管道污染物檢測在航空、海運、醫藥和其它關領域具有相當重要的意義。這種能力有利于預測設備的潛在故障，確定運行狀況，并及時維護和預測使用壽命。然而，現有的方法大多是離線操作的，因為在線可檢測的參數相對單一。這種限制極大地阻礙了實時現場檢測和對設備狀態的全面評估。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，西安交通大學的科研團隊近日提出了一種可實現多參數油液在線監測的集成式電磁感應-微機械柔性超聲傳感器。
該方法在測量流速的同時能夠區分鐵磁性金屬顆粒、非鐵磁性金屬顆粒、非金屬顆粒和氣泡。微機械加工可以顯著減小傳感器的尺寸，而柔性襯底使安裝更加方便，增強聚焦聲場，從而提高檢測能力。這項研究成果已于近期發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
圖1a闡述了檢測原理。管道內裝有電磁感應和柔性超聲波傳感單元。傳感單元由三個對稱分布的線圈組成，兩側的兩個線圈采用反向交流激勵。同時，中間線圈利用電磁感應效應監測穿過管道的金屬顆粒。此外，楔塊上貼附了柔性超聲貼片。如圖1d所示，不同污染物的電磁感應信號和超聲信號可通過信號處理分別獲得。因此，將兩個傳感單元的時域信號相結合，就能區分磁性金屬、非磁性金屬、非金屬固體顆粒和氣泡。污染物類型判定規則如圖1f所示。
圖1 集成式電磁感應-微機械柔性超聲傳感器的工作原理圖2為微機械超聲柔性貼片的制備流程。圖3a為實驗過程示意圖，圖3b為信號處理流程圖，圖3c為聲場測量示意圖，圖3d和圖3e分別為傳感器樣品和實驗臺架。
圖2 微機械柔性超聲換能器貼片的制備流程圖
圖3 實驗流程及設備展示
隨后，研究人員對電磁感應和超聲散射分別進行仿真。通過仿真驗證了該傳感方法的可行性，并且系統地討論了各種類型和尺寸的污染物對電磁感應信號和超聲信號的影響。圖4為球形污染物沿傳感單元軸線移動的模擬場景。
圖4 電磁感應和超聲波傳感的仿真結果
最后，研究人員對集成的傳感單元進行了實驗驗證。如圖5a~c所示，當柔性超聲貼片以曲率半徑為14 mm彎曲時，聲場會產生聚焦效應。在這種情況下，聲壓明顯高于其所在平面狀態下的聲壓。這種聚焦的聲場已被證明有利于加強對管道內污染物的檢測。圖6展示了污染物類型辨別的實驗結果。
圖5 柔性超聲換能器聲場特性
圖6 污染物類型辨別的實驗結果
綜上所述，這項研究提出了一種集成超聲單元和電磁感應單元的傳感方法，用于實時檢測管道內的各種污染物和流速。超聲波單元包括一個通過微機械技術制備的柔性換能器貼片，不僅便于安裝，還能聚焦聲場。此外，電磁傳感單元包含三個對稱分布的電磁線圈。通過對超聲波和電磁感應信號的綜合分析，該方法可以有效地區分磁性金屬（如鐵）、非磁性金屬（如銅）、非金屬顆粒（如陶瓷）和氣泡。這種全面的分類幾乎涵蓋了管道中可能存在的所有污染物類型。此外，通過超聲多普勒頻移可以確定流體速度。通過數學模型和有限元仿真驗證了所提出的檢測原理的有效性。在直徑14 mm的管道內，研究人員對各種不同速度的污染物進行了系統地測試。實驗結果表明，該傳感器能夠有效檢測0.5 ~ 3 mm范圍內的污染物，準確區分污染物類型，并測量其流速。這項研究的影響可以擴展到工業、航空航天和臨床醫學等多個領域，因此具有更廣泛及深遠的意義。
