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声学所利用PVDF线圈实现充液管道泄漏定位

  

  塑料管被广泛应用于城市地下管网。由于水资源短缺和管道老化加剧的现状,管道泄漏检测维修技术成为保障管网安全运行的关键,这对管网实时监测设备中泄漏噪声传感器的灵敏度与性价比提出了更高的要求。

  现有泄漏噪声传感器的原理是压电效应,其结构包括加速度计和水听器。基于聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)的强压电效应,PVDF薄膜已被广泛用于传感器制造技术。结合泄漏声波的传播特性,中科院噪声与振动重点实验室高艳研究员等提出应用PVDF线圈进行管道泄漏定位的方案,它具有易安装、低成本、灵敏度可调的优势,为塑料水管泄漏检测与定位提供了新的传感器设计方案。

  相关研究成果2020127日在线发表于国际学术期刊 Sensors 

  线圈传感器采用自屏蔽的同轴电缆设计,适用于高电磁干扰环境,其结构如图 1 所示。通过将该线圈缠绕并固定安装于管道外壁,实现管内声压的监测。研究人员从理论上推导出该传感器的声压灵敏度,发现其灵敏度与线圈缠绕形式和圈数相关。

1 PVDF线圈传感器结构设计图(图/中科院声学所)

  为验证所提出的线圈传感器的声压感知灵敏度与泄漏检测性能,研究人员进一步开展了充水管道泄漏检测实验。图2为当管道安装在同一位置处、缠绕圈数为246圈线圈传感器采集声波信号的时域图与频域图。由图可见,缠绕圈数越多,传感器声压灵敏度越高,与理论研究结果基本一致。

  在管道泄漏点左右两侧分别安装线圈传感器和B&K 8103水听器,采集泄漏声信号并进行频域分析,其相干系数及相位谱如图3所示。对比可见,线圈传感器测试信号在低频域(1 kHz内)具有良好的相关性和相位线性关系,并与水听器测试结果基本一致。分析线圈传感器与水听器结果的相位谱得到的漏点定位误差在2%以内。  

  

  (a) 

 

(b)

  图 2 PVDF线圈传感器实测泄漏信号结果:(a) 时域;(b)频域(图/中科院声学所)

  

 (a)

 

 (b) 

  图 3 线圈与水听器测量泄漏信号的频域结果对比图:(a) 相干系数;(b) 相位谱(图/中科院声学所)

  本研究得到国家自然科学基金 (No. 11774378)资助。

  关键词:

  泄漏噪声,线圈传感器,充液管道,泄漏定位,声压灵敏度

  参考文献

  SUN Pingling, GAO Yan , JIN Boao, Michael J. Brennan. Use of PVDF Wire Sensors for Leakage Localization in a Fluid-Filled Pipe. Sensors,2020, 20, 692. DOI: 10.3390/s20030692 

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