CN204085486U - 一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，实现了对管道曲面区域范围的厚度进行测试。包括超声波信号激励模块、阵列式压电薄膜传感器模块、信号采集与处理模块和信号分析模块；超声波信号激励模块负责控制脉冲信号发生装置发出周期性窄脉冲；阵列式压电薄膜传感器模块受到激励产生超声波，超声波在被测试件上、下面多次地来回反射，反射产生的反射波被阵列式压电薄膜传感器探头接收形成电信号；信号采集与处理负责将电信号放大、滤波、以及多通道扫查处理后，发送给信号分析模块；信号分析模块负责统计超声波在上、下表面的传播时间，采用波形数据分析软件，计算出试件厚度，输出测量厚度变化情况，以检测腐蚀情况。

Description

一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术，属于结构健康检测领域，具体涉及一种基于阵列式压电薄膜(PVDF)传感器的管道腐蚀监测装置。

背景技术

当今，我国经济发展的持续性与高速性对以油气资源为主体的能源需求越来越迫切。管道鉴于诸多优势，已成为油气资源运输主要手段之一，因而预防管道泄漏等事故十分重要。超声检测是常规的无损检测技术，具有携带方便、测量简便、精度高、误差小，能在不损坏设备、零部件的情况下，准确检测管道壁厚。在锅炉、管道等曲面表面检测中，常规超声压电传感器有很多的限制与困难，对这类待测试件表面为曲面的结构，现阶段的压电探头无法直接对其进行厚度测量。此外，在实际工程应用中，压力管道腐蚀情况的检测需要对管道多个区域或者某一较大区域内多点进行厚度测量。单点检测操作复杂繁琐，数据记录混乱，不利于对压力管道腐蚀情况的长期监测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，实现了对管道曲面区域范围的厚度进行测试。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，包括超声波信号激励模块、阵列式压电薄膜传感器模块、信号采集与处理模块和信号分析模块；超声波信号激励模块加载阵列式压电薄膜传感器模块上，信号采集与处理模块的输入端与阵列式压电薄膜传感器模块连接，信号采集与处理模块的输出端与信号分析模块连接；

超声波信号激励模块负责控制脉冲信号发生装置发出周期性窄脉冲，该周期性窄脉冲用以激励阵列式压电薄膜传感器模块来产生超声波；

阵列式压电薄膜传感器模块受到激励产生超声波，超声波在被测试件上、下面多次地来回反射，反射产生的反射波被阵列式压电薄膜传感器探头接收形成电信号；

信号采集与处理包含信号调理单元、信号采集单元、多通道扫查单元；负责将电信号放大、滤波、以及多通道扫查处理后，发送给信号分析模块；

信号分析模块负责统计超声波在上、下表面的传播时间，采用波形数据分析软件，计算出试件厚度，输出测量厚度变化情况，以检测腐蚀情况。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所提供的系统分别采用阵列式压电薄膜传感器和超声波测厚技术，对管道进行区域性曲面测厚，大幅提高了腐蚀检测效率，实现了管道腐蚀监测。本实用新型相对于传统的超声波管材壁厚测量方法，避免了复杂的测量设备、繁琐的测试过程，并且实现了区域监测功能。

附图说明

图1为本实用新型基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测系统，该系统包括超声波信号激励模块、阵列式压电薄膜传感器模块、信号采集与处理模块和信号分析模块。其中：超声波信号激励部分控制脉冲信号发生装置发出周期性窄脉冲，加载到阵列式压电薄膜传感器探头上，探头受到激励产生超声波，超声波会在试件上、下面多次地来回反射。这些反射波被压电探头接收形成电信号，再通过放大、滤波、多通道扫查等信号采集与处理后，由信号分析模块统计出超声波在上、下表面的传播时间，进而计算出试件厚度，以检测腐蚀情况。

各模块的功能为：

超声波信号激励模块，用于发出周期性窄脉冲以激励压电晶片来产生超声波。超声波信号激励采用电路方式实现，其本质是单稳态触发器。本实用新型以555定时器为核心来制成单稳态触发器。555定时器是多用途的模拟——数字混合集成电路，利用555定时器可以极为方便地搭建单稳态触发器。单稳态触发器产生脉冲高压的工作原理是RC放电电路。由触发电路控制存储电能的高压云母电容放电，借此产生瞬时高压的脉冲信号。其中tw为输出脉冲宽度，是电容C的电压由0充到的时间。调节tw可以得到本实验要求的窄脉冲信号。

由上式可知，输出脉冲宽度tw仅与R和C的大小相关。因此，调节R、C的大小即可调节输出脉冲宽度。在实际应用中，将电阻R设置成可调式Rw，通过调节Rw来改变脉冲宽度。

阵列式压电薄膜传感器模块，用于受激励发出超声波和接受超声波回波，以此产生压电信号，并输出到信号采集与处理模块。阵列式的设计思路是以单体PVDF压电薄膜传感器为基础，将多片PVDF压电薄膜依据被测对象的实际要求整合排布在柔性基底上，构成阵列式传感器组，实现多个区域或者某一较大区域内多点进行厚度测量。

信号采集与处理模块，用于压电信号调理、信号A/D转换、采样、多通道扫查等。其中，信号调理作用为

(1)压电薄膜传感器的高内阻抗转化为低阻抗便于输出，实现阻抗转化；

(2)将不能直接采集、测量的电荷信号转换成电压信号；

(3)放大较为弱小的电荷信号；

(4)去除高频噪声信号；

(5)实现对电信号放大的目的。

本实用新型中压电信号调理电路主要分为三级：电荷放大器、低通滤波电路及电压放大器。采用以集成芯片为核心元件的信号调理电路，集成芯片主要是AD745、LMF90及MAX7410。

AD745是场效应管输入型电荷放大器芯片。其具有噪声干扰小、高增益放大、宽频带、快速转换等特点。在作为压电薄膜传感器信号调理的第一级放大环节时，阻值高达1010Ω的AD745输入阻抗可以较好地匹配PVDF压电晶体的高内阻抗。

LMF90是一个四阶陷波器。压电薄膜传感器的抗电磁干扰能力较差，干扰信号主要集中于50Hz及150Hz的频段。而LMF90可用于滤除50Hz的工频干扰信号及其倍频信号。MAX7410是一种可调式的滤波电路芯片。其滤波功能不仅包含低通，同时也囊括带通及高通滤波。

压电薄膜传感器的输出信号经电荷放大、低通滤波及电压放大后将被送入上位机进行数据分析与计算，因而还需要加入A/D转换和信号采集电路。本实用新型将在飓风3代RC3-2C20开发板上设计信号采集电路。飓风3代RC3-2C20开发板由核心板(包括FPGA在内的构成nios的最小系统)、基础功能扩展板(底板)及SOPC平台(System on Programming Chip平台)组成。底板的基础功能扩展面向所有的FPGA开发用户；SOPC平台则为用户提供新的嵌入式电子设计的选择机会。开发板包含了通信、数据转换、控制、存储及人机通讯几方面。

信号分析模块，用于压电信号的波形采集、控制与显示，计算测试厚度。本实用新型使用的软件系统是飓风3代RC3-2C20开发板配套开发的波形采集、控制与显示的软件平台。该软件系统为匹配开发板上各芯片而设计了多种功能，在本次实验中，主要涉及的有数据采集、成像与重放；图像设置；多图显示等功能。这些功能将极为方便地分析、处理数据。

系统软件的流程大致是系统上电之后，超声波信号激励电路开始发射窄带脉冲信号激励PVDF压电薄膜传感器，PVDF压电传感器产生超声波、感应回波信号后输出电信号，传送至信号调理电路。同时，通过FPGA启动A/D转换器A/D7862，A/D转换器采集经过调理的模拟信号量转换为12位的数字量，再并行输入到FPGA中，在FPGA中经过初步处理后通过串行接口RS-232传输到上位机中，并在软件界面上显示出图像。

(1)选取测试对象以及传感器设计

确定被测试件及其待测点位置，以此设计传感器内部压电薄膜排列。利用耦合剂将阵列式压电薄膜传感器粘接在试件待测位置。

(2)电参数确定

选取合适的超声波信号激励参数，脉冲激励信号频率为200MHz、幅值最大为380V、调节宽度为300ns至50μs。

飓风3代RC3-2C20开发板上设计信号采集电路、A/D转换电路。工作电压为+5V；采样速率是250Ksps，转换时间是4μs；支持12位数字量并行输出，模拟量的输入范围包含0到2.5V。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，其特征在于：包括超声波信号激励模块、阵列式压电薄膜传感器模块、信号采集与处理模块和信号分析模块；超声波信号激励模块加载阵列式压电薄膜传感器模块上，信号采集与处理模块的输入端与阵列式压电薄膜传感器模块连接，信号采集与处理模块的输出端与信号分析模块连接；其中：

超声波信号激励模块负责控制脉冲信号发生装置发出周期性窄脉冲，该周期性窄脉冲用以激励阵列式压电薄膜传感器模块来产生超声波；

阵列式压电薄膜传感器模块受到激励产生超声波，超声波在被测试件上、下面多次地来回反射，反射产生的反射波被阵列式压电薄膜传感器探头接收形成电信号；

信号采集与处理包含信号调理单元、信号采集单元、多通道扫查单元；负责将电信号放大、滤波、以及多通道扫查处理后，发送给信号分析模块；

信号分析模块负责统计超声波在上、下表面的传播时间，采用波形数据分析软件，计算出试件厚度，输出测量厚度变化情况，以检测腐蚀情况。

2.如权利要求1所述的一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，其特征在于：所述的信号采集与处理模块中包含压电信号调理电路，该压电信号调理电路主要分为三级：电荷放大器、低通滤波电路及电压放大器；采用以集成芯片为核心元件的信号调理电路，集成芯片为AD745、LMF90及MAX7410。

3.如权利要求1或2所述的一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，其特征在于：测试时利用耦合剂将阵列式压电薄膜传感器模块粘接在试件待测位置。