一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统的制作方法

本发明涉及传感器，特别是涉及一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统。

背景技术：

1、金属管道广泛应用于石油管道、天然气管道、供水系统和工业加工厂等特种设备和基础设施，因此金属管道的检查和监控是维护工业设施和基础设施完整性和安全性的关键技术。然而，金属管道的检查和监测面临着各种挑战，导致这项任务变得困难且耗时。首先，腐蚀是金属管道中的一个常见问题，会导致泄漏、破裂和其他故障。传统检测和监测金属管道腐蚀需要专门的设备和技术，如超声波检测和漏磁检测。然而，部分金属管道可能位于如地下或墙壁内等难以到达或受限的空间，另一部分金属管道则表明覆盖有保温层。检查这些管道需要专业工具和设备挖开地表、墙壁或保温层，这耗费了大量时间和精力。其次，不可达管道的位置有时难以准确定位，这将导致检测和监测的困难，因此需要使用金属探测器或探地雷达等特殊设备。为了解决这些问题，需要采用先进的传感技术和方法，并不断改进和优化检测和监测系统，以提高其准确性、可靠性和可操作性。

2、金属管道在运行中因为腐蚀、磨损或疲劳等因素导致管道壁厚减薄，这将导致管道的异常变形。除此之外，金属管道长时间运行后材料可能发生老化，其强度和刚度等物理性质也随之发生变化。为了提前发现金属管道的异常变形，可通过应变传感器对金属管道进行结构健康评估和性能监测。最常见的电阻式应变片或应变计。通过将应变计贴附在管道表面测量管道表面的应变，并据此评估管道的健康状况。这种方法由于每个应变计都需要一根独立的线缆，因此导致了线缆冗余的问题。此外，应变计的线路长度也会影响测量精度。另一种传感器是光纤光栅传感器，这种传感器具有高灵敏度和强抗干扰能力，同时一根光纤可同时测量多个点上的应变，实现了线缆的复用。但是，此类传感器的问题在于其较高的安装成本和昂贵的解调设备。由于光纤较脆弱，一旦受到异常外力的影响将导致光纤断裂，从而使线路损失剩余部分的节点。

3、无源无线传感器可克服上述传感器的问题，其内部不含电池，也不需要线缆连接，仅依靠外部信号发射器产生的电磁波来提供能量，适用于各类非接触式应变检测任务。在埋地管道的应变检测上具有广泛的应用。目前，现有相关的传感器专利如下。申请号为202110293500.9的发明专利公开了一种无源无线损伤泄露监测系统及其控制方法，由柔性压电传感单元、调理电路、无源rfid标签和rfid天线组成的无源传感器及其射频阅读模块、显示模块等组成的损伤泄露监测系统，当阅读器产生激励信号时，传感器内部的无源标签将接收电磁波并对传感器的内置电路供电，并采集压电传感器的信号，并返回阅读器。申请号为201880077911.0的发明专利公开了一种由无源声波传感器和无源微处理器组成的无线传感器，支持物联网的无线传感器系统使用附着式和/或嵌入式无源电磁传感器，可以实现过程控制、对配电网络、液体和气体管道的预测性维护以及空气污染物，依靠多个电感线圈收集远端天线所发出的电磁场来为电路提供能源。上述方法均依赖传感器内部的电路从外部电磁场获取能源，并通过与微处理器相连的各类传感器采集信息，因此单个传感器的制作成本较高，不适用于在长输管道上大量布置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，具有结构简单、制作成本低的优点。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器，包括：

4、发射器和传感器；

5、所述发射器和所述传感器无线连接；所述传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；所述传感器的底面为凹面；所述凹面与所述被测金属管道的曲面匹配设置；所述被测金属管道和所述传感器均埋设与地下；

6、所述发射器设置于搭载设备上；

7、所述发射器用于发射扫频激励信号；

8、所述传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；所述谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；

9、所述发射器用于接收所述谐振频率峰值偏移量。

10、可选的，所述搭载设备为无人机或无人车。

11、可选的，所述发射器包括：

12、信号收发器和发射天线；

13、所述发射天线分别与所述信号收发器和所述传感器连接；

14、所述信号收发器用于生成所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量；

15、所述发射天线用于发射所述扫频激励信号，并接收所述谐振频率峰值偏移量。

16、可选的，所述发射器还包括：匹配电路；

17、所述匹配电路分别与所述信号收发器和所述发射天线连接；

18、所述匹配电路用于调节所述信号收发器的阻抗。

19、可选的，所述传感器包括：力敏压电谐振器、传感天线和同轴线；

20、所述同轴线分别与所述传感天线和所述力敏压电谐振器；所述传感天线与所述发射天线无线连接；

21、所述传感天线用于接收所述扫频激励信号，并发射所述谐振频率峰值偏移量；

22、所述力敏压电谐振器获取谐振频率峰值偏移量。

23、可选的，所述传感天线的材质为金属。

24、可选的，所述力敏压电谐振器为体声波谐振器或表面声波谐振器。

25、一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器系统，包括：

26、远程终端和多个远场无源无线应变传感器；

27、多个远场无源无线应变传感器中的传感器与被测金属管道的多个监测点一一对应设置；

28、多个远场无源无线应变传感器中的发射器均与远程终端连接；

29、所述远程终端用于根据不同监测点的扫频激励信号，确定不同监测点的应变量，并根据多个应变量确定异常位置。

30、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

31、本发明提供的一种金属管道应变检测的远场无源无线应变传感器及系统，包括：发射器和传感器；发射器和传感器无线连接；传感器设置于被测金属管道的任一监测点上；传感器的底面为凹面；凹面与被测金属管道的曲面匹配设置；被测金属管道和传感器均埋设与地下；发射器设置于搭载设备上；发射器用于发射扫频激励信号；传感器用于获取谐振频率峰值偏移量；谐振频率峰值偏移量是扫频激励信号在被测金属管道中监测点预设范围内的应力场作用下产生的；发射器用于接收谐振频率峰值偏移量。本发明仅设置发射器和传感器即可完成远场无源无线应变测量，具有结构简单、制作成本低的优点。

32、与传统的埋地金属管道检测方法相比，本发明无需挖开表面土壤或保护层，即可检测管道异常的应力分布状态。与传统的有线式应变检测方法相比，本发明无需将引线连至地表或保护层外，避免了导线冗余问题，也从根本上避免了因导线断裂引起的信号缺失。与现有的无源无线传感器相比，本发明无需芯片，通过温度标定可适用于在极端温度的环境下工作。同时，本发明采用远场谐振式传感器，可从0.5m以上的距离处接收传感器的特征信号，由于传感器的谐振频率只与传感器被测的物理量和自身状态有关，增加距离不会改变谐振频率。本发明可用于金属管线走向的定位，当天线之间的距离最小时，传感器特征信号的幅值达到极大值，可帮助检测人员在必要的时候准确地挖开金属管道表面的土壤，便于进行更深入的检测和检修，为施工节省了时间和人力。本发明与无人检测平台兼容性高，由于检测过程为非接触式检测，且无需精确的定位，无人机或机器人可外挂便携式信号收发器，从大致的位置上搜索传感器的特征信号，并根据信号幅值变化的规律来判断传感器的具体位置，以获取更精准的读数，适用于埋地保护层等不可视、不可达金属管道的应变检测。