一种PVDF超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法技术

技术编号:19962089 阅读:43 留言:0更新日期:2019-01-03 11:45
本发明专利技术提供一种PVDF超声阵列传感器,包括传感器壳体、以及安装在传感器壳体内的若干个超声阵元;超声阵元包括一阵元壳体、声匹配层、PVDF压电材料、吸声背衬、导线;声匹配层安装在阵元壳体的第一端部,填充第一开口以使第一端部成一封闭端;PVDF压电材料填充在声匹配层和吸声背衬之间,呈凹槽状;PVDF压电材料将接收到的超声波信号转换成电信号,电信号经由导线传输至数据采集器,数据采集器再将接收到的电信号发送至处理单元;所述处理单元内置有一阵列信号去噪算法模块,处理单元被设置成响应于接收到数据采集器发送的电信号,调用阵列信号去噪算法模块,对电信号进行去噪处理。本发明专利技术能够有效提高阵列信号接收的灵敏度和抗干扰能力。

A PVDF Ultrasound Array Sensor and Its Array Signal Denoising Method

The invention provides a PVDF ultrasonic array sensor, which comprises a sensor shell and several ultrasonic array elements installed in the sensor shell; the ultrasonic array elements include an array element shell, an acoustic matching layer, a PVDF piezoelectric material, a sound absorbing backing and a conductor; the acoustic matching layer is installed at the first end of the array element shell and filled with the first opening to form a closed end of the first end of the PVDF piezoelectric material; Filled between the sound matching layer and the sound absorption backing, it is grooved; PVDF piezoelectric material converts the received ultrasonic signal into electrical signal, which is transmitted to the data acquisition device via wires, and the data acquisition device transmits the received electrical signal to the processing unit; the processing unit is equipped with an array signal denoising algorithm module, and the processing unit is set to respond to the received number. According to the electric signal sent by the collector, the array signal denoising algorithm module is called to denoise the electric signal. The invention can effectively improve the sensitivity and anti-interference ability of array signal reception.

【技术实现步骤摘要】
一种PVDF超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法
本专利技术涉及电气设备检测领域,具体而言涉及一种PVDF超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法。
技术介绍
局部放电是造成电气设备绝缘破坏的主要因素,局放超声阵列检测是局部放电众多检测方法中一种较为适用的方法,但是在实际运行中国,传感器的接收效率不高,灵敏度较低,所接收到的超声波信号极其微弱,电气设备运行环境十分复杂,致使超声信号常常被湮没在强烈的噪声之中,导致检测的精度降低,甚至检测失败。因此如何提高阵列传感器的灵敏度和抗干扰能力一直是有关技术人员面临的难题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种PVDF超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法,第一,PVDF超声阵列传感器从结构和材料选择上尽可能多地接收超声波信号,第二,对接收的超声波信号执行针对阵列信号的去噪方法,有效提高了阵列传感器的灵敏度和抗干扰能力。为达成上述目的,本专利技术提出一种PVDF超声阵列传感器,所述PVDF超声阵列传感器包括传感器壳体、以及安装在传感器壳体内的若干个超声阵元;所述超声阵元包括一阵元壳体,以及安装在阵元壳体内的声匹配层、PVDF压电材料、吸声背衬、导线;所述阵元壳体呈圆柱体,其沿纵长方向具有第一端部和第二端部,其中,第一端部上设置有第一开口,第二端部上设置有第二开口;所述声匹配层安装在阵元壳体的第一端部,填充第一开口以使第一端部成一封闭端;所述吸声背衬安装在声匹配层临近阵元壳体内部的一侧,其远离声匹配层的一端紧贴阵元壳体第二端部的内侧;所述PVDF压电材料填充在声匹配层和吸声背衬之间;所述PVDF压电材料呈凹槽状,其开口朝向阵元壳体的第一端部;所述吸声背衬内部设置有一凹槽;所述导线设置在凹槽内,导线的一端电连接PVDF压电材料,另一端穿过第二开口延伸至阵元壳体外部、并且与一数据采集器电连接;所述数据采集器与一处理单元电连接;所述PVDF压电材料将接收到的超声波信号转换成电信号,并且将生成的电信号经由导线传输至数据采集器,数据采集器再将接收到的电信号发送至处理单元;所述处理单元内置有一阵列信号去噪算法模块,处理单元被设置成响应于接收到数据采集器发送的电信号,调用阵列信号去噪算法模块,对电信号进行去噪处理。进一步的实施例中,所述声匹配层采用硅橡胶和氧化铝的混合物;所述吸声背衬采用二氧化硅。进一步的实施例中,所述PVDF压电材料呈半球形凹槽状。进一步的实施例中,所述阵元壳体采用金属。进一步的实施例中,所述若干个超声阵元呈圆环形分布在传感器壳体内。进一步的实施例中,所述传感器壳体内设置有磁铁。基于前述PVDF超声阵列传感器,本专利技术还提及一种阵列信号去噪方法,所述方法包括:S1:将PVDF超声阵列传感器设置在电气设备外表面,以收集电气设备运行时产生的混合信号x(t),其中,x(t)=[x1(t),x2(t),...,xn(t)]T,t=1,2,...,N为混合信号的N个样本;S2:对收集的混合信号x(t)进行预处理,预处理包括去均值处理和白化处理,用以去除混合信号中的均值、获得一白化矩阵W及白化后的混合信号矩阵z(t)=Wx(t),其中,W=∑1/2TH;S3:按照顺序结构求出白化后的混合信号矩阵的四阶累积量,得到n2个四阶累积量,设其为并令对每个mi∈m求四阶累积量矩阵,得到n2个四阶累积量矩阵,设其为并令其中,白化后的观测信号z(t)的四阶累积量的第i,j元素可由下式表示:cum((zi,zj,zk,zl)mkl=E[zizjzkzl]-E[zizj]E[zkzl]-E[zizk]E[zjzl]-E[zizl]E[zjzk]其中,mkl为矩阵M的第k行,l列元素,M为第i行,j列元素为1,其余元素为零的n×n矩阵。以Mi∈M为权重矩阵构成四阶累积量矩阵[CZ(Mi)],对四阶累积量矩阵[CZ(Mi)]执行联合对角化处理,以获得一正交归一化矩阵V,该正交归一化矩阵V被设置成能够对所有的四阶累积量矩阵[CZ(Mi)]进行联合对角化;S4:根据白化矩阵W和正交归一化矩阵V对混合信号x(t)进行反演计算,以获取去噪后的超声波信号其中,进一步的实施例中,步骤S2中,白化处理的方法包括:设混合信号x的自相关矩阵为Rx,由相关矩阵Rx的性质可知,Rx的特征分解式为:Rx=T∑TH其中,∑为对角矩阵,其对角元素为矩阵Rx的特征值λ1,λ2,...,λn,正交矩阵T的列向量是与特征值相对的特征向量。令白化矩阵为:W=∑-1/2TH白化后的混合信号矩阵为z(t)=Wx(t)。进一步的实施例中,步骤S3中,采用近似对角化来代替完全对角化。进一步的实施例中,近似对角化采用最小JD准则函数:其中,非对角分量off(·)定义为off(A)=∑i≠j|aij|2。由以上本专利技术的技术方案,与现有相比,其显著的有益效果在于,1)能够接收大部分超声波信号,包括宽带信号和窄带信号,应用范围广。2)能够对接收到的信号进行聚焦处理,提高信号接收效率。3)采用声匹配层减少信号损耗。4)提出了一种适用于阵列信号的阵列信号去噪方法,有效去除接收到的混合信号中的噪声信号。应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外,所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例,其中:图1是本专利技术的PVDF超声阵列传感器的结构示意图。图2是本专利技术的PVDF超声阵列传感器的A-A剖面示意图。图3是本专利技术的PVDF超声阵列传感器的B-B剖面示意图。图4是本专利技术的超声阵元的结构示意图。图5是本专利技术的阵列信号去噪方法的工作流程图。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本专利技术的各方面,附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本专利技术的所有方面。应当理解,上面介绍的多种构思和实施例,以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施,这是因为本专利技术所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本专利技术公开的一些方面可以单独使用,或者与本专利技术公开的其他方面的任何适当组合来使用。结合图1,本专利技术提出一种PVDF超声阵列传感器。针对现有技术中的超声阵列传感器的弊端,本专利技术提出的PVDF超声阵列传感器在以下两个方面做了一些改进:(1)减小声波损耗,尽可能多地接收超声波信号,提高信号的接收效率。(2)对接收到的阵列信号进行去噪处理,从中提取出需要的超声波信号。在本专利技术中,改进(1)通过一种新型的PVDF超声阵列传感器的结构实现,改进(2)则通过一种适用于前述PVDF超声阵列传感器的阵列信号去噪方法来实现。下面首先对本专利技术所提及的PVDF超声阵列传本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述PVDF超声阵列传感器包括传感器壳体、以及安装在传感器壳体内的若干个超声阵元;所述超声阵元包括一阵元壳体,以及安装在阵元壳体内的声匹配层、PVDF压电材料、吸声背衬、导线;所述阵元壳体呈圆柱体,其沿纵长方向具有第一端部和第二端部,其中,第一端部上设置有第一开口,第二端部上设置有第二开口;所述声匹配层安装在阵元壳体的第一端部,填充第一开口以使第一端部成一封闭端;所述吸声背衬安装在声匹配层临近阵元壳体内部的一侧,其远离声匹配层的一端紧贴阵元壳体第二端部的内侧;所述PVDF压电材料填充在声匹配层和吸声背衬之间;所述PVDF压电材料呈凹槽状,其开口朝向阵元壳体的第一端部;所述吸声背衬内部设置有一凹槽;所述导线设置在凹槽内,导线的一端电连接PVDF压电材料,另一端穿过第二开口延伸至阵元壳体外部、并且与一数据采集器电连接;所述数据采集器与一处理单元电连接;所述PVDF压电材料将接收到的超声波信号转换成电信号,并且将生成的电信号经由导线传输至数据采集器,数据采集器再将接收到的电信号发送至处理单元;所述处理单元内置有一阵列信号去噪算法模块,处理单元被设置成响应于接收到数据采集器发送的电信号,调用阵列信号去噪算法模块,对电信号进行去噪处理。...

【技术特征摘要】
1.一种PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述PVDF超声阵列传感器包括传感器壳体、以及安装在传感器壳体内的若干个超声阵元;所述超声阵元包括一阵元壳体,以及安装在阵元壳体内的声匹配层、PVDF压电材料、吸声背衬、导线;所述阵元壳体呈圆柱体,其沿纵长方向具有第一端部和第二端部,其中,第一端部上设置有第一开口,第二端部上设置有第二开口;所述声匹配层安装在阵元壳体的第一端部,填充第一开口以使第一端部成一封闭端;所述吸声背衬安装在声匹配层临近阵元壳体内部的一侧,其远离声匹配层的一端紧贴阵元壳体第二端部的内侧;所述PVDF压电材料填充在声匹配层和吸声背衬之间;所述PVDF压电材料呈凹槽状,其开口朝向阵元壳体的第一端部;所述吸声背衬内部设置有一凹槽;所述导线设置在凹槽内,导线的一端电连接PVDF压电材料,另一端穿过第二开口延伸至阵元壳体外部、并且与一数据采集器电连接;所述数据采集器与一处理单元电连接;所述PVDF压电材料将接收到的超声波信号转换成电信号,并且将生成的电信号经由导线传输至数据采集器,数据采集器再将接收到的电信号发送至处理单元;所述处理单元内置有一阵列信号去噪算法模块,处理单元被设置成响应于接收到数据采集器发送的电信号,调用阵列信号去噪算法模块,对电信号进行去噪处理。2.根据权利要求1所述的PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述声匹配层采用硅橡胶和氧化铝的混合物;所述吸声背衬采用二氧化硅。3.根据权利要求1所述的PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述PVDF压电材料呈半球形凹槽状。4.根据权利要求1所述的PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述阵元壳体采用金属。5.根据权利要求1所述的PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述若干个超声阵元呈圆环形分布在传感器壳体内。6.根据权利要求1所述的PVDF超声阵列传感器,其特征在于,所述传感器壳体内设置有磁铁。7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的PVDF超声阵列传感器的阵列信号去噪方法,其特征在于,所述方法包括:S1:将PVDF超声阵列传感器设置在电气设备外表面,以收集电气设备运行时产生的混合信号x(t),其中,x(t)=...

【专利技术属性】
技术研发人员:马君鹏王成亮亓彦珣吴晗刘叙笔杨贤彪谢庆岳贤强
申请(专利权)人:江苏方天电力技术有限公司华北电力大学保定国网江苏省电力有限公司国家电网公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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