基于FBG传感器阵列反演结构振动位移的监测方法

针对现有振动位移监测方法易受环境影响且精度不高的问题,提出了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)传感器阵列反演结构振动位移的监测方法。该方法使用FBG传感器阵列获取结构振动过程中的多点应变和单点加速度数据,先利用基于正交曲率的曲线重构算法和获得的应变数据重构结构各点的动态位移,然后运用卡尔曼滤波算法将曲线重构算法导出的位移数据与同位置处的单点加速度数据相融合,获得更为准确的位移数据。实验结果表明:该方法可成功重构出监测结构任意时刻的振动形态,悬臂铝板和简支管道的振动位移重构相对均方根误差分别小于5.5%和7%。

基于磁传感器阵列的管道移位变形内检测

海底管道的结构变形会增加管道断裂风险,从而造成极大的经济损失。本文提出一种基于球形内检测器和多通道磁传感器阵列的管道移位变形检测方法。根据磁机械效应,分析管道移位变形导致的管壁应力及管道内磁通密度变化规律。设计了检测器结构布局及磁阵列采集方案,实现了管道内空间旋转磁通密度的高覆盖率采样。设计算法将旋转磁信号转换为管道坐标系下的平动磁信号,提取管道内等高线的磁数据,实现了多通道磁信息融合,提高了磁异常检出率。最后,开展了管道竖向加载和等效横向加载等移位变形的内检测试验。结果表明,管道在纵向受力变形状态下,管道内等高线上磁通密度纵向分量的离散度降低136.1μT;管道在等效横向受力变形状态下,管道内等高线上磁通密度横向分量的离散度降低123.1μT;球形内检测器所测得的磁通密度离散度能够反映出管道不同方向的移位变形,且管道变形越大,磁通密度离散度越小。

基于螺旋超材料的定向声传感装置的设计

传统定向声传感装置往往依赖于内部电路设计或多传感器复杂算法的方式压制特定方向的环境噪声以提高信号信噪比,其具有较大的体积,并且很难改变指向特性,影响了在实际场景中的使用效果与普适性.基于螺旋超材料设计了一种可重配置的声学传感装置,通过超单元的精巧设计与超结构的应用赋予了单麦克风声学系统良好的定向传感和频率筛选特性.该装置采用单叶片螺旋超单元实现独特频率和方向响应特性.根据声路与等效介质转换理论,螺旋超材料具有周期性峰谷变化的频响特性.通过对螺距的调整,在基频和倍频频段内设计出具有特定频率特性的超单元,可控波长可达到自身长度的15倍.通过有限元仿真以及四传感器透射系数测量系统对超单元的频率透射特性进行了研究和测试,实验结果证明了其峰值频率响应与理论模型相一致.进一步,依据尺寸模型和多模型敏感角度分析,提出了一套超结构的设计方案与实现方法,并且具体制造了一种八角柱形超结构.分析了其中心测点处的声压变化与内外声压场,结果表明:在结构插槽内放入不同峰值频率的超单元,将改变整个超结构的敏感频率;重新排布超单元的排布顺序,将实现超结构指向性的重构.采用自动旋转实验平台对超结构的指向性进行验证,实验结果证明了超结构的定向传感性与仿真结果相一致,并能够通过单元分布的简单重配置实现不同的定向声传感装置.本文提出的设计方法为构建高信噪比的可调定向声采集设备提供了新的可借鉴思路.

基于最短路径规划的供热管网泄漏定位方法

针对供热管网泄漏检测、定位困难的问题,本文充分考虑了管网负压波传播的多径效应,提出了一种基于负压波传播最短路径规划的供热管网泄漏定位方法。本方法首先搜索出各潜在漏点到各压力变送器的最短路径,计算负压波在管网中传播的最短时延,构成时延标准库;然后将现场测得的负压波的实际到达时延与时延标准库进行比对,确定漏点位置。在区域面积为13 km×5 km的现场供热管网对本方法开展了泄漏定位实验验证;当有效压力监测点数为5时,本方法可实现对1000 m半径比对范围内泄漏的零偏差定位。本方法采用了精确的非模糊型的原理,且避免了在现场大型管网所有支管上安装压力变送器,具有重要的应用价值。

基于主动磁化的钢板应力测量性能提升方法研究

提出一种提高基于磁弹效应的钢板应力测量灵敏度和一致性的方法。从力磁耦合理论模型出发,分析强磁化和弱交流磁化对力磁耦合所起的作用:强磁化能通过降低初始磁导率和统一力磁耦合参数,提高应力测量的灵敏度及一致性;弱交流磁化提供小幅振荡磁场,能有效消除干扰磁场影响。开展了基于磁弹法的钢板应力测量有限元仿真研究,表明当初始相对磁导率较低时,应力作用下的钢板法向磁感应强度变化率较大,即应力测量灵敏度较高。开展了不同强磁化条件下不同厚度钢板的拉伸试验,测量其法向磁感应强度变化。实验结果表明:与未磁化相比,强磁化后钢板应力测量灵敏度有数十倍提升,一致性有数倍至百倍提高。其中,3 mm厚度钢板采用单磁铁移动磁化方式的应力测量灵敏度和一致性参数提高至1.665 mGs/MPa和2%;5 mm厚度钢板采用双磁移动磁化方式的应力测量灵敏度提高至1.41 mGs/MPa,采用单磁铁移动磁化方式的一致性参数提高至0.2%;7 mm厚度钢板采用双磁铁移动磁化方式的应力测量灵敏度和一致性参数提高至1.2 mGs/MPa和1.8%。

一种高精度手持谐振密度计的研究

为了实现一种高精度手持式谐振密度计,设计了一种谐振频率测量传感器,并根据其结构特点提出了一种基于姿态补偿的测量方法。该谐振频率测量传感器创新性地将姿态角补偿引入测量流程中,首先,通过理论推导,建立了谐振频率测量传感器的姿态补偿简化模型,研究了钕铁硼磁柱做单自由度运动所产生位移的动态过程,确定了姿态角对待测液体密度的影响形式,并导出了补偿函数,得到了感应电动势基础补偿值和姿态角之间的三维函数关系,从根本上消除了手持式谐振密度计测量过程中姿态变化所导致的测量结果精度和鲁棒性下降问题。同时搭建了实验平台,实验结果表明:设备姿态角对测量精度和稳定性存在一定的影响,通过统计姿态角补偿和未补偿模型计算结果,在设计的4组实验中,应用补偿模型待测液体密度平均绝对误差为4.35×10^(-5)g/cm^(3),方差均稳定在10^(-11)量级,相比未补偿模型平均绝对误差提高了约0.00156 g/cm^(3),方差减小了约10^(-5)量级。

基于磁弹效应的悬跨管道应力检测方法研究

为了实现管道悬跨检测,并适应现场管道内检测器的快速移动状态以及对应力传感器阵列低功耗的要求,本文提出了一种弱交流磁化条件下基于磁弹效应的管壁应力检测方法。首先通过有限元仿真研究了管道悬跨的受力特性并确定了应力传感器部署方案。其次建立了阻抗法钢材应力测量模型,设计并制作了应力传感器,最后开展了实验验证。结果表明管道顶部和底部的轴向应力可以灵敏地表征管道悬跨状态;弹性应力变化范围为0~50 MPa时,传感器线圈阻抗与应力呈负线性单调关系,且灵敏度系数的线性拟合优度大于0.92;灵敏度随着激励频率增加而增加,当激励频率在30 kHz时,平均灵敏度系数为-0.018Ω/MPa;单个传感器功耗不超过0.1 mW。

长输油气管道泄漏监测与准实时检测技术综述

长输油气管道泄漏监测与准实时检测技术一直是各科研院所及石化企业的研究重点。通过分析该技术领域中当前广泛使用或者应用前景广阔的几类方法,总结该技术领域的国内外研究现状和发展趋势,为油气管道泄漏监测技术的进一步发展提供一些建议。

海底管道微泄漏检测器研制与应用

针对现有技术在海底管道微泄漏检测上的局限性,设计了一种双层耐压的球形检测器结构,利用计算流体仿真方法确定了球体在管道经济流速下能够通过极端竖直管道的关键参数,包括管径比λ与流速v;设计了基于ARM-Linux的多传感器数据采集与存储硬件系统;在长度为200 m陆地实验管道上对研制的内检测器进行了试验,结果表明,该检测器在大于经济流速的范围内可顺利通过竖直管段,且可检测到0.7 L/min的模拟泄漏量。

球形泄漏内检测器在海底管道竖直管段的通过性

球形泄漏检测器(以下简称检测器)能够探测管道中非常小的泄漏,而且卡堵风险很小.该研究通过CFD仿真和实验对检测器在海底竖直管段的通过性进行了研究.研究结果表明:流体对检测器的推力受到流速、检测器与管道的管径比d/D的影响,而与管线压力无关.检测器受到的推力与流速呈二次函数关系.当d/D小于70%时,推力变化缓慢,但当d/D大于75%时,推力随d/D的增加而迅速增加.搭建了实验管道,设计了不同密度和大小的模型球.通过比较实验结果与仿真结果,验证了仿真方法的正确性.最后,预测了检测器样机(外径为184 mm,平均密度为1 300 kg/m3)能够在常用的经济流速(0.7 m/s^1.5 m/s)下顺利通过203.2 mm(8 inch)和254.0 mm(10inch)管道的竖直管段.

球形管道内检测器示踪定位技术

为解决球形内检测器——智能球在埋地输油管道内工作时示踪定位困难的问题,针对智能球自身局限性,提出基于极低频电磁原理的智能球示踪定位方法.首先分析智能球在管道内运动规律,建立智能球示踪模型,在此基础上推导出电磁信号发射机产生磁场的解析表达式.然后根据实际应用分析影响磁场分布规律的因素,并根据磁场分布的特征,提出智能球示踪定位方法.最后搭建测试系统,在模拟管道和实际管道上进行实验验证了智能球示踪方法可行性.在埋深1 m,管径219 mm,壁厚5.6 mm的长距离输油管线上,智能球示踪方法可以实现示踪定位功能.

球形机器人的仿真与实验测试分析

针对双摆驱动结构的动力学模型过于复杂的问题,提出一种以丝杠螺母调节转向、双摆驱动滚动的球形机器人结构。首先,对其机械结构做了分析与说明;其次,应用动力学分析爬坡性能,通过牛顿-欧拉法建立转向动力学模型,利用拉格朗日方程建立弹跳动力学模型;最后,围绕爬坡、弹跳与转向分别展开仿真与实验。仿真和实验的结果验证了机械结构的可行性与动力学分析的准确性,动力学模型有效简化。

球形内检测器在海底立管内通过性仿真研究

球形内检测器能准确地检测和定位海底管道微小泄漏，为实现其对微小泄漏的检测和定位，必须保证球形内检测器顺利通过海底管道立管段。应用标准k—s双方程模型和流体计算软件Fluent14．0，对实验平台立管道内模型球周围流场进行三维数值仿真，并计算模型球通过立管段的临界速度。该速度与实验数据很好吻合，验证了仿真方法的正确性。基于此仿真方法，预测球形内检测器在实际海底管道立管段内的通过性并分析其通过性影响因素。得出结论：球管径比（球体直径与管道直径的比值）是一个很重要的参数，球管径比大于等于73％时，球形内检测器在流速为0．8～1．2m／s的正常工况下能顺利通过海底管道立管段。

高灵敏低压电磁感应式滑油磨屑传感器

提出了一种高灵敏低压低功耗的三线圈电磁感应式磨屑检测方法。理论推导了金属磨屑穿过线圈组引起的感应电压变化的表达式,并据此对线圈组的几何参数进行了优化。通过在激励和感应线圈两端分别并联和串联恰当容值的电容实现双LC谐振,以获得更高的激励电流和感应电压。实验验证了在108 kHz、5 Vpp的正弦信号激励下,上述两种方法同时使用能够较大幅度提高信噪比,在相敏检波电路之后未使用放大电路的情况下能够清晰地检测到低至150μm的铁质颗粒,而此时激励线圈的有功功率仅为1.12 mW。所设计的传感器能够在平衡低功耗的同时获得高灵敏度,其优化思路对于同类型传感器优化具有借鉴意义。

海底管道微泄漏球形内检测器可行性研究

针对海底管道微小泄漏检测的迫切需求,天津大学在国内首次提出一种应用于管道微小泄漏检测的球形内检测器。文章从海底管道微小泄漏检测原理、微小泄漏定位和球形内检测器通过能力三方面详细分析了基于该球形内检测器的海底管道微小泄漏检测方法的可行性。采用FLUEN T流体仿真结合理论计算认为,该方法的微小泄漏检测灵敏度可达0.1L/m in;采用精确的焊缝识别方法进行辅助定位,泄漏定位精度为±0.78 m;通过流体动力学仿真,得出当球形内检测器直径与管道内径之比大于73%时,球形内检测器在正常工作流速下能够顺利通过海底管道立管段。该球形内检测器用于检测海底管道微小泄漏是完全可行的,且具有检测灵敏度高、定位精度高、运动灵活、通过性好和安全稳定的优点。

一种多提离值的金属磁记忆检测方法

金属磁记忆检测技术是一种新型的无损检测技术,它利用金属的磁记忆效应来确定构件的缺陷区域.检测中由于一些构件表面感应磁场信号不平滑,存在与缺陷信号相似的磁场特征和梯度表现,容易造成漏判或误判.为了区分这两种信号,通过建立磁偶极子模型,分析了缺陷在材料表面或近表面的情况下检测提离值对磁信号的影响,发现在提离值改变时感应磁场和缺陷漏磁场存在不同的表现.根据这一现象,提出多提离值检测方法进行精确定位.通过对钢板进行实验验证了该方法的有效性.

一种基于共振腔的新型水听器探究

提出了一种基于共振空气腔的高灵敏、低成本水听器。该水听器为密封的中空球形腔体,内部放置麦克风来感知从水耦合进来的声音。通过有限元仿真预测了水听器的频率响应,并证实频响曲线的特征峰依赖于空气腔共振模态、与球壳共振无关,因此,该水听器的频响特性只取决于内部空气腔尺寸。实验结果表明,该水听器的频率响应与仿真结果符合,与传统压电水听器相比其灵敏度有所提高,在共振频率处的接收灵敏度比传统压电水听器高10倍。

充液管道纵向导波在黏度测量中的应用研究

利用COMSOL仿真和实验,研究并证实了充液管道纵向导波测量液体黏度的可行性.有限元仿真采用声固耦合模块、特征值求解器来获得导波实波数、复频率和波结构,以及不同模态的位移和声压分布.实波数和频率实部构成群速度频散曲线,频率虚部和频率实部构成衰减频散曲线.计算和测试了不同充液属性时纵向导波的群速度和衰减频散曲线.黏度不影响导波群速度频散曲线,黏度增加时,衰减系数增大;密度增加时,导波群速度和频散区的衰减均变小,而非频散区的衰减不变;纵波速度增加时,群速度和衰减频散曲线均右移.

海底管道微小泄漏球形内检测器结构设计

针对海底管道微小泄漏检测,提出球形内检测器结构设计方案:法兰式密封球壳内装载水听器、惯导模块和磁传感器、电路板、电源模块等。智能球随管内液体一起流动,沿途采集管内泄漏声音信息、自身运动信息和管内磁场信息。不同的智能球,其内部核心部分不变,变化的是球的壁厚和外径。通过仿真计算确定了不同工况下智能球的机械结构。

海底管道微小泄漏球形内检测器整体设计

针对海底管道微小泄漏检测,提出管道球形内检测器整体设计方案。文章从整体平台方案、硬件电路设计以及下位机软件设计三方面介绍了球形内检测器的整体结构。整体平台方案阐述了各模块的作用及相互之间的关联。硬件电路设计包括处理器的选取、存储模块的选取与设计和电源模块管理等;方案最终选用Samsung公司基于ARM1176架构的S3C6410处理器,速度等级为Class10的TF卡,采用10节电池总容量为31Ah组成的电池组。软件设计包括驱动程序及应用程序的设计,其中后者采用了高效的多线程编程方式。