现有泄漏噪声传感器的原理是压电效应，其结构包括加速度计和水听器。基于聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）的强压电效应，PVDF薄膜已被广泛用于传感器制造技术。结合泄漏声波的传播特性，中科院噪声与振动重点实验室高艳研究员等提出应用PVDF线圈进行管道泄漏定位的方案，它具有易安装、低成本、灵敏度可调的优势，为塑料水管泄漏检测与定位提供了新的传感器设计方案。
相关研究成果2020年1月27日在线发表于国际学术期刊 Sensors。
线圈传感器采用自屏蔽的同轴电缆设计，适用于高电磁干扰环境，其结构如图 1 所示。通过将该线圈缠绕并固定安装于管道外壁，实现管内声压的监测。研究人员从理论上推导出该传感器的声压灵敏度，发现其灵敏度与线圈缠绕形式和圈数相关。
图1 PVDF线圈传感器结构设计图（图/中科院声学所）
为验证所提出的线圈传感器的声压感知灵敏度与泄漏检测性能，研究人员进一步开展了充水管道泄漏检测实验。图2为当管道安装在同一位置处、缠绕圈数为2、4、6圈线圈传感器采集声波信号的时域图与频域图。由图可见，缠绕圈数越多，传感器声压灵敏度越高，与理论研究结果基本一致。
在管道泄漏点左右两侧分别安装线圈传感器和B&K 8103水听器，采集泄漏声信号并进行频域分析，其相干系数及相位谱如图3所示。对比可见，线圈传感器测试信号在低频域（1 kHz内）具有良好的相关性和相位线性关系，并与水听器测试结果基本一致。分析线圈传感器与水听器结果的相位谱得到的漏点定位误差在2%以内。
(a) (b)
图 2 PVDF线圈传感器实测泄漏信号结果：(a) 时域；(b)频域（图/中科院声学所）
(a) (b)
图 3 线圈与水听器测量泄漏信号的频域结果对比图：(a) 相干系数；(b) 相位谱（图/中科院声学所）
本研究得到国家自然科学基金 (No. 11774378)资助。
关键词：
泄漏噪声，线圈传感器，充液管道，泄漏定位，声压灵敏度
参考文献
SUN Pingling, GAO Yan , JIN Boao, Michael J. Brennan. Use of PVDF Wire Sensors for Leakage Localization in a Fluid-Filled Pipe. Sensors,2020, 20, 692. DOI: 10.3390/s20030692
论文链接：
https://doi.org/10.3390/s20030692
