[发明专利]一种用于非金属管道的无源无线应变检测系统及方法

说明书

本发明公开一种用于非金属管道的无源无线应变检测系统及方法，涉及传感器技术领域，该无源无线应变传感系统包括传感器、发射器和控制器；发射器用于发射预设谐振频率的激励电磁波，并接收传感器反射的测量信号，并将测量信号发送给控制器；传感器贴附于被测非金属管道外表面；传感器用于接收激励电磁波并根据激励电磁波获得能量，以及当被测非金属管道发生变形时产生对应的形变，并基于形变对激励电磁波进行反射，得到测量信号；控制器用于根据激励电磁波的谐振频率和测量信号的谐振频率，确定被测非金属管道的应变量。本发明能够在非金属长输管道上进行大量布置时，降低非金属管道应变检测的成本。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于非金属管道的无源无线应变检测系统及方法。

背景技术

随着化工领域的技术发展，非金属管道已广泛应用于城镇自来水管网系统、天然气输送系统、化工石油领域输送系统。相比于传统的金属管道，非金属管道，包括聚丁烯(PB)和聚乙烯(PE)塑料管道，具有价格低、耐腐蚀性强、施工简单的优点。然而，非金属管道对比金属强度低，由于受到地层异常压力、温度变化引起的热应力、施工引起的意外损坏等原因，可能会造成管道发生大变形而堵塞，甚至破裂。因此，非金属管道的检测和监测具有重要的意义。

传统的非金属检测方法主要包括探地雷达、超声探测仪、标识法等。探地雷达依靠发射超高频段的电磁波来探测地下介质的电导率、介电常数分布。这种方法主要通过分析反射波形来识别管道的变形，但是由于非金属管道与土壤在介电常数上的不明显，均在2.5-4.0之间，因此管道变形所引起的信号差异极其微弱，分辨率较低。超声探测法依靠超声在管道内介质中的振荡来判断管道的结构健康状况，但是探测机要求与管道尽可能的接触，如果距离较远则声波衰减严重，增大了探测难度。标识法则是依靠在地下管道的关键部位上方埋设一个金属标识物，之后的检测过程中可以通过电磁波探知器发射电磁波，并依靠回波探测该标识物的位置，以方便后续维护和检修前的定位。然而，这种标识物本身不能作为变形的检测方法。基于上述传统检测方法的缺点，依靠应变传感器来监测非金属管道的变形也成为了一种替代方案。但是，传统的应变传感器为有线式应变片，需要线缆连接至数据采集器来获取信号。对于埋地管道、水泥墙内管道、厚保温层管道而言，由于这些不可达/不可视管道的施工需要土壤填埋、水泥密封、保温层包裹等施工步骤，线缆冗余问题增加了这些管道的施工的难度。此外，如果使用安装电池的无线通讯节点，则面临了电池更换的问题，无法长期、稳定的使用。

作为有线式传感器和有源无线传感器的替代方案，无源无线传感器的目的是解决传感器安装和使用过程中的线缆冗余问题。当需要检测时，外置的无线电发射器可产生电磁波，为传感器的无源器件或整流电路提供能量，之后，传感器将通过传感天线将信号反射或主动发送至发射器。由于电磁波可穿透土壤，这种方法为非接触式埋地管道的检测提供了可能性。现有用于埋地管道检测的无源无线传感器的专利综述如下：

“一种无源无线损伤泄露监测系统及其控制方法”(申请号：202110293500.9)，介绍了一种由柔性压电传感单元、调理电路、无源RFID标签、RFID天线组成的无源传感器及其射频阅读模块、显示模块等组成的无源无线传感方法。其最大的特点是，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。

“支持物联网(IoT)的无线传感器系统，其使用附着式和/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(包括核、化学和生物试剂)的监测”(申请号：201880077911.0)，介绍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。其最大的特点是，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RFID线圈天线，从电路从外部电磁场获取交流信号，并通过整流电路转换为直流电，为微处理器及各类传感器供电，最后通过RFID天线将采集信息反馈给发射器。从原理上细分，此类传感器属于半有源式无线传感器，其缺点在于单个传感器的成本较高，不适用于在长输管道上大量布置。

发明内容