一种无线无源超声传感器阵列监测系统及监测方法与流程

本发明涉及超声测量，尤其是一种无线无源超声传感器阵列监测系统及监测方法。

背景技术：

1、现有技术中，基于电感耦合的无线无源传感器系统基本结构如图1所示。在控制器端连接两线圈a、b，传感器端连接两线圈c、d，四个线圈两两靠近并通过电感耦合进行信号/功率传输，控制器端通过线圈a将电能传输到线圈c，激励传感器工作；传感器信号从线圈d传输到线圈b，返回给控制器端进行信号处理。此时传感器与控制器之间无需连接导线，同时传感器端无需安装电源，形成无线无源传感器系统。其中，电感耦合是指：在一个线圈中通交流电，另一个与之临近的线圈会因电磁感应产生感应电流，此时称这两个线圈间形成了电感耦合。基于这种原理，可以实现电信号在两个线圈之间无线传输。无线无源是指：传感器与控制器之间不通过导线连接（即无线），传感器端不需要安装电源（即无源）。

2、基于图1的无线无源传感器系统基本结构，可以在控制器线圈和传感器线圈中间插入两头带有线圈的延长线，进一步发展出如图2所示的结构。

3、相控阵超声检测是一种先进的超声波检测方法，可应用于医学成像和工业无损检测。普通超声探头只能沿固定方向发射超声波声束，测试过程中必须通过移动或转动探头使声束扫过待检测区域；相比之下，相控阵探头发出的声束可以通过电路控制，实现聚焦和扫描而无需移动探头。

4、相控阵探头由普通超声传感器阵列组成，每个阵元都可以按照控制器设定的时间独立发射超声波激励信号和接收回波信号。现有的基于普通超声传感器阵列的相控阵超声检测技术对比基于普通超声传感器的检测技术，具有可以进行缺陷成像的优势，能够实现缺陷的定位、定量、表征等，还可对形状复杂的难检测试件进行检测。但是，现有的相控阵超声检测技术还有以下不足之处：1.需要用导线连接相控阵探头和控制器，且探头尺寸较大。这导致每次检测都需要检测人员手持相控阵探头或采用扫查器在待测位置进行扫查，在狭小缝隙等位置检测不便。2.在检测过程中缺陷位置未知，需要用相控阵探头扫查待测区域的表面，这对检测速度提出了较高要求，为此现有相控阵控制器采用多个并行通道以同时收发多个阵元信号的设计，例如对于8×8的相控阵探头，共有64个通道，需要64个并行通道数的导线及控制器进行控制，采用大量的独立控制的通道导致相控阵检测设备价格昂贵，且大大增加了校准和维修成本。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种无线无源超声传感器阵列监测系统，基于电感耦合原理设计了三组线圈，即传感器线圈、发射线圈和接收线圈，分别连接到超声传感器、控制器输入端和控制器输出端，实现了传感器无线无源工作，提高了检测效率，同时将通道设置成一定规模的阵列，可适用于相控阵超声检测。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

3、一种无线无源超声传感器阵列监测系统，系统包括：传感器模块、信号发射模块、信号接收模块和控制器；

4、传感器模块包括传感器端和传感器线圈端，传感器端上布置有超声传感器的阵列，传感器线圈端上布置有传感器线圈的阵列，超声传感器阵列与传感器线圈阵列的规模相同，对应位置的超声传感器和传感器线圈之间一一连接；

5、信号发射模块包括发射线圈端，发射线圈端上布置有发射线圈的阵列，发射线圈阵列与传感器线圈阵列的规模和排布方式均相同，且在竖直方向上一一对应；各个发射线圈的引线均与控制器连接；

6、信号接收模块包括接收线圈端，接收线圈端上布置有接收线圈的阵列，接收线圈阵列与传感器线圈阵列的规模和排布方式均相同，且在竖直方向上一一对应；各个接收线圈的引线均与控制器连接；

7、在竖直方向上相对应的一组传感器线圈、发射线圈和接收线圈即构成一个通道，所述通道用于发射或接收信号；控制器用于产生激励信号以及采集回波信号。

8、优选的，接收线圈的外径小于发射线圈的内径，或者发射线圈的外径小于接收线圈的内径，使得接收线圈和发射线圈在竖直方向上不重叠。

9、优选的，传感器线圈端朝向待测结构的一面贴附有电磁屏蔽材料。

10、优选的，系统还包括温度传感器，用于采集温度信息并将温度信息发送给控制器；控制器用于根据温度信息进行实时声速校正。

11、优选的，传感器模块、信号发射模块和信号接收模块均采用非金属材料作为基底。

12、优选的，信号发射模块的各个发射线圈的引线均通过发射引出端引出，发射引出端上设有分别与发射线圈数量对应的正面发射焊盘和反面发射焊盘，各个发射线圈的正面引线和反面引线对应的分别连接至各个正面发射焊盘和各个反面发射焊盘；信号接收模块的各个接收线圈的引线均通过接收引出端引出，接收引出端上设有分别与接收线圈数量对应的正面接收焊盘和反面接收焊盘，各个接收线圈的正面引线和反面引线对应的分别连接至各个正面接收焊盘和各个反面接收焊盘。

13、优选的，所述控制器采用相控阵超声检测，产生激励信号并对回波信号进行采集和分析。

14、本发明还公开了一种无线无源超声传感器阵列监测方法，方法包括如下步骤：

15、s1，将传感器模块的传感器端贴附固定在待测结构的表面；

16、s2，将传感器模块的传感器线圈、信号发射模块的发射线圈、信号接收模块的接收线圈在竖直方向上一一对应且贴近；各个发射线圈的引线和各个接收线圈的引线均与控制器连接；

17、其中，传感器线圈阵列、发射线圈阵列和接收线圈阵列的规模均为m×n，即构成m×n个通道；

18、s3，控制器按照预设的方式产生激励信号并由发射线圈传输给传感器线圈，经由传感器线圈激励超声传感器工作即发射超声波；再由超声传感器接收回波信号，并经由传感器线圈传输给接收线圈，从而得到回波信号。

19、优选的，步骤s3中，监测系统采用全矩阵捕获方法采集信号，采用1发1收的模式进行信号采集，控制器从m×n个通道选择一个通道用于发射信号，信号发射后，再从m×n个通道选择一个通道用于接收信号；其中，用于发射信号的通道所对应的超声传感器即为发射阵元，用于接收信号的通道所对应的超声传感器即为接收阵元，发射阵元对应的信号发射回路和接收阵元对应的信号接收回路构成一个收发对，共有(m×n)2个收发对，从而采集得到(m×n)2个回波信号。

20、优选的，数据处理过程具体如下所示：

21、s41，监测系统在安装前，进行实验得到不同温度下的系统延时数据并记录；

22、s42，获取待测结构的初始壁厚信息，并输入控制器；

23、s43，确定监测区域并划分网格，形成个x×y×z个焦点；

24、s44，记录各温度下各个焦点的声速矩阵；声速矩阵中包括各个收发对的声速；

25、s45，按照步骤s3的方式进行监测，在一个监测周期内，每个收发对在完成一次信号收发后，分别对该次信号收发在各个焦点处引起的信号强度进行记录；在完成(m×n)2个收发对的信号收发后，各个焦点处分别得到(m×n)2个信号强度数据；监测系统根据各个焦点处得到的(m×n)2个信号强度数据，计算信号积分响应，得到各个焦点的最终信号强度；具体计算过程如下所示：

26、s451，获取当前温度值；

27、s452，根据所记录的不同温度下的系统延时数据，获取当前温度值下的系统延时值t’。

28、s453，选择一个收发对进行一次信号收发，其中，发射阵元为(ri,rj)，ri为发射阵元对应的发射线圈在阵列上的行编号，rj为发射阵元对应的发射线圈在阵列上的列编号；接收阵元为(ti,tj)，ti为接收阵元对应的接收线圈在阵列上的行编号，tj为接收阵元对应的接收线圈在阵列上的列编号，1≤ri,ti≤m，1≤rj,tj≤n；

29、s454，计算该次信号收发过程中各个焦点的超声飞行时间；其中，焦点(x,y,z)的超声飞行时间的计算方式为：

30、根据各温度下各个焦点的声速矩阵，通过插值方法获取当前温度值下焦点(x,y,z)的声速矩阵，并从当前温度值下焦点(x,y,z)的声速矩阵中，查询得到该收发对的声速v(ri,rj,ti,tj,x,y,z)；

31、焦点(x,y,z)的超声飞行时间t(ri,rj,ti,tj,x,y,z)的计算公式为：

32、；

33、其中，l(ri,rj,ti,tj,x,y,z)为超声从发射阵元(ri,rj)发出，经过焦点(x,y,z)后到达接收阵元(ti,tj)的声程；1≤x≤x，1≤y≤y，1≤z≤z；

34、s455，根据该次信号收发得到的回波信号，计算各个焦点的信号强度；其中，对于焦点(x,y,z)，在回波信号的数据段中根据焦点(x,y,z)的超声飞行时间选取回波信号到达的时刻tf，记录时刻(tf+t')的信号强度作为焦点(x,y,z)的信号强度h(ri,rj,ti,tj,x,y,z)；

35、s456，重复步骤s453-s455，直到完成所有收发对的信号收发，各个焦点处均得到(m×n)2个信号强度数据；

36、s457，对各个焦点处的(m×n)2个信号强度数据进行累加，计算各个焦点的信号积分响应，得到各个焦点的最终信号强度；其中，焦点(x,y,z)的最终信号强度i(x,y,z)为：

37、；

38、s46，进行全聚焦成像，形成x×y×z个像素点，将各个焦点的最终信号强度映射成对应的像素值，生成全聚焦图像。

39、本发明的优点在于：

40、（1）与已有的相控阵超声检测设备相比，本发明基于电感耦合原理设计了三组线圈，即传感器线圈、发射线圈和接收线圈，分别连接到超声传感器、控制器输入端和控制器输出端，传感器线圈与发射线圈/接收线圈之间可以进行无线信号和功率传输，进而实现传感器无线无源工作，这样设计大幅度简化了传感器端的结构，且无需连接电源或设计电池，降低了防爆设计难度，避免了电路密封、电路老化、电池更换或充电等因素引起的一系列故障风险，加强了传感器端的安全性和稳定性；同时，由于无线连接，只需要线圈之间相互对准并靠近就可以完成超声传感器回波信号的采集，提高了检测效率。

41、（2）与已有的无线无源传感器相比，本发明将通道设置成一定规模的阵列，具体可设置为m×n规模的超声传感器阵列，可适用于相控阵超声检测，结合相控阵技术和成像算法，不仅可以通过多个阵元之间相互收发校验，实现更为精确的厚度测量，还可以实现超声传感器阵列贴附区域的缺陷成像功能，覆盖裂纹、针孔腐蚀和其他非均匀缺陷的监测需求，拓宽了无线无源传感器的应用领域。

42、（3）接收线圈和发射线圈在竖直方向上不发生重叠，减小信号收发时的相互干扰。

43、（4）在传感器线圈端的反面贴附一层电磁屏蔽材料，可以在检测金属结构时抑制传感器线圈内电流在金属内引起的涡流，减少能量损耗，提高信噪比。

44、（5）传感器模块选用非金属材料为基底，可以避免信号收发过程中传感器线圈中交流电引起基底材料内涡流，造成能量损耗，同时减小连接线、超声传感器和传感器线圈回路的短路风险。进一步的，可以选用薄膜材料为基底，可以在一定范围内弯曲，更好地贴合在待测结构的表面，具体可以采用pi薄膜为基底。

45、（6）信号发射模块和信号接收模块选用非金属材料基底，可以避免信号收发过程中发射线圈/接收线圈中交流电引起基底材料内涡流，造成能量损耗或电磁屏蔽效果。

46、（7）传感器线圈与发射线圈/接收线圈之间可以隔着一定的障碍物工作，因此可以将传感器端预先安装在待测结构表面的包裹层下，可避免此后长期拆装外包裹层进行检测，节约检测成本，同时传感器端安装后位置不再改变，可以进行定点监测。

47、（8）与已有的相控阵监测方法相比，本发明可以安装在待测结构表面进行连续的相控阵监测，根据在线监测的应用需求，单次检测的速度不受限制，因此可采用通道切换电路，每次只测量一个收发对的收发信号，减少控制器通道数，降低设备的复杂性，降低成本。

48、（9）本发明无线无源超声传感器阵列监测系统相比于普通的有线传感器，主要有以下优点：1.由信号发射模块、信号接收模块和控制器构成的监测装置与传感器端之间不需要导线连接，且由于电磁场可以穿透绝大多数非金属材料，因此可以实现传感器与监测装置之间隔着包裹层等结构进行检测，能够应用于一些常规检测设备不便直接检测的情况。2.传感器端不需要安装电源，极大地简化了传感器端的结构，同时避免了由电池引起的各种故障和风险。3.传感器端结构简单，容易实现密封，适合在潮湿环境甚至水下工作。