CN116718102A - 一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，涉及传感器技术领域。远场无源无线应变传感器包括：发射器和传感器；发射器和传感器无线连接；传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；传感器的底面为凹面；凹面与被测金属管道的曲面匹配设置；被测金属管道和传感器均埋设与地下；发射器设置于搭载设备上；发射器用于发射扫频激励信号；传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；发射器用于接收谐振频率峰值偏移量。本发明仅设置发射器和传感器即可完成远场无源无线应变测量，具有结构简单、制作成本低的优点。

Description

一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统。

背景技术

金属管道广泛应用于石油管道、天然气管道、供水系统和工业加工厂等特种设备和基础设施，因此金属管道的检查和监控是维护工业设施和基础设施完整性和安全性的关键技术。然而，金属管道的检查和监测面临着各种挑战，导致这项任务变得困难且耗时。首先，腐蚀是金属管道中的一个常见问题，会导致泄漏、破裂和其他故障。传统检测和监测金属管道腐蚀需要专门的设备和技术，如超声波检测和漏磁检测。然而，部分金属管道可能位于如地下或墙壁内等难以到达或受限的空间，另一部分金属管道则表明覆盖有保温层。检查这些管道需要专业工具和设备挖开地表、墙壁或保温层，这耗费了大量时间和精力。其次，不可达管道的位置有时难以准确定位，这将导致检测和监测的困难，因此需要使用金属探测器或探地雷达等特殊设备。为了解决这些问题，需要采用先进的传感技术和方法，并不断改进和优化检测和监测系统，以提高其准确性、可靠性和可操作性。

金属管道在运行中因为腐蚀、磨损或疲劳等因素导致管道壁厚减薄，这将导致管道的异常变形。除此之外，金属管道长时间运行后材料可能发生老化，其强度和刚度等物理性质也随之发生变化。为了提前发现金属管道的异常变形，可通过应变传感器对金属管道进行结构健康评估和性能监测。最常见的电阻式应变片或应变计。通过将应变计贴附在管道表面测量管道表面的应变，并据此评估管道的健康状况。这种方法由于每个应变计都需要一根独立的线缆，因此导致了线缆冗余的问题。此外，应变计的线路长度也会影响测量精度。另一种传感器是光纤光栅传感器，这种传感器具有高灵敏度和强抗干扰能力，同时一根光纤可同时测量多个点上的应变，实现了线缆的复用。但是，此类传感器的问题在于其较高的安装成本和昂贵的解调设备。由于光纤较脆弱，一旦受到异常外力的影响将导致光纤断裂，从而使线路损失剩余部分的节点。

无源无线传感器可克服上述传感器的问题，其内部不含电池，也不需要线缆连接，仅依靠外部信号发射器产生的电磁波来提供能量，适用于各类非接触式应变检测任务。在埋地管道的应变检测上具有广泛的应用。目前，现有相关的传感器专利如下。申请号为202110293500.9的发明专利公开了一种无源无线损伤泄露监测系统及其控制方法，由柔性压电传感单元、调理电路、无源RFID标签和RFID天线组成的无源传感器及其射频阅读模块、显示模块等组成的损伤泄露监测系统，当阅读器产生激励信号时，传感器内部的无源标签将接收电磁波并对传感器的内置电路供电，并采集压电传感器的信号，并返回阅读器。申请号为201880077911.0的发明专利公开了一种由无源声波传感器和无源微处理器组成的无线传感器，支持物联网的无线传感器系统使用附着式和/或嵌入式无源电磁传感器，可以实现过程控制、对配电网络、液体和气体管道的预测性维护以及空气污染物，依靠多个电感线圈收集远端天线所发出的电磁场来为电路提供能源。上述方法均依赖传感器内部的电路从外部电磁场获取能源，并通过与微处理器相连的各类传感器采集信息，因此单个传感器的制作成本较高，不适用于在长输管道上大量布置。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，具有结构简单、制作成本低的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，包括：

发射器和传感器；

所述发射器和所述传感器无线连接；所述传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；所述传感器的底面为凹面；所述凹面与所述被测金属管道的曲面匹配设置；所述被测金属管道和所述传感器均埋设与地下；

所述发射器设置于搭载设备上；

所述发射器用于发射扫频激励信号；

所述传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；所述谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；

所述发射器用于接收所述谐振频率峰值偏移量。

可选的，所述搭载设备为无人机或无人车。

可选的，所述发射器包括：

信号收发器和发射天线；

所述发射天线分别与所述信号收发器和所述传感器连接；

所述信号收发器用于生成所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量；

所述发射天线用于发射所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量。

可选的，所述发射器还包括：匹配电路；

所述匹配电路分别与所述信号收发器和所述发射天线连接；

所述匹配电路用于调节所述信号收发器的阻抗。

可选的，所述传感器包括：力敏压电谐振器、传感天线和同轴线；

所述同轴线分别与所述传感天线和所述力敏压电谐振器；所述传感天线与所述发射天线无线连接；

所述传感天线用于接收所述扫频激励信号，并发射所述谐振频率峰值偏移量；

所述力敏压电谐振器获取谐振频率峰值偏移量。

可选的，所述传感天线的材质为金属。

可选的，所述力敏压电谐振器为体声波谐振器或表面声波谐振器。

一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器系统，包括：

远程终端和多个远场无源无线应变传感器；

多个远场无源无线应变传感器中的传感器与被测金属管道的多个监测点一一对应设置；

多个远场无源无线应变传感器中的发射器均与远程终端连接；

所述远程终端用于根据不同监测点的扫频激励信号，确定不同监测点的应变量，并根据多个应变量确定异常位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，包括：发射器和传感器；发射器和传感器无线连接；传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；传感器的底面为凹面；凹面与被测金属管道的曲面匹配设置；被测金属管道和传感器均埋设与地下；发射器设置于搭载设备上；发射器用于发射扫频激励信号；传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；发射器用于接收谐振频率峰值偏移量。本发明仅设置发射器和传感器即可完成远场无源无线应变测量，具有结构简单、制作成本低的优点。

与传统的埋地金属管道检测方法相比，本发明无需挖开表面土壤或保护层，即可检测管道异常的应力分布状态。与传统的有线式应变检测方法相比，本发明无需将引线连至地表或保护层外，避免了导线冗余问题，也从根本上避免了因导线断裂引起的信号缺失。与现有的无源无线传感器相比，本发明无需芯片，通过温度标定可适用于在极端温度的环境下工作。同时，本发明采用远场谐振式传感器，可从0.5m以上的距离处接收传感器的特征信号，由于传感器的谐振频率只与传感器被测的物理量和自身状态有关，增加距离不会改变谐振频率。本发明可用于金属管线走向的定位，当天线之间的距离最小时，传感器特征信号的幅值达到极大值，可帮助检测人员在必要的时候准确地挖开金属管道表面的土壤，便于进行更深入的检测和检修，为施工节省了时间和人力。本发明与无人检测平台兼容性高，由于检测过程为非接触式检测，且无需精确的定位，无人机或机器人可外挂便携式信号收发器，从大致的位置上搜索传感器的特征信号，并根据信号幅值变化的规律来判断传感器的具体位置，以获取更精准的读数，适用于埋地保护层等不可视、不可达金属管道的应变检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器结构示意图；

图2为本发明实施例1中体声波谐振器结构示意图；

图3为本发明实施例1中表面声波力敏压电谐振器结构示意图；

图4为本发明实施例1中匹配电路图；

图5为本发明实施例1中表面声波谐振器的电极设置位置示意图；

图6为本发明实施例1中力敏压电谐振器与传感天线之间的连接方式示意图；

图7为本发明实施例1中传感天线的阻抗在频域内的特征示意图；

图8为本发明实施例1中偶极子天线的增益特征示意图；

图9为本发明实施例1中喇叭形天线的增益特征示意图；

图10为本发明实施例1中特征信号的演化规律第一示意图；

图11为本发明实施例1中特征信号的演化规律第二示意图。

附图标记说明：传感器-1；发射器-2；力敏压电谐振器-3；传感天线-4；发射天线-5；信号收发器-6；匹配电路-7；压电薄片-8；体声波谐振器-9；表面声波谐振器-10；上基板-11；下基板-12；基底-13；顶板-14；交叉换能器-15；反射栅(极)-16；同轴线-17。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，具有结构简单、制作成本低的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，包括：发射器和传感器；发射器和传感器无线连接；传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；传感器的底面为凹面；凹面与被测金属管道的曲面匹配设置；被测金属管道和传感器均埋设与地下；发射器设置于搭载设备上；发射器用于发射扫频激励信号；传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；发射器用于接收谐振频率峰值偏移量。搭载设备为无人机或无人车。

其中，发射器包括：信号收发器和发射天线；发射天线分别与信号收发器和传感器连接；信号收发器用于生成扫频激励信号，并接收谐振频率峰值偏移量；发射天线用于发射扫频激励信号，并接收谐振频率峰值偏移量。

发射器还包括：匹配电路；匹配电路分别与信号收发器和发射天线连接；匹配电路用于调节信号收发器的阻抗。

所述信号收发器6发出的激励频率为传感器谐振频率附近的一段扫频信号，完全覆盖特征信号可能出现的频率。如果信号收发器6为轻量化的便携式设备，则可由无人机、机器人等无人检测监测平台携带。

所述匹配电路7是由电容、电感等无源器件通过串联和并联的形式组成的网络，该电路与发射天线5相连以实现与发射器2的阻抗匹配，从而使传感器1的特征信号的峰值达到最大值。以图4为例具体说明，电路图左侧的元件Z_in为信号收发器6阻抗，右侧为发射天线5阻抗Z_an，中间为匹配电路7，该电路使二者实部相等(即R′_in＝R′_an)且虚部相反(即X′_an＝-X′_an)。通常情况下，天线内阻较小(即R_in＞R_an)，可采用图中的左L型电路。如果发射天线5与信号收发器6初始时达到阻抗匹配，则无需该部件。

传感器包括：所述传感器包括：力敏压电谐振器、传感天线和同轴线；所述同轴线分别与所述传感天线和所述力敏压电谐振器；所述传感天线与所述发射天线无线连接；所述传感天线用于接收所述扫频激励信号，并发射所述谐振频率峰值偏移量；所述力敏压电谐振器获取谐振频率峰值偏移量。

力敏压电谐振器3是一类采用高品质压电材料作为传感元件，在传感器结构受力时压电材料的谐振频率发生偏移，并通过谐振频率偏移以识别被测结构受力变化的传感器的总称。所述力敏压电谐振器3由压电薄片8制成，其材料包括但不限于石英、各类压电陶瓷，其形式包括体声波谐振器9与表面声波谐振器10两种。

体声波谐振器9由压电薄片8与其上下表面的上基板11和下基板12组成，压电薄片8下底面两端与传感器的基底13固定，中间存在空气间隙，以使其在激励信号下发生机械振动。所述压电薄片8上方为顶板14，其两端与基底13两侧固定，其中间为一块状凸起物，与压电薄片8处于临界接触状态。该传感器的原理为，当上基板11和下基板12间接入交变电压后，压电薄片8的上下表面将产生沿厚度方向传播的声波，同时表面将产生沿表面方向的横向滑移。当基底13产生变形时，顶板14的左右支撑发生变形，从而导致中间凸起物与压电薄片发生接触；该接触将导致压电薄片8上表面受到摩擦力，可等效为一个附加刚度，从而改变其谐振频率。

表面声波谐振器10由压电薄片8与其上表面横向排列的交叉换能器15和反射栅极16组成。对于表面声波谐振器10而言，压电薄片8下底面与传感器的基底13完全贴合。原理图如图2和图3所示。该传感器的原理为，交叉换能器15受交变电压激励后产生沿基底13表面移动的声波，该声波受到反射栅极16反射后将与入射波发生叠加而形成驻波，并在窄频带内使电学阻抗发生明显的变化。当基底13产生变形时，由于声波的行程发生改变，使上述谐振频率发生移动。

无论何种形式，力敏压电谐振器3的表现形式为，当基底13受力发生变形时，其谐振频率随受力发生移动。

所述力敏压电谐振器3的基底13通过粘结剂贴附于金属管道的外壁，基底13的底部为内弧面以适应所贴附金属管道的外径。

传感天线4与发射天线5为超高频段的天线，该天线的工作频率与力敏压电谐振器3的谐振频率只需接近即可。当力敏压电谐振器3和传感天线4组成连接后，组成的传感器1的谐振频率称为传感器谐振频率。如图6，传感天线4与力敏压电谐振器3之间通过同轴线17连接。更具体地说明，由于埋地线缆将受到地底电解质和微生物的侵蚀，线缆外皮应具有耐侵蚀性。传感天线4被埋于金属管道的正上方据地面半米处，其目的有两点：其一，金属管道将反射由发射天线5所发出的电磁波，从而削弱传感器1的特征信号，因此传感天线4必须远离金属物体；其二，传感器1的特征信号可作为定位埋地管道位置的信标使用，当发射天线5接近传感天线4时，其频域下的特征信号幅值将会由小到大变化。

传感天线4与发射天线5的形式包括但不限于：偶极子天线、单极天线、喇叭天线、平面天线等。所述发射天线5的谐振频率为本无源无线传感方法的主要设计参数，应优先确定，之后根据该频率设计传感器1的特征信号的谐振频率。

发射天线5的形式可能与传感天线4相同，也可能与传感天线4不同，需要根据具体情况进行优化。更具体地说明，由于埋地管道及传感天线位于不可视环境，不同指向性的天线的使用方法和要求也不同。当二者均为弱指向型或全向型天线时，当发射天线进入传感天线接受范围内即可识别信号，无需精确的定位传感天线的位置，但接收距离最近。当二者均为强指向性天线时，接收距离最远，但要求二者指向对方所在位置，这就要求使用者记录发射天线所处的位置和指向；同时，在采集信号时将发射天线移动到指定地点，精确对准不可视的接收天线的位置，使用难度最大。为降低使用难度，可以采取发射天线为指向性、接收天线为非指向性的组合；尽管需要记录传感天线的位置，并将发射天线对准该位置即可。

本实施例中，传感器的谐振频率为915MHz，压电薄片的材料为LiNbO₃，交叉换能器和反射栅极的材料为金(Au)。监测对象为直径50cm的不锈钢管道。更具体地说明，LiNbO₃在谐振频率为915MHz时的对应声速波长为4.4μm，交叉换能器14的相邻电极间的距离为声速波长的1/4，即1.1μm。压电薄片的厚度需满足瑞利波的激发条件，即厚度与波长之比大于3.0，本实施例中的厚度为50μm。交叉换能器的宽度约为波长的80倍，即为330μm；交叉换能器和反射栅极之间的间隔为波长的100倍，即为440μm。交叉换能器和反射栅极的电极数量均为5个，以提高超高频段下信号的分辨率。电极的示意图如图5所示。更具体地说明，从交叉换能器的两个电极上分别引一条线路连接至基板，已连接同轴线的接口。

在力敏压电谐振器的加工过程中，首先通过精密机加工方法加工传感器的基底，其材料为不锈钢，三边的最大尺寸分别为30mm、5mm和2mm，其底部内弧面半径约等于管壁外壁半径。之后，通过研磨得到厚度为50μm的LiNbO₃膜，并将其贴附于基底表面。再依次在LiNbO3上表面进行金粉的化学气相沉积、光刻和蚀刻，从而得到宽度约为1με，厚度约为10nm的金电极。为了提高电极和压电材料的抗侵蚀能力，可以在力敏压电谐振器表面沉积一层2–4nm的二氧化硅钝化膜。

更具体地说明，力敏压电谐振器应加装外壳以起到密封和防侵蚀的作用，同时外壳内部还可选择进行抽真空或注入惰性气体，以防止内部器件老化。基底与金属管壁直接通过环氧树脂粘结剂固定。安装方向应遵循，声波沿压电薄片传导的方向与金属管线的径向平行，从而最大化分辨率。更具体地说明，如果需要同时监测一段管道上临近的多个位置的应变，可以将不同谐振频率下的表面声波传感器串联连接，从而得到较窄频段内多个特征频率；但是，缺点是提高了系统的损耗，因而信号的接受距离更短。传感天线拟定为偶极子天线，其中每个分支长度约为电磁波在谐振频率下波长的四分之一，实际长度为7.8cm，其阻抗曲线见图7。传感天线与交叉换能器之间通过50Ohms同轴线相连，同轴线长度根据实际所需设计，天线距地表约为0.5m。

更具体地说明，传感天线、同轴线应加装护套，从而避免线路受到侵蚀。发射天线与传感天线都可以采用相同的偶极子天线，也可选用指向性更明显的喇叭口天线。使用前者时，传感信号的搜寻范围更广；使用后者时，信号的强度更高。如图8和图9所示，偶极天线可实现全域360度角的信号覆盖，最大增益约1dBi；喇叭口天线的接收域为±30度角，但最大增益提高至10dBi。

更具体的说明，如果使用商用现成的天线，其谐振频率可能与传感器的特征信号有差异，因此需要使用匹配电路中的无源网络进行阻抗匹配，以将发射天线的谐振频率移动至该特征频率下。信号收发器所接收到的信号特征如图10和图11所示。接收信号为回波损耗系数S₁₁，当传感天线与发射天线之间间距为无限远时，该信号为一单峰曲线，该单峰中心处为发射器的谐振频率。当传感天线与发射天线之间间距缩小时，传感天线将反射发射天线的电磁波，并在传感器的谐振频率下反射波达到最大，此时该频率下发射器的阻抗增加，所测得的信号将存在一个回波损耗系数的极值。以两天线均为全向天线为例，当发射天线移动至传感天线的接收范围后，记录传感器特征信号在各个空间坐标的幅值，并继续移动发射天线以寻找一个使该幅值变化梯度达到最大的移动方向。当确定该方向后，缓慢移动天线并比对信号的幅值，此时该幅值持续增加；当该幅值存在减小趋势后，所记录的幅值最大的坐标即为发射天线所处位置。

当金属管壁由于结构侵蚀导致管壁减薄时，管道内部应力场将发生变化，导致传感器的基底发生变形，进而导致压电薄片发射变形。此变形不仅改变了交叉换能器的电极之间距离的变化，还将延长交叉换能器与反射栅极之间的变化，导致了传感器的谐振频率的变化和反射信号的延时。通过测量结构异常状态下特征信号的峰值偏移，可以测量传感器的受力变化，最终判断金属管的健康情况。无论是体声波谐振器，还是表面声波谐振器，由于其具有极高的品质因数(大于10000)，同时结合定向高增益天线和大功率信号收发器，可在传输距离1-2m的范围内接收到传感器的特征信号。此外，高品质因数的特征信号具有尖锐的峰值，因此可以识别微应变级的结构变形。

实施例2

本实施例提供了一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器系统，包括：远程终端和多个如实施例1所述的远场无源无线应变传感器；多个远场无源无线应变传感器中的传感器与被测金属管道的多个监测点一一对应设置；多个远场无源无线应变传感器中的发射器均与远程终端连接；远程终端用于根据不同监测点的扫频激励信号，确定不同监测点的应变量，并根据多个应变量确定异常位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，包括：

发射器和传感器；

所述发射器和所述传感器无线连接；所述传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；所述传感器的底面为凹面；所述凹面与所述被测金属管道的曲面匹配设置；所述被测金属管道和所述传感器均埋设与地下；

所述发射器设置于搭载设备上；

所述发射器用于发射扫频激励信号；

所述传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；所述谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；

所述发射器用于接收所述谐振频率峰值偏移量。

2.根据权利要求1所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述搭载设备为无人机或无人车。

3.根据权利要求1所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述发射器包括：

信号收发器和发射天线；

所述发射天线分别与所述信号收发器和所述传感器连接；

所述信号收发器用于生成所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量；

所述发射天线用于发射所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量。

4.根据权利要求3所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述发射器还包括：匹配电路；

所述匹配电路分别与所述信号收发器和所述发射天线连接；

所述匹配电路用于调节所述信号收发器的阻抗。

5.根据权利要求3所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述传感器包括：力敏压电谐振器、传感天线和同轴线；

所述同轴线分别与所述传感天线和所述力敏压电谐振器；所述传感天线与所述发射天线无线连接；

所述传感天线用于接收所述扫频激励信号，并发射所述谐振频率峰值偏移量；

所述力敏压电谐振器获取谐振频率峰值偏移量。

6.根据权利要求5所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述传感天线的材质为金属。

7.根据权利要求5所述的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，其特征在于，所述力敏压电谐振器为体声波谐振器或表面声波谐振器。

8.一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器系统，其特征在于，包括：

远程终端和多个如权利要求1-7任一项所述的远场无源无线应变传感器；

多个远场无源无线应变传感器中的传感器与被测金属管道的多个监测点一一对应设置；

多个远场无源无线应变传感器中的发射器均与远程终端连接；

所述远程终端用于根据不同监测点的扫频激励信号，确定不同监测点的应变量，并根据多个应变量确定异常位置。