管道污染物检测在航空、海运、医药和其它关领域具有相当重要的意义。这种能力有利于预测设备的潜在故障，确定运行状况，并及时维护和预测使用寿命。然而，现有的方法大多是离线操作的，因为在线可检测的参数相对单一。这种限制极大地阻碍了实时现场检测和对设备状态的全面评估。
据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，西安交通大学的科研团队近日提出了一种可实现多参数油液在线监测的集成式电磁感应-微机械柔性超声传感器。该方法在测量流速的同时能够区分铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒、非金属颗粒和气泡。微机械加工可以显著减小传感器的尺寸，而柔性衬底使安装更加方便，增强聚焦声场，从而提高检测能力。这项研究成果以“An integrated micromachined flexible ultrasonic-inductive sensor for pipe contaminant multiparameter detection”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1a阐述了检测原理。管道内装有电磁感应和柔性超声波传感单元。传感单元由三个对称分布的线圈组成，两侧的两个线圈采用反向交流激励。同时，中间线圈利用电磁感应效应监测穿过管道的金属颗粒。此外，楔块上贴附了柔性超声贴片。如图1d所示，不同污染物的电磁感应信号和超声信号可通过信号处理分别获得。因此，将两个传感单元的时域信号相结合，就能区分磁性金属、非磁性金属、非金属固体颗粒和气泡。污染物类型判定规则如图1f所示。
图1 集成式电磁感应-微机械柔性超声传感器的工作原理
下面展示了关键器件的制备和实验流程。图2为微机械超声柔性贴片的制备流程。图3a为实验过程示意图，图3b为信号处理流程图，图3c为声场测量示意图，图3d和图3e分别为传感器样品和实验台架。
图2 微机械柔性超声换能器贴片的制备流程图
图3 实验流程及设备展示
随后，研究人员对电磁感应和超声散射分别进行仿真。通过仿真验证了该传感方法的可行性，并且系统地讨论了各种类型和尺寸的污染物对电磁感应信号和超声信号的影响。图4为球形污染物沿传感单元轴线移动的模拟场景。
图4 电磁感应和超声波传感的仿真结果
最后，研究人员对集成的传感单元进行了实验验证。如图5a至图5c所示，当柔性超声贴片以曲率半径为14 mm弯曲时，声场会产生聚焦效应。在这种情况下，声压明显高于其所在平面状态下的声压。这种聚焦的声场已被证明有利于加强对管道内污染物的检测。图6展示了污染物类型辨别的实验结果。
图5 柔性超声换能器声场特性
图6 污染物类型辨别的实验结果
综上所述，这项研究提出了一种集成超声单元和电磁感应单元的传感方法，用于实时检测管道内的各种污染物和流速。超声波单元包括一个通过微机械技术制备的柔性换能器贴片，不仅便于安装，还能聚焦声场。此外，电磁传感单元包含三个对称分布的电磁线圈。通过对超声波和电磁感应信号的综合分析，该方法可以有效地区分磁性金属（如铁）、非磁性金属（如铜）、非金属颗粒（如陶瓷）和气泡。这种全面的分类几乎涵盖了管道中可能存在的所有污染物类型。此外，通过超声多普勒频移可以确定流体速度。通过数学模型和有限元仿真验证了所提出的检测原理的有效性。在直径14 mm的管道内，研究人员对各种不同速度的污染物进行了系统地测试。实验结果表明，该传感器能够有效检测0.5 ~ 3 mm范围内的污染物，准确区分污染物类型，并测量其流速。这项研究的影响可以扩展到工业、航空航天和临床医学等多个领域，因此具有更广泛及深远的意义。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00734-0
延伸阅读：
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
