米字梁声检波器设计及在管道内检测器地面标记中的应用研究

发布时间：2017-08-12 03:00

  本文关键词：米字梁声检波器设计及在管道内检测器地面标记中的应用研究

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【摘要】：管道运输以其密闭、安全、不间断、成本低廉等优势成为世界范围内油气资源运输的主要方式。在管道运行过程中管道壁被腐蚀引起的管道泄漏是各类管道事故的主要诱因,管道内检测器在线监测技术是目前使用最为广泛的管道壁腐蚀检测手段。管道内检测器作业时通过对自身行进距离的测量建立距离和缺陷信息的对应关系,为管道维护提供数据支持。内检测器对其运行距离的测量误差会随着管道长度的增加而不断累积,最终将使得对管道壁缺陷的定位失去实际意义。因此对管道进行内检测时,通常采用地面标记技术每隔一段距离对内检测器的位置信息进行一次重新标记,修正内检测器的距离测量结果,确保对管壁缺陷信息的定位精度。针对内检测器地面标记的工程需求,本文研究设计了一种利用声学原理进行地面标记的米字梁多轴声检波器,该检波器结合仿生原理和压阻效应采用MEMS工艺设计而成。论文在研究内检测器运行过程中发声来源和土介质中声波的传播规律的基础上,围绕米字梁检波器的设计,重点介绍了米字梁检波器的仿生机理和拾振原理,对建立的米字梁微结构模型进行了有限元仿真,确定了微结构的几何尺寸和微加工工艺流程;设计了包括电源模块、前置放大电路和滤波电路的信号调理电路,并对整体结构进行了封装,制作完成了米字梁声检波器的模型样机。在实验室对米字梁检波器的灵敏度和指向性进行了振动台测试,测试结果表明该检波器灵敏度约为60mV/g,同时具有良好的8字余弦指向性。在完成米字梁检波器实验室性能测试后,针对地面标记的具体应用环境对米字梁检波器在土介质中的声信号获取能力和定向能力又进行了实地测试。测试过程中为了增加检波器和土介质的耦合程度,提出了一种三尾椎耦合架装置,试验结果表明该耦合装置可以有效提高检波器在土介质中采集信号的灵敏度和信噪比,检波器的声源定向误差因此减小2°。针对米字梁声检波器一个结构、多路输出的特点,本文研究了一种利用正交两路输出信号比值确定内检测器经过标记点时间以及通过双坐标对半平面内声源进行方位估计的新思路。本文最后搭建管道内检测器地面标记的模拟试验装置对设计的检波器结构以及提出的标记思路进行了综合验证,验证结果表明对内检测器经过标记点的时间标记误差可以控制在工程要求的1s范围内,对内检测器卡堵后的声源定向误差不超过4°,满足地面标记的工程需求。采用米字梁多轴声检波器对管道内检测器进行地面标记系统简单、方案可行,应用前景广阔。进一步增强检波器对不同结构土介质的环境适用性以及积极探索在军事无人值守系统、民用博物馆防盗预警系统等方面的工程化应用和推广是下一步的研究重点。
【关键词】：内检测器 检波器 米字梁 地面标记 定向
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH878
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 选题背景及意义13-15
• 1.2 管道内检测器地面标记技术国内外研究现状15-19
• 1.2.1 地面标记技术国外研究现状15-18
• 1.2.2 地面标记技术国内研究现状18-19
• 1.3 基于声学传感器的地面标记技术19-24
• 1.3.1 声学原理地面标记技术起源20-21
• 1.3.2 声学原理地面标记传感技术现状21-24
• 1.4 本文研究内容24-27
• 第2章 管道内检测器声信号地面标记原理27-35
• 2.1 管道内检测器声信号来源27-28
• 2.2 管道内检测器地面标记声学原理28-30
• 2.2.1 内检测器摩擦声信号地面标记原理28-29
• 2.2.2 内检测器焊缝撞击声信号地面标记原理29-30
• 2.3 土介质中的声波传播理论30-34
• 2.3.1 土介质中声波的传播方式30-32
• 2.3.2 土介质中声波的衰减32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 米字梁多轴声检波器工作模型35-48
• 3.1 米字梁多轴声检波器工作原理35-37
• 3.1.1 压阻效应35-36
• 3.1.2 仿生机理36-37
• 3.2 米字梁多轴声检波器力学模型及拾振原理37-42
• 3.3 米字梁声检波器微结构确立42-47
• 3.3.1 MEMS十字梁矢量声传感器42-43
• 3.3.2 面向地面标记应用的十字梁矢量声传感器结构优化43-46
• 3.3.3 米字梁多轴声检波器结构46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 米字梁多轴声检波器分析与设计48-70
• 4.1 米字梁多轴声检波器设计48-63
• 4.1.1 米字梁多轴声检波器微结构数学模型分析48-51
• 4.1.2 米字梁敏感微结构尺寸确定51
• 4.1.3 米字梁多轴声检波器有限元仿真51-55
• 4.1.4 压敏电阻设计55-56
• 4.1.5 米字梁微结构加工工艺56-63
• 4.2 米字梁多轴声检波器信号测量及调理电路设计63-65
• 4.3 米字梁多轴声检波器性能测试65-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 米字梁多轴声检波器实地测试及标记方法研究70-90
• 5.1 米字梁多轴声检波器现场性能测试70-84
• 5.1.1 米字梁多轴声检波器土介质中接收信号能力测试70-80
• 5.1.2 米字梁多轴声检波器和土壤的三尾椎耦合架设计80-84
• 5.2 米字梁多轴声检波器地面标记方法研究84-86
• 5.3 内检测器卡堵后的跟踪定位原理86-88
• 5.4 本章小结88-90
• 第6章 米字梁声检波器在管道内检测器地面标记中的应用研究90-102
• 6.1 内检测器地面标记模拟试验90-98
• 6.1.1 模拟试验装置90-92
• 6.1.2 EMD分解的基本原理92-93
• 6.1.3 EMD相关度去噪方法93-95
• 6.1.4 米字梁声检波器地面标记试验95-98
• 6.2 内检测器地面跟踪模拟试验98-101
• 6.3 本章小结101-102
• 第7章 结论与展望102-105
• 7.1 主要研究工作102-103
• 7.2 论文的创新点103
• 7.3 工作展望103-105
• 参考文献105-114
• 攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果114-116
• 致谢116

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本文编号：659419