对压力容器泄漏源的活动性和强度进行评价。
本发明实施例中，声发射应用场景对网络提出了极高的要求，至少需要150Mbps以上的传输速率,同时网络延时要达到20ms以下，传统的4G、WIFI等网络难以满足声发射应用场景的需求，而5G有着高传输速率、低时延以及高可靠的特点，上传速率可以达到200Mbps，网络延时可达5-10ms，运用5G通信技术可以在保障传输速率大大加快的同时确保数据的可靠传输，将数据稳定可靠的发送到云端服务器，云端服务器进行数据分析后可以对泄漏源进行定位来确定泄漏源的位置，并且可以分析泄漏源的活动性以及强度。
本发明系统中由传感器控制节点与普通节点组成声发射传感器阵列来进行协同工作，阵列中包含一个传感器控制节点和三个普通节点。传感器控制节点通过5G网络给各普通节点发布命令，来控制各节点间的同时采集，普通节点在收到传感器控制节点的命令后，普通节点中的声发射采集控制单元开启A/D采样，将传感器接收到的声发射信号通过模数转换变成数字信号方便进行传输，四个传感器中同一时刻采集的数据可以同步上传到云端服务器，确保能够对泄漏源位置进行准确定位。
在传统声发射压力容器泄漏监测中，压力容器一般体积较大，所需要的线缆很长，而本发明中采用了无线的检测方式，即各传感器节点独自构成一个小的检测系统，将每一个节点系统都布置在压力容器上，每个节点系统中均包含一个5G模块。各节点系统可以通过5G无线通信形式将采集到的数据高速传输到云端服务器进行数据分析，避免传统检测将压力容器端固定的传感器通过长线缆连接到地面端A/D模块所带来的布线麻烦。
本系统采用了5G通信技术，传输速率很高，能够保证对采集到的声发射数据进行实时传输，并在云端进行实时分析处理。通过对事件计数、信号幅值等特征参数进行提取，可以实现对泄漏源强度以及活动性等指标进行分析，并且通过互相关式三维定位算法实现对压力容器泄漏源的定位。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测方法，其特征在于，所述方法由基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统实现，所述系统包括待检测的压力容器以及设置于所述压力容器上的多个传感器节点；其中，所述多个传感器节点包括控制节点和多个普通节点；所述方法包括：
S1、所述控制节点通过5G网络向所述普通节点发布开启采集声发射信号的命令；所述普通节点接收所述命令；
S2、所述多个传感器节点的声发射信号检测单元采集声发射信号，并将所述声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元；
S3、所述多个传感器节点的声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元；
S4、所述多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元接收并分析所述转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个传感器节点阵列排布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中的声发射信号检测单元包括声发射传感器、前置放大器以及供电信号分离器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的声发射采集控制单元包括A/D模块以及ZYNQ模块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述ZYNQ模块，用于存储转换后的声发射信号，并在经过预设间隔时间后，将存储的转换后的声发射信号发送到声发射5G通信与分析单元。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的多个传感器节点的声发射采集控制单元对放大后的声发射信号进行信号转换并存储包括：
多个传感器节点的声发射采集控制单元中的A/D模块将接收的放大后的声发射信号转换为数字信号，所述数字信号存储到ZYNQ模块。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中的声发射5G通信与分析单元云端服务器包括5G模块、云端服务器以及数据库。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中的压力容器泄漏结果包括实时定位压力容器泄漏源的位置以及对压力容器泄漏源的活动性和强度进行评价。
9.一种基于5G的传感器阵列压力容器泄漏无线监测系统，其特征在于，所述系统包括待检测的压力容器以及设置于所述压力容器上的多个传感器节点；其中，所述多个传感器节点包括控制节点和多个普通节点；其中：
多个传感器节点模块的声发射信号检测单元，用于采集声发射信号，并将所述声发射信号放大，将放大后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射采集控制单元；
多个传感器节点的声发射采集控制单元，用于对放大后的声发射信号进行信号转换并存储，将转换后的声发射信号发送到多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元；
多个传感器节点的声发射5G通信与分析单元，用于接收并分析所述转换后的声发射信号，得到待检测的压力容器泄漏结果。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个传感器节点阵列排布。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN118309942A (zh) * | 2024-06-04 | 2024-07-09 | 安徽至博光电科技股份有限公司 | 一种管网漏失定位方法及系统 |
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2022
- 2022-01-24 CN CN202210081198.5A patent/CN114460177B/zh active Active
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