检测弹性软管内钙质沉淀的夹式传感器的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.09MB 54 页 15积分

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详细的介绍，包括表面声波的发现和发展，表面声波的特性以及应用方面。针对

表面声波的特性，本章用了较大篇幅进行了介绍，其中包括了表面声波的集中典

型的类型，表面声波基于不同载体进行传播时的波形速度，幅值等的特性以及不

同类型的表面声波的传播形态，在固体基板和液体介质之间传输时所发生的模式

转换方式的介绍。随后针对不同类型的声波进行了分别介绍。由于表面波种类众

多，本文只针对比较常用的和本试验中会用到的表面波类型进行了介绍，介绍内

容包括 Love Wave，瑞利波 Rayleigh Wave 和拉姆波 Lamb Wave。对于每种类型

波，本章都进行了深入仔细的介绍，每种波形的介绍都包括了该波形的特性，形

成原理，传播特性以及模式转换类型等。由于本试验中的表面声波类型主要是瑞

利波，所以对于瑞利波的介绍尤为仔细。一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹

性介质自由表面传播的偏振波。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存在而得名。

地震学中称其为 R波或 L波。在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为

0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。在自由

表面上，质点沿表面法向的位移约为切向的 1.5 倍。瑞利波的波速与频率无关，

只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的 0.862～0.955 倍。在震中附

近，不出现瑞利波。从震源射出的纵波在离震源距离为 cR*h*sqrt(c1*c1-cR*cR)

后才形成瑞利波。由震源射出的横波在离震源距离为 cR*h*sqrt(c2*c2-cR*cR)

后才形成瑞利波。其中 cR 为瑞利波波速；h 为震源深度；c1、c2 分别为纵波

和横波波速。瑞利波为沿二维自由表面扩展传输的表面波。

在随后的试验装置以及设备章节，主要就是对本试验所用的装置设备进行了

仔细介绍。针对每个在本试验中使用过的设备，在本章中都有提到，包括

Interdigital Transducer(IDT)叉指换能器，示波器，信号发生器和本文的主要

试验研究产品夹式传感器。由于本试验是对夹式传感器的研究与开发以及针对其

性能，灵敏度等一系列特性进行测试，需要进行一系列信号发生，采集的试验，

所以所用器械和设备除了夹式传感器和所测硅胶软管本身以外，还包括信号发生

和采集设备。其中主要的两个设备为示波器和信号发生器。在本章中对本试验中

使用的示波器和信号发生器的详细参数和特性进行了详细介绍。本试验另一个重

要设备就是叉指换能器（IDT）, 这是本试验设备的主要器件之一，本试验的夹

式传感器上的主要组成部分。在本传感器中安装使用了 3个叉指换能器，其中一

个是被用来作为信号发生单元，另外两个被用来作为信号接收单元。在本章的夹

式传感器介绍部分对 3个IDT 在传感器上的安装以及使用原理进行了详细的介

绍。在完成了对试验设备及仪器的介绍后，本章的随后部分就是对试验的内容和

试验结果的介绍和记录。试验内容介绍部分是对整个试验步骤的详细记录，本试

验共使用了七个硅胶软管进行测试，每个硅胶软管都分别填不同的溶液进行对比

试验，为了方便对比其中一个软管未填充任何溶液。所填充的溶液分别为纯水和

碳酸钙与纯水的混合液，其中碳酸钙纯水混合液又包含五个不用弄的的溶液，所

含碳酸钙质量分别为 0.4 克、0.8 克、1.2 克、1.6 克和 2.0 克。试验对这七组

软管分别进行预处理和最后测试，记录每组软管的试验数据。最终的试验结果也

在本章的最后部分进行了介绍并对试验数据进行了预处理，以便进行随后的试验

结果分析。

试验数据分析这一章就是对上面章节所作出的试验结果进行分析的部分，也

是本试验的重要部分。本章主要内容是针对试验数据进行了适当的处理并根据处

理结果进行了试验分析。试验数据处理遵循的原则是去除试验干扰，取出有利于

试验结果分析的数据。根据这一原则，本部分对每次试验的波形图对比分析，先

是定性的分析出不同组数据之间的区别，然后只取出其中有区别的部分进行重点

分析，为最终的试验结论提供了必要的理论依据。根据试验结果，比较明显的可

以发现每组数据的区别主要在于不同组波形之间的幅值差异。对于这一特点进行

的特定数据提取与处理随后展开，并在本章随后部分附上了详细的处理结果与数

据图表。

在本论文最后一章的但最后一章的结论中，针对上面部分详细的数据处理和

分析结果，对本试验给出了最终的结论并进行了最后的总结。本论文的试验部分

主要是使用七组含有不同质量的碳酸钙沉淀层软管进行信号分析。从试验的最终

结果可以看出本试验的设计是合理的，可以为最终的试验结果提供有效的试验数

据并能够得出理想的试验结论。经过试验和对试验结果的分析，证明了可以通过

使用外部传感器通过硅胶管外壁激发，在激发面的相对面接收的方式检测在硅胶

软管内壁形成的钙质沉淀层。分析结果表明，脉冲波通过含有碳酸钙沉淀层之后，

脉冲波形的幅度将会随沉淀层的质量不同有相应的变化，并且幅值与所通过的钙

质层沉淀的质量成反比，也就是说钙质层沉淀质量越大，接收到的脉冲波的幅度

越小。

本论文的最终结论对硅胶软管内钙质沉淀层提供了一个新的检测手段，并为

表面声波增加了一个新的应用范围。可以为表面声波在沉淀层检测方面的深入研

究方面提供一定的参考。

关键词：表面声波钙质沉淀层硅胶软管模式转换夹式传感器叉

指换能器

ABSTRACT

In medical instruments flexible tubes, e.g. silicon tubes, are very often used for the

transport media. The occurrence of calcareous depositions in such tubes will not only

be a potential source of contaminations but may also chance the mechanical properties

of such tubes, e.g. their elasticity. Therefore, there is a demand for on-line sensors for

the control of such deposition layers. In this thesis, a clamp-on acoustic waveguide

sensor based on surface acoustic waves (SAW) shall be developed, which included

both the tube and the liquid filling, and its sensitivity with respect to the formation of

calcareous deposition layers shall be investigated. Ultrasonic Thickness Gauging is a

technique for measuring the thickness of a material from one side. All ultrasonic

thickness gages work by very precisely measuring how long it takes for a sound pulse

that has been generated by a probe called an ultrasonic transducer to travel through a

test piece. But for measuring the thickness of the calcareous depositions layers

occurrence on the flexible tube, this technique is not suitable very much and there are

not such researching reports about the application of the ultrasonic technique on the

test of the medical flexible tubes. The SAW technique applied on the calcareous

depositions layers in the flexible tubes is very latest technology. The interaction of

SAWs with overlaying liquids allowing SAW sensors to directly sense mass and

mechanical properties. This thesis gives an introduction of a method for the detection

of calcareous deposition layers in flexible tubes. There are totally 5 chapters of the

thesis: Introduction, Principle of the method, Experimental set-up and discussion,

Experimental data analyze and Summary and conclusions.

Key Word: Surface acoustic wave，calcareous deposition, clamp-on

acoustic waveguide sensor, Interdigital Transducer

Contents

1 Introduction .............................................................................. 1

1.1 Background ............................................................................. 1

1.2 Acoustic wave propagation in an elastic medium ................... 2

1.3 Propagation modes and generation of surface acoustic wave . 2

1.4 Current Research Situation of SAW sensor ............................ 5

1.5 Current situation for measuring thickness of film ................ 12

1.6 Contents and Construction ................................................... 13

2 Principle of method ................................................................ 15

2.1 Introduction of Surface Acoustic Wave ................................. 15

2.2 Love waves.................................................................... 18

2.3 Rayleigh waves ............................................................. 19

2.4 Lamb waves .................................................................. 23

3 Experimental set-up and discussion ....................................... 28

3.1 Interdigital transducer Introduction..................................... 28

3.2 Oscilloscope Introduction ..................................................... 29

3.3 Signal generator .................................................................... 30

3.4 Silicon flexible tube ............................................................... 31

3.5 Clamp-on sensor introduction............................................... 31

3.6 Experiment introduction ....................................................... 32

3.7 Experiment result.................................................................. 33

4 Experimental data analyze ..................................................... 38

4.1 Experimental data process .................................................... 38

4.2 Experimental result analyze.................................................. 38

5 Summary and conclusions ...................................................... 42

5.1 Experiment summary ........................................................... 42

5.2 Conclusion about the investigation ....................................... 42

5.3 Shortcoming and outlook ...................................................... 43

Acknowledgements........................................................................... 44

Contents of Figures

Figure 1.1: A typical acoustic wave device consists of two sets of

interdigital transducers. One transducer converts electric

field energy into mechanical wave energy; the other

converts the mechanical energy back into an electric

field……………..…………...............................................4

Figure 1.2: SAW temperature sensor system for switchgear.................6

Figure 1.3: Pressure sensor based on surface acoustic wave.................7

Figure 1.4: SAW pressure sensor for testing the tank level...................8

Figure 1.5: Typical layout of Spectroscopic ellipsometry...................12

Figure 2.1: Displacements of an SAW (Rayleigh wave mode) and a

plate wave (Lamb wave mode).........................................18

Figure 2.2: Mode conversion of Rayleigh-type SAWs in the case of

liquid coverage.................................................................19

Figure 2.3: Picture of a Rayleigh wave...............................................20

Figure 2.4: (a) Interdigital transducer on a piezoelectric substrate for

excitation and detection of Rayleigh waves with a

wavelength λ, (b) schematic distribution of electrical fields

within a piezoelectric substrate at the instant of peak

voltage applied to the interdigital transducer....................21

Figure 2.5: Configurations for excitation and detection of Rayleigh

waves on non-piezoelectric substrates..............................22

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摘要：

详细的介绍，包括表面声波的发现和发展，表面声波的特性以及应用方面。针对表面声波的特性，本章用了较大篇幅进行了介绍，其中包括了表面声波的集中典型的类型，表面声波基于不同载体进行传播时的波形速度，幅值等的特性以及不同类型的表面声波的传播形态，在固体基板和液体介质之间传输时所发生的模式转换方式的介绍。随后针对不同类型的声波进行了分别介绍。由于表面波种类众多，本文只针对比较常用的和本试验中会用到的表面波类型进行了介绍，介绍内容包括LoveWave，瑞利波RayleighWave和拉姆波LambWave。对于每种类型波，本章都进行了深入仔细的介绍，每种波形的介绍都包括了该波形的特性，形成原理，传播特性以...

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