管道污染物檢測在航空、海運(yùn)、醫(yī)藥和其它關(guān)領(lǐng)域具有相當(dāng)重要的意義。這種能力有利于預(yù)測設(shè)備的潛在故障，確定運(yùn)行狀況，并及時維護(hù)和預(yù)測使用壽命。然而，現(xiàn)有的方法大多是離線操作的，因為在線可檢測的參數(shù)相對單一。這種限制極大地阻礙了實時現(xiàn)場檢測和對設(shè)備狀態(tài)的全面評估。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，西安交通大學(xué)的科研團(tuán)隊近日提出了一種可實現(xiàn)多參數(shù)油液在線監(jiān)測的集成式電磁感應(yīng)-微機(jī)械柔性超聲傳感器。

該方法在測量流速的同時能夠區(qū)分鐵磁性金屬顆粒、非鐵磁性金屬顆粒、非金屬顆粒和氣泡。微機(jī)械加工可以顯著減小傳感器的尺寸，而柔性襯底使安裝更加方便，增強(qiáng)聚焦聲場，從而提高檢測能力。這項研究成果已于近期發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

圖1a闡述了檢測原理。管道內(nèi)裝有電磁感應(yīng)和柔性超聲波傳感單元。傳感單元由三個對稱分布的線圈組成，兩側(cè)的兩個線圈采用反向交流激勵。同時，中間線圈利用電磁感應(yīng)效應(yīng)監(jiān)測穿過管道的金屬顆粒。此外，楔塊上貼附了柔性超聲貼片。如圖1d所示，不同污染物的電磁感應(yīng)信號和超聲信號可通過信號處理分別獲得。因此，將兩個傳感單元的時域信號相結(jié)合，就能區(qū)分磁性金屬、非磁性金屬、非金屬固體顆粒和氣泡。污染物類型判定規(guī)則如圖1f所示。

圖1 集成式電磁感應(yīng)-微機(jī)械柔性超聲傳感器的工作原理圖2為微機(jī)械超聲柔性貼片的制備流程。圖3a為實驗過程示意圖，圖3b為信號處理流程圖，圖3c為聲場測量示意圖，圖3d和圖3e分別為傳感器樣品和實驗臺架。

圖2 微機(jī)械柔性超聲換能器貼片的制備流程圖

圖3 實驗流程及設(shè)備展示

隨后，研究人員對電磁感應(yīng)和超聲散射分別進(jìn)行仿真。通過仿真驗證了該傳感方法的可行性，并且系統(tǒng)地討論了各種類型和尺寸的污染物對電磁感應(yīng)信號和超聲信號的影響。圖4為球形污染物沿傳感單元軸線移動的模擬場景。

圖4 電磁感應(yīng)和超聲波傳感的仿真結(jié)果

最后，研究人員對集成的傳感單元進(jìn)行了實驗驗證。如圖5a~c所示，當(dāng)柔性超聲貼片以曲率半徑為14 mm彎曲時，聲場會產(chǎn)生聚焦效應(yīng)。在這種情況下，聲壓明顯高于其所在平面狀態(tài)下的聲壓。這種聚焦的聲場已被證明有利于加強(qiáng)對管道內(nèi)污染物的檢測。圖6展示了污染物類型辨別的實驗結(jié)果。

圖5 柔性超聲換能器聲場特性

圖6 污染物類型辨別的實驗結(jié)果

綜上所述，這項研究提出了一種集成超聲單元和電磁感應(yīng)單元的傳感方法，用于實時檢測管道內(nèi)的各種污染物和流速。超聲波單元包括一個通過微機(jī)械技術(shù)制備的柔性換能器貼片，不僅便于安裝，還能聚焦聲場。此外，電磁傳感單元包含三個對稱分布的電磁線圈。通過對超聲波和電磁感應(yīng)信號的綜合分析，該方法可以有效地區(qū)分磁性金屬（如鐵）、非磁性金屬（如銅）、非金屬顆粒（如陶瓷）和氣泡。這種全面的分類幾乎涵蓋了管道中可能存在的所有污染物類型。此外，通過超聲多普勒頻移可以確定流體速度。通過數(shù)學(xué)模型和有限元仿真驗證了所提出的檢測原理的有效性。在直徑14 mm的管道內(nèi)，研究人員對各種不同速度的污染物進(jìn)行了系統(tǒng)地測試。實驗結(jié)果表明，該傳感器能夠有效檢測0.5 ~ 3 mm范圍內(nèi)的污染物，準(zhǔn)確區(qū)分污染物類型，并測量其流速。這項研究的影響可以擴(kuò)展到工業(yè)、航空航天和臨床醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，因此具有更廣泛及深遠(yuǎn)的意義。