本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)和測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器及其安裝與應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

超聲導(dǎo)波是一種沿著波導(dǎo)(平板或管道)傳播的彈性波，具有低能耗、高敏感性和長距離傳播的能力。超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)和頻散特性。頻散曲線可以用來確定導(dǎo)波傳播速度、識別導(dǎo)波模態(tài)和開發(fā)合適的檢測數(shù)據(jù)分析算法。頻散曲線可以通過求解導(dǎo)波的特征方程得到。當(dāng)自由平板浸入水中或者管道充液時，超聲導(dǎo)波在自由平板或管道中的傳播受到水的影響，頻散方程的波數(shù)解為復(fù)數(shù)，同時，除自由平板或管道中基本的導(dǎo)波模態(tài)外，覆水平板或充液管道中還存在另外一種超聲導(dǎo)波模態(tài)，即quasi-Scholte模態(tài)(固體與液體界面處的準(zhǔn)界面波)。

導(dǎo)波的激發(fā)或接收可以采用多種不同的傳感器，例如壓電傳感器，梳狀傳感器，壓電纖維復(fù)合傳感器(MFC)，楔狀斜入射傳感器，光纖傳感器，電磁超聲傳感器(EMAT)，空氣耦合傳感器和激光傳感器等。這些傳感器分別具有不同的特點(diǎn)。在這些傳感器中，壓電傳感器被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)波的激發(fā)和接收，以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。與傳統(tǒng)的超聲傳感器(利用壓電耦合d₃₃)不同的是，壓電傳感器尺寸小且重量輕，可以植入被測物內(nèi)部，或者粘貼在被測物表面進(jìn)行導(dǎo)波的激發(fā)和接收。

而目前的此類傳感器安裝和操作都比較復(fù)雜，重復(fù)使用率很低，測量精度也有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器及其安裝與應(yīng)用方法。具體如下：

一種基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器，所述傳感器在平面x₁x₂方向尺寸遠(yuǎn)大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用壓電耦合d₃₁實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，以實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的有效激發(fā)與接收；其中，所述x₁方向與三維坐標(biāo)系中的x軸同向，所述x₂方向與三維坐標(biāo)系中的y軸同向，所述x₃方向與三維坐標(biāo)系中的z軸同向。

所述傳感器和薄壁平板的耦合為所述傳感器邊緣處的面內(nèi)耦合，當(dāng)所述傳感器粘貼到所述薄壁平板表面之后，通過面內(nèi)運(yùn)動的耦合，以使所述傳感器邊緣可以有效的激發(fā)或者接收Lamb波；所述粘貼的厚度為毫米級。

所述傳感器粘貼到結(jié)構(gòu)表面，在低頻區(qū)，所述傳感器可以激發(fā)和測得A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)，通過分析接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號實(shí)現(xiàn)液位的精確測量。

所述傳感器在20～120kHz的激發(fā)頻率范圍內(nèi)，可以近似得到單一的A₀模態(tài)。

所述傳感器在低頻區(qū)可以激發(fā)和測得quasi-Scholte波，用于液位的測量；對所述傳感器的激發(fā)頻率選擇在低頻區(qū)。

一種將上述傳感器粘貼安裝到結(jié)構(gòu)表面的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)檢查所述傳感器，確保所述傳感器表面沒有被氧化，完好無損；

(2)結(jié)構(gòu)表面打磨：用細(xì)砂紙工具將所述結(jié)構(gòu)上貼所述傳感器位置的油污、銹跡除去；

(3)結(jié)構(gòu)表面清潔：用棉紗或脫脂棉花沾酒精清潔所述結(jié)構(gòu)表面，擦洗2～3遍，擦洗后所述結(jié)構(gòu)表面不可再用手接觸；

(4)涂膠粘貼：正確區(qū)分所述傳感器的粘貼面，正極朝上，反面是粘貼面；根據(jù)所述傳感器的面積大小在所述粘貼面涂上適量膠水；

(5)粘貼固化：將塑料薄膜蓋在所述傳感器上，用拇指按壓擠出多余的膠水，所述按壓的時間約為1分鐘，室溫低時適當(dāng)延長所述按壓的時間；

(6)焊接所述傳感器的導(dǎo)線：使用電烙鐵點(diǎn)焊所述導(dǎo)線，所述點(diǎn)焊過程中避免烙鐵頭觸碰到所述傳感器，以避免使所述傳感器受到高溫而發(fā)生極化。

由所述傳感器測量液位時，以無水時作為基準(zhǔn)，在液位發(fā)生變化時，新液位導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差呈線性關(guān)系變化。

一種采用上述傳感器及上述方法來測量覆水平板中液位的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)設(shè)置所述傳感器的尺寸為7mm×7mm，厚度為0.2mm，所述傳感器由壓電材料鋯鈦酸鉛3制成，所述傳感器的上邊面1和下邊面2分別是正電極和負(fù)電極，材料為銀；

(2)將激發(fā)頻率設(shè)置為100kHz，激發(fā)信號為漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波；

(3)依次改變水箱中水的位置，所述位置的變化范圍5mm到135mm，間隔10mm；

(4)取用所述覆水平板材料為T304不銹鋼鋼板，材料參數(shù)：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³；

(5)安裝激發(fā)傳感器與接收傳感器布置在同一條軸線上，由液位的改變檢測所述接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號的相移；

(6)以自由平板時作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差呈線性關(guān)系變化，由所述傳感器顯示出密閉容器中液位。

一種采用上述傳感器及上述方法來測量充液管道中液位的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)設(shè)置所述傳感器的尺寸為5mm×5mm，厚度為0.2mm，所述傳感器由壓電材料鋯鈦酸鉛3制成，所述傳感器的上邊面1和下邊面2分別是正電極和負(fù)電極，材料為銀；

(2)將激發(fā)頻率設(shè)置為100kHz，激發(fā)信號為漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波；

(3)依次改變水箱中水的位置，所述位置的變化范圍0mm到90mm，間隔10mm；

(4)取用所述覆充液管道為T304不銹鋼，外徑114.4mm，材料參數(shù)：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³；

(5)安裝激發(fā)傳感器與接收傳感器布置在同一條軸線上，由液位的改變檢測所述接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號的相移；

(6)以自由平板時作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，在密閉容器液位發(fā)生變化時，新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差呈線性關(guān)系變化，由所述傳感器顯示出密閉容器中液位。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的PWAS傳感器體積小、重量輕，易于與待測結(jié)構(gòu)整合在一起(粘貼結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部)，廣泛用于導(dǎo)波的激發(fā)和接收；所述的PWAS尺寸小(直徑5～10mm，厚度0.2～0.5mm)；所述的PWAS寬頻帶傳感器；所述的PWAS具有模態(tài)調(diào)制特性；所述的PWAS不接觸容器內(nèi)的介質(zhì)，不污染容器內(nèi)液體。所述的PWAS布置在容器外部，已安裝、更換，不需破壞容器，也可用于封閉容器內(nèi)液位的檢測。所述的PWAS安裝方便快捷，操作簡單，易于重復(fù)使用，具有較高的測量精度。

附圖說明

圖1為薄的主動式壓電傳感器示意圖；

圖2為PWAS與結(jié)構(gòu)的相互作用示意圖；

圖3為粘結(jié)層厚度與應(yīng)力的相互關(guān)系示意圖；

圖4為PWAS模態(tài)調(diào)制曲線示意圖；

圖5為低頻區(qū)Quasi-Scholte波的模態(tài)結(jié)構(gòu)；

圖6為高頻區(qū)Quasi-Scholte波的模態(tài)結(jié)構(gòu)；

圖7為覆水平板單發(fā)-單收實(shí)驗(yàn)布置圖；

圖8為覆水平板實(shí)驗(yàn)液位d_W和時間差Δt_T-R的相互關(guān)系圖，以d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)；

圖9為覆水平板單發(fā)-單收實(shí)驗(yàn)中d_W＝0(實(shí)線)和d_W＝95mm(虛線)的信號圖；

圖10為充液管道單發(fā)-單收實(shí)驗(yàn)布置圖；

圖11為充液管道實(shí)驗(yàn)液位d_W和時間差Δt_T-R的相互關(guān)系圖，以d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)；

圖12為充液管道單發(fā)-單收實(shí)驗(yàn)d_W＝0、d_W＝50mm和d_W＝90mm的信號圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對實(shí)施例作詳細(xì)說明。

實(shí)施例一：

本發(fā)明提供了一種基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器-薄的主動式壓電傳感器(piezoelectric wafer active sensors，簡稱PWAS)，如圖1所示。PWAS傳感器體積小、重量輕，易于與待測結(jié)構(gòu)整合在一起(粘貼結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部)。PWAS的工作原理基于壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)。PWAS在平面x₁x₂方向尺寸遠(yuǎn)大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用壓電耦合d₃₁實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，以實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的有效激發(fā)與接收。PWAS和平板的耦合為PWAS邊緣處的面內(nèi)耦合，當(dāng)PWAS粘到薄壁平板表面之后，粘結(jié)層厚度極薄，通過面內(nèi)運(yùn)動的耦合，PWAS邊緣可以有效的激發(fā)或者接收Lamb波。本發(fā)明提到的傳感器PWAS在應(yīng)用中采用粘貼到結(jié)構(gòu)表面，在低頻區(qū)，PWAS可以有效的激發(fā)和測得A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)，通過分析接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號實(shí)現(xiàn)液位的精確測量，并且本發(fā)明中提出的基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器在實(shí)驗(yàn)案例中得到有效地驗(yàn)證。。

本發(fā)明所述的PWAS是由壓電材料鋯鈦酸鉛3制成，PWAS的上邊面1和下邊面2分別是正電極和負(fù)電極，材料為銀，如圖1所示。

本發(fā)明所述的PWAS工作原理：基于壓電效應(yīng)，PWAS可以有效的將力轉(zhuǎn)化為電。基于逆壓電效應(yīng)，PWAS可以有效的將電轉(zhuǎn)化為力。PWAS可以有效耦合力學(xué)參數(shù)(應(yīng)變S_ij和應(yīng)力T_kl)和電學(xué)參數(shù)(電場E_k和電位移D_j)，壓電連續(xù)方程為：

式中：是零電場強(qiáng)度下的機(jī)械柔順系數(shù)；

是零應(yīng)力下的介電常數(shù)；

d_kij是壓電耦合系數(shù)。

本發(fā)明所述的PWAS與傳統(tǒng)的壓電超聲波傳感器工作原理不同：傳統(tǒng)的壓電超聲傳感器主要利用壓電耦合d₃₃實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，即利用壓電耦合d₃₃實(shí)現(xiàn)超聲波的激發(fā)與接收。與傳統(tǒng)的超聲傳感器不同的是，PWAS利用壓電耦合d₃₁實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，要求PWAS在平面x₁x₂方向尺寸遠(yuǎn)大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的有效激發(fā)與接收，如圖1所示。

本發(fā)明所述的PWAS相對于傳統(tǒng)的壓電超聲傳感器，PWAS有以下不同點(diǎn)：

(1)PWAS利用面內(nèi)應(yīng)變的耦合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激發(fā)和接收，而傳統(tǒng)的壓電超聲傳感器是利用離面應(yīng)力的耦合；

(2)PWAS是非共振型寬頻帶傳感器，而傳統(tǒng)的壓電超聲傳感器是共振型窄頻帶傳感器。

(3)與傳統(tǒng)的壓電超聲傳感器相比，PWAS的一個重要特性就是PWAS具有模態(tài)調(diào)制的特性。

本發(fā)明所述的PWAS粘到薄壁平板表面之后，如圖2所示，通過面內(nèi)運(yùn)動的耦合，PWAS可以有效的激發(fā)或者接收Lamb波。而且，當(dāng)粘結(jié)層厚度非常薄時(1μm)，PWAS和平板的面內(nèi)耦合主要在發(fā)生在PWAS的邊緣，如圖3所示。因而，本發(fā)明所述的PWAS和平板的耦合為PWAS邊緣處的面內(nèi)耦合。

本發(fā)明所述的PWAS可以通過控制PWAS的激發(fā)頻率，可以調(diào)控Lamb波的激發(fā)模態(tài)，如圖4所示。不同模態(tài)的幅值隨頻率的變化而變化。特別的，在300kHz，A₀模態(tài)的幅值為零，而S₀模態(tài)的幅值相對較高。因而，在有水的結(jié)構(gòu)中測量液位時，能夠激發(fā)A₀模態(tài)的頻率范圍在20～120kHz。

本發(fā)明所述的PWAS在低頻區(qū)，如圖5所示，quasi-Scholte波在平板中的面內(nèi)位移和離面位移較大，在覆水平板(大型密閉容器殼體近似為平板)中可以得到面內(nèi)位移的quasi-Scholte波，用于液位的測量。

在高頻區(qū)，quasi-Scholte波在平板中的面內(nèi)位移和離面位移幾乎為零，為了得到在覆水平板中可以得到面內(nèi)位移的quasi-Scholte波，我們對激發(fā)傳感器的激發(fā)頻率選擇在低頻區(qū)，如圖6所示。對于覆水結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的激發(fā)與測量，需要考慮quasi-Scholte波的傳播和模態(tài)特性。因而，在低頻區(qū)，可以激發(fā)和測得quasi-Scholte波。

實(shí)施例二：

本發(fā)明提供了一種基于超聲導(dǎo)波的非浸入式液位測量傳感器-薄的主動式壓電傳感器(PWAS)，如圖1所示。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式以實(shí)驗(yàn)案例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所述的PWAS利用壓電耦合d₃₁實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，在平面x₁x₂方向尺寸遠(yuǎn)大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的有效激發(fā)與接收，如圖1所示。

本發(fā)明所述的PWAS粘到薄壁平板表面之后，如圖2所示，通過面內(nèi)運(yùn)動的耦合。

本發(fā)明所述的PWAS粘貼到結(jié)構(gòu)表面時，其粘結(jié)層厚度盡量極薄，和平板的面內(nèi)耦合主要在發(fā)生在PWAS的邊緣，如圖3所示。

本發(fā)明所述的PWAS在20～120kHz的激發(fā)頻率范圍內(nèi)，可以近似得到單一的A₀模態(tài)，如圖4所示。

本發(fā)明所述的PWAS在低頻區(qū)可以激發(fā)和測得quasi-Scholte波，如圖5和圖6所示。在低頻區(qū)quasi-Scholte波在平板中的位移分量較大，在高頻區(qū)，quasi-Scholte波在平板中的位移分量幾乎為零。

本發(fā)明所述的PWAS粘貼安裝到結(jié)構(gòu)表面的方法：

(1)確保PWAS表面沒有被氧化，完好無損；

(2)結(jié)構(gòu)表面打磨：用細(xì)砂紙等工具將結(jié)構(gòu)上貼PWAS位置的油污、銹跡等除去；

(3)結(jié)構(gòu)表面清潔：用棉紗或脫脂棉花沾酒精清潔結(jié)構(gòu)表面，擦洗2～3遍后，表面不可再用手接觸；

(4)涂膠粘貼：分清PWAS的粘貼面，正極朝上，反面是粘貼面。在粘貼面涂上一滴膠水(大小視PWAS面積而定)，膠水量不宜過多；

(5)粘貼固化：將塑料薄膜蓋在PWAS上，用拇指按壓擠出多余的膠水，按壓時間一般1分鐘左右，室溫低時適當(dāng)延長。

(6)焊接PWAS導(dǎo)線：使用電烙鐵點(diǎn)焊導(dǎo)線，避免烙鐵頭觸碰到PWAS，使PWAS受到高溫而發(fā)生極化。

本發(fā)明所述的PWAS應(yīng)用于液位測量時，以d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)，在液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關(guān)系。

本發(fā)明所述的PWAS應(yīng)用于覆水平板中液位的測量，如圖7、8、9所示：

(1)PWAS尺寸7mm×7mm，厚度為0.2mm；

(2)激發(fā)頻率為100kHz，激發(fā)信號為漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波；

(3)依次改變水箱中水的位置d_W，變化范圍5mm到135mm，間隔10mm；

(4)覆水平板為T304不銹鋼鋼板，材料參數(shù)：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³。

(5)激發(fā)傳感器與接收傳感器布置在同一條軸線上，由于液位的改變，并且無水區(qū)A₀模態(tài)和有水區(qū)quasi-Scholte模態(tài)兩種模態(tài)的傳播速度不一樣，導(dǎo)波在覆水平板中傳播的時間不同，從而接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號會發(fā)生相移；

(6)以自由平板時d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關(guān)系，新型傳感器正確地顯示出密閉容器中液位。

本發(fā)明所述的PWAS應(yīng)用于充液管道中液位的測量，如圖10、11、12所示：

(1)PWAS尺寸5mm×5mm，厚度為0.2mm；

(2)激發(fā)頻率為100kHz，激發(fā)信號為漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波；

(3)依次改變水箱中水的位置d_W，變化范圍0mm到90mm，間隔10mm；

(4)充液管道為T304不銹鋼，外徑114.4mm，材料參數(shù)：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³。

(5)激發(fā)傳感器與接收傳感器布置在同一條軸線上，由于液位的改變，并且無水區(qū)A₀模態(tài)和有水區(qū)quasi-Scholte模態(tài)兩種模態(tài)的傳播速度不一樣，導(dǎo)波在覆水平板中傳播的時間不同，從而接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號會發(fā)生相移；

(6)以自由平板時d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關(guān)系，新型傳感器正確地顯示出充液管道中液位。

此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。