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第14卷第4期海军工程大学学报Vo1.14No.4
2002年8月JoURNALOFNAVALUNIVERSITYOFENGINEERINGAug.2002
文章编号:1009—3486(2002)O4—0O28一O4
超声磨粒监测传感器设计研究
张永祥,明廷锋,朴甲哲
(海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033)
摘要:针对用超声监测磨粒的难点和关键之一——超声传感器设计的问题,从理论上分析了聚焦超声波
声场特性,并进行了聚焦传感器声场的计算机模拟仿真,最后提出了一种聚焦超声传感器设计准则.
关键词:磨粒监测;超声波;聚焦传感器;声场
中图分类号:TP216文献标识码:A
作为一种行之有效的设备故障诊断技术,油液监测技术在工业上的应用非常频繁.它的监测对象主
要是油液中的磨粒.随着当前传感器技术的飞速发展,基于各种原理的磨粒监测传感器层出不穷.到目
前为止,已广泛投入使用的磨粒监测仪主要有电磁型磨粒监测仪,导电型磨粒监测仪,光学型磨粒监测
仪和X一射线在线监测仪等Ⅲ.虽然它们都具有技术成熟、精度较高等优点,然而也存在许多不足,比如
电磁型和导电型磨粒监测仪的传感器对有色金属磨粒会失效;而光学型传感器要求油样必需经过预处
理;X一射线传感器结构复杂,造价较高,从而制约了磨粒监测的工作.因此,各国都在研制新型磨粒监
测传感器.作者经长期研究发现,超声波可以用于检测液体中的颗粒.
超声波颗粒计数器是利用传感器发出的超声波射到磨粒上会发生的散射特性来监测磨粒的大小、
分布,它能分辨滑油中的气泡、水滴,对不同成份的磨粒也有一定的分辨力,同时滑油不需要做预处理,
从而可能实现在线监测.超声传感器的研制是超声颗粒计数仪研制的难点和关键之一,但国内外至今尚
没有形成超声颗粒传感器的设计理论和参数确定方法.本文将从理论上分析超声波声场特性,进而研究
聚焦超声传感器的设计准则.
1球面聚焦传感器的声场特性
超声波无损探伤中,常用的是活塞式平面超声传感器.根据文献[2],这种传感器的声压场在近场区
无论是横向还是轴向,幅度起伏较大;在远场区,声压则沿轴向单调下降,宽度迅速扩大,从而限制了监
测系统的分辨率.因此,活塞式平面超声传感器不适用于磨粒监测.为了能够监测液体中微米级的颗粒,
提高监测分辨率,必须将超声传感器的能量聚集在探测区,即传
感器必须进行聚焦.
球面传感器的声场可根据惠更斯积分方法求得.设球冠半径
为n,曲率半径为Zo,建立如图1所示坐标系.设球面由无限多个
小面元ds组成,每个小面元都视为一个点声源,辐射到观察点的
声波其振幅相等(假定最大振幅足够小,可以忽略非线性传播),
位相相同.因为曲面产生的二次衍射在曲率很小时影响不大,故
y
忽略了曲面中的任一部分发射的声波都会被表面的其他部分衍
射.声场中某一点的声压是这些无数个子波叠加的结果.为简单图1球面聚焦换能器几何示意图
收稿日期:2002—01-07;修订日期:2002-04-03
作者简介:张永祥(1963一),男,教授,博士.
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