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

背景技術：

超聲導波是一種沿著波導(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。超聲導波具有多模態(tài)和頻散特性。頻散曲線可以用來確定導波傳播速度、識別導波模態(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波的特征方程得到。當自由平板浸入水中或者管道充液時，超聲導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)解為復數(shù)，同時，除自由平板或管道中基本的導波模態(tài)外，覆水平板或充液管道中還存在另外一種超聲導波模態(tài)，即quasi-Scholte模態(tài)(固體與液體界面處的準界面波)。

導波的激發(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。在這些傳感器中，壓電傳感器被廣泛應用于導波的激發(fā)和接收，以及結構健康監(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，可以植入被測物內部，或者粘貼在被測物表面進行導波的激發(fā)和接收。

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

技術實現(xiàn)要素：

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

一種基于超聲導波的非浸入式液位測量傳感器，所述傳感器在平面x₁x₂方向尺寸遠大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用壓電耦合d₃₁實現(xiàn)力學參數(shù)與電學參數(shù)的耦合，以實現(xiàn)超聲導波的有效激發(fā)與接收；其中，所述x₁方向與三維坐標系中的x軸同向，所述x₂方向與三維坐標系中的y軸同向，所述x₃方向與三維坐標系中的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耦合，當所述傳感器粘貼到所述薄壁平板表面之后，通過面內運動的耦合，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構表面，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波信號實現(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，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構表面的方法，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)結構表面打磨：用細砂紙工具將所述結構上貼所述傳感器位置的油污、銹跡除去；

(3)結構表面清潔：用棉紗或脫脂棉花沾酒精清潔所述結構表面，擦洗2～3遍，擦洗后所述結構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，室溫低時適當延長所述按壓的時間；

(6)焊接所述傳感器的導線：使用電烙鐵點焊所述導線，所述點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，在液位發(fā)生變化時，新液位導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差呈線性關系變化。

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分別是正電極和負電極，材料為銀；

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

(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波信號的相移；

(6)以自由平板時作為基準，在密閉容器液位發(fā)生變化時，新液位時導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差呈線性關系變化，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分別是正電極和負電極，材料為銀；

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

(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波信號的相移；

(6)以自由平板時作為基準，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，新液位時導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差呈線性關系變化，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，易于與待測結構整合在一起(粘貼結構表面或嵌入結構內部)，廣泛用于導波的激發(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)調制特性；所述的PWAS不接觸容器內的介質，不污染容器內液體。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液位的檢測。所述的PWAS安裝方便快捷，操作簡單，易于重復使用，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與結構的相互作用示意圖；

圖3為粘結層厚度與應力的相互關系示意圖；

圖4為PWAS模態(tài)調制曲線示意圖；

圖5為低頻區(qū)Quasi-Scholte波的模態(tài)結構；

圖6為高頻區(qū)Quasi-Scholte波的模態(tài)結構；

圖7為覆水平板單發(fā)-單收實驗布置圖；

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

圖9為覆水平板單發(fā)-單收實驗中d_W＝0(實線)和d_W＝95mm(虛線)的信號圖；

圖10為充液管道單發(fā)-單收實驗布置圖；

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

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

具體實施方式

下面結合附圖，對實施例作詳細說明。

實施例一：

本發(fā)明提供了一種基于超聲導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，易于與待測結構整合在一起(粘貼結構表面或嵌入結構內部)。PWAS的工作原理基于壓電效應及逆壓電效應。PWAS在平面x₁x₂方向尺寸遠大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用壓電耦合d₃₁實現(xiàn)力學參數(shù)與電學參數(shù)的耦合，以實現(xiàn)超聲導波的有效激發(fā)與接收。PWAS和平板的耦合為PWAS邊緣處的面內耦合，當PWAS粘到薄壁平板表面之后，粘結層厚度極薄，通過面內運動的耦合，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在應用中采用粘貼到結構表面，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波信號實現(xiàn)液位的精確測量，并且本發(fā)明中提出的基于超聲導波的非浸入式液位測量傳感器在實驗案例中得到有效地驗證。。

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，PWAS可以有效的將力轉化為電?；谀鎵弘娦?，PWAS可以有效的將電轉化為力。PWAS可以有效耦合力學參數(shù)(應變S_ij和應力T_kl)和電學參數(shù)(電場E_k和電位移D_j)，壓電連續(xù)方程為：

式中：是零電場強度下的機械柔順系數(shù)；

是零應力下的介電常數(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實現(xiàn)力學參數(shù)與電學參數(shù)的耦合，即利用壓電耦合d₃₃實現(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實現(xiàn)力學參數(shù)與電學參數(shù)的耦合，要求PWAS在平面x₁x₂方向尺寸遠大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，以實現(xiàn)導波的有效激發(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：

(1)PWAS利用面內應變的耦合實現(xiàn)導波的激發(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，通過面內運動的耦合，PWAS可以有效的激發(fā)或者接收Lamb波。而且，當粘結層厚度非常薄時(1μm)，PWAS和平板的面內耦合主要在發(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，在有水的結構中測量液位時，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。對于覆水結構中導波的激發(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。

實施例二：

本發(fā)明提供了一種基于超聲導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。下面結合附圖和具體實施方式以實驗案例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明所述的PWAS利用壓電耦合d₃₁實現(xiàn)力學參數(shù)與電學參數(shù)的耦合，在平面x₁x₂方向尺寸遠大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，以實現(xiàn)導波的有效激發(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，通過面內運動的耦合。

本發(fā)明所述的PWAS粘貼到結構表面時，其粘結層厚度盡量極薄，和平板的面內耦合主要在發(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，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粘貼安裝到結構表面的方法：

(1)確保PWAS表面沒有被氧化，完好無損；

(2)結構表面打磨：用細砂紙等工具將結構上貼PWAS位置的油污、銹跡等除去；

(3)結構表面清潔：用棉紗或脫脂棉花沾酒精清潔結構表面，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，室溫低時適當延長。

(6)焊接PWAS導線：使用電烙鐵點焊導線，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應用于液位測量時，以d_W＝0(即無水時)作為基準，在液位發(fā)生變化時，導波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關系。

本發(fā)明所述的PWAS應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，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關系，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，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導波信號波包與基準液位導波信號波包的峰峰對應的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關系，新型傳感器正確地顯示出充液管道中液位。

此實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。