一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列技术

一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列。其包括盒体、盖体、永磁铁和传感器；盒体由两个非正交且位于同一平面内的传感器臂首尾相接而构成，两个传感器臂外端顶面上分别向下凹陷形成有一个磁铁放置位；位于两个磁铁放置位之间的传感器臂顶面上凹陷形成有多个呈直线状的传感器放置位；在盒体的顶面上设有与之结构相配的盖体。本发明专利技术可以解决阵列的边缘区域定位不准的问题，从而扩大了对泄漏声源进行高精度定位的检测范围。同时可以实现传感器阵列的蜂窝状布放,以达到在同一检测区域减少阵列数量、减少数据量和计算时间等目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列
本专利技术属于压力容器及系统气体泄漏检测声源定位
，特别是涉及一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列。
技术介绍
压力容器及系统气体泄漏检测定位在压力容器和在轨航天器等场合已具有较多的应用。空间碎片和在轨航天器碰撞导致的航天舱壁气体泄漏会影响航天器的稳定飞行，进而对财产和宇航员生命造成严重威胁。压力容器也可能由于有毒易燃易爆等气体的泄漏，造成财产损失和人员伤亡。针对泄漏，现有的一种技术是使用“L形”声发射传感器阵列进行检测。其技术特点是传感器阵列中传感器阵元被布置于阵列的两条互相垂直的检测臂上。传感器通过检测薄板材料中因气体泄漏产生的导波配合远场时延相加波束形成算法对泄漏源进行检测定位。波束形成算法是阵列信号处理系统、智能天线系统中的重要技术，广泛应用于雷达、声纳、医疗领域。远场时延相加波束形成算法的基本原理是：当信号源与传感器阵列的距离远大于传感器阵列的尺寸时，各个传感器接收到的信号路径被近似认为彼此平行。此时，对各个传感器单元收到的信号按照某一假设声源角度进行时延补偿并求平均，其数学表达式为：式中：f(t+τn,θ,pn)代表位于pn位置的传感器接收的时域信号；N表示传感器阵列阵元的个数；τn,θ表示各个传感器信号在基于假设声源角度θ时的相对时延；实验中，对假设声源角度从0至90度以1度间隔进行搜索。当式：B(θ)＝∫g2(t,θ))dt达到最大值时所对应的假设声源角度θ即为波达估计方向。应用两组传感器阵列，利用三角定位方法，即可得到泄漏声源的准确位置。该方法对检测区域内大部分泄漏位置都有很好的定位精度，但是在阵列的边缘区域(即临近0度和90度定位区域)定位误差较大。造成该方法的定位区域受限的原因在于，当泄漏源与传感器阵列位置的连线与“90度L形”传感器阵列的其中一边近于垂直时，该边所在的传感器时延贡献为0，即接收到的信号之间没有时延。相当于定位传感器的有效个数减少，定位精度变差。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列。为了达到上述目的，本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列包括：盒体、盖体、永磁铁和传感器；其中：盒体由两个非正交且位于同一平面内的传感器臂首尾相接而构成，两个传感器臂外端顶面上分别向下凹陷形成有一个磁铁放置位，用于放置永磁铁；位于两个磁铁放置位之间的传感器臂顶面上凹陷形成有多个呈直线状的传感器放置位；在盒体的顶面上设有与之结构相配的盖体；在盖体上与盒体上传感器放置位相对应的位置设有多个传感器开孔，并且每个传感器开孔上连接一个与传感器臂侧边相连通的引线槽；每个传感器的下部设在一个传感器放置位内，上部位于相对应的传感器开孔中，引线则设在相对应的引线槽内。所述的盖体通过多个螺栓固定在盒体的的顶面之上。所述的传感器为压电陶瓷声发射传感器，为传感器列阵的阵列单元，多个传感器在盒体和盖体上等间距设置。所述的盒体上两个传感器臂之间的夹角大于90°且小于180°。本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列与现有的正交L形传感器阵列相比，可以解决阵列的边缘区域定位不准的问题，从而扩大了对泄漏声源进行高精度定位的检测范围。同时可以实现传感器阵列的蜂窝状布放,以达到在同一检测区域减少阵列数量、减少数据量和计算时间等目的。附图说明图1为本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列中盒体结构示意图。图2为本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列中盖体结构示意图。图3为本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列结构立体图。图4为传统正交L形传感器阵列的检测面积示意图。图5为本专利技术提供的双臂式非正交传感器阵列的检测面积示意图。图6为传统正交L形传感器阵列在边长为的正方形待测区域内的布局与检测范围。图7为本专利技术提供的双臂式非正交传感器阵列在边长为的正方形待测区域内的布局与检测范围。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列进行详细说明。如图1—图3所示，本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列包括：盒体1、盖体2、永磁铁和传感器6；其中：盒体1由两个非正交且位于同一平面内的传感器臂首尾相接而构成，两个传感器臂外端顶面上分别向下凹陷形成有一个磁铁放置位4，用于放置永磁铁；位于两个磁铁放置位4之间的传感器臂顶面上凹陷形成有多个呈直线状的传感器放置位3；在盒体1的顶面上设有与之结构相配的盖体2；在盖体2上与盒体1上传感器放置位3相对应的位置设有多个传感器开孔5，并且每个传感器开孔5上连接一个与传感器臂侧边相连通的引线槽7；每个传感器6的下部设在一个传感器放置位3内，上部位于相对应的传感器开孔5中，引线则设在相对应的引线槽7内。所述的盖体2通过多个螺栓固定在盒体1的的顶面之上。所述的传感器6为压电陶瓷声发射传感器，为传感器列阵的阵列单元，多个传感器6在盒体1和盖体2上等间距设置。所述的盒体1上两个传感器臂之间的夹角大于90°且小于180°。现将本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列组装及使用方法阐述如下：组装时，首先在盒体1上每个传感器放置位3中放置一个传感器6，并在磁铁放置位4中放置永磁铁，然后盖上盖体2，此时传感器6上部将位于盖体2上相对应的传感器开孔5中，然后将传感器6的引线从相应的引线槽7内引出并连接到控制装置上即可，可利用永磁铁将本传感器阵列安装在被测压力容器及系统的金属外壁上。本专利技术提供的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列能够有效避免传统的正交“L形”声发射传感器阵列对边缘区域的泄漏无法准确定位的问题。假设传统的正交“L形”声发射传感器阵列与本双臂式非正交传感器阵列的检测距离都为R。正交“L形”声发射传感器阵列的检测角在80°左右，检测面积为如图4所示。当本专利技术提供的双臂式非正交传感器阵列上两条传感器臂的夹角为120°时，其检测角能达到120°，检测面积为如图5所示，是前者的1.5倍，因此在很大程度上提高了基于波速形成方法的压力容器及系统泄漏声源定位系统的有效检测范围。同时，本双臂式非正交传感器阵列在检测面上进行布放时，可以实现蜂窝式布局，减少阵列布放数量，如图6、图7所示，如此可降低数据量和计算量，节约成本，并能更好地覆盖检测区域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列，其特征在于：所述的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列包括：盒体(1)、盖体(2)、永磁铁和传感器(6)；其中：盒体(1)由两个非正交且位于同一平面内的传感器臂首尾相接而构成，两个传感器臂外端顶面上分别向下凹陷形成有一个磁铁放置位(4)，用于放置永磁铁；位于两个磁铁放置位(4)之间的传感器臂顶面上凹陷形成有多个呈直线状的传感器放置位(3)；在盒体(1)的顶面上设有与之结构相配的盖体(2)；在盖体(2)上与盒体(1)上传感器放置位(3)相对应的位置设有多个传感器开孔(5)，并且每个传感器开孔(5)上连接一个与传感器臂侧边相连通的引线槽(7)；每个传感器(6)的下部设在一个传感器放置位(3)内，上部位于相对应的传感器开孔(5)中，引线则设在相对应的引线槽(7)内。

【技术特征摘要】
1.一种基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列，其特征在于：所述的基于波束形成方法的双臂式非正交传感器阵列包括：盒体(1)、盖体(2)、永磁铁和传感器(6)；其中：盒体(1)由两个非正交且位于同一平面内的传感器臂首尾相接而构成，两个传感器臂外端顶面上分别向下凹陷形成有一个磁铁放置位(4)，用于放置永磁铁；位于两个磁铁放置位(4)之间的传感器臂顶面上凹陷形成有多个呈直线状的传感器放置位(3)；在盒体(1)的顶面上设有与之结构相配的盖体(2)；在盖体(2)上与盒体(1)上传感器放置位(3)相对应的位置设有多个传感器开孔(5)，并且每个传感器开孔(5)上连接一个与传感器臂侧边相连通的引线槽(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一博，刘圆圆，芮小博，綦磊，曾周末，陈世利，李健，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12