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北航魏鹏团队开发新型光纤声发射传感器,解决燃料罐泄露检测难题
梅西 2018-11-08
导语

这种光纤声发射传感器在航空、航天、新能源汽车、液化天然气运输船、冷链物流、电力变压器局部放电和超导等领域具有广泛的应用前景。

2018 年10月,仪器、自控和电力电子三大学科的顶尖期刊《IEEETRANSACTIONSON INDUSTRIAL ELECTRONICS》发表北航仪器科学与光电工程学院副教授魏鹏的论文“液氮中声发射波速度的检测方法(MeasurementMethod for the Velocity of Acoustic Emission Wave in Liquid Nitrogen)”,魏鹏为第一作者和通讯作者,北航硕士生韩晓乐、夏东为第二作者和第三作者。

▍极低温环境下声发射检测的新领域

1957年10月4日,前苏联发射了世界上第一个人造太空飞行器,标志着人类进入了太空时代。今天,人类从太空获得的好处几乎是无法估量的,据报道航天业将在未来30年达到至少2.7万亿美元的规模。但是太空也是对全人类最尖端技术的挑战,是“颠覆性技术的温床”,稍有不慎,就将造成无法挽回的损失。

2016年9月1日,SpaceX公司猎鹰9号火箭在进行静力点火实验过程中发生爆炸,将卫星和发射塔架全部炸毁,事后探究失事原因的时候,Elon Musk声称“引发爆炸的可能是火箭第二级推进器的液态氧燃料罐泄露造成的,但是没从任何火箭上的传感器的数据里找到证据”。2017年7月2日,同样的惨剧发生在了我国长征五号运载火箭工程中,事后探究失事原因的时候,同样是“引发失败的可能是火箭推进器的液态燃料罐泄露造成的,但是没从任何火箭上的传感器的数据里找到证据”。这两次航天事故背后,存在着一个全世界检测领域的黑洞:”极低温环境下的振动、冲击与声发射信号无法检测

自2010年起,魏鹏便将研究目光汇聚于此,立足北航特色,引领学术前沿,产生了将光纤传感检测技术应用于航天极低温领域的构想。他们认为,新型光纤声发射检测技术研究前景广阔,能够满足下一代火箭、卫星、太空飞船等航天飞行器对极低温环境下信号检测的需求,是具有长足战略眼光的研究选择。

此后,魏鹏课题组长期致力于基于光纤传感的极低温环境下声发射检测技术的研究,取得了一系列原创性研究成果。传统的声发射传感器都是压电陶瓷材料,其只能在常温常压下工作。但新型光纤声发射传感器可在零下196℃甚至更低的极低温环境中长期正常工作,其各项性能指标与压电陶瓷传感器基本相当,成本更加低廉,易实现商业规模化制备。

▍天然二氧化硅的启发

地球是一个充满知识的宝库,它缔造的科技奇迹可以为科学家们的创造提供无限灵感。在复杂多样的气候环境中,沙子这种天然的二氧化硅材料因其独有的材料特性和地球上最广泛的分布引起了魏鹏的注意。不论是在极地的低温、赤道的高温、沙漠的干旱、深海的高压等等,可以说在地球任何的严酷环境中,沙子就是沙子,始终不变。沙子的稳定性是由于其特有的材料——无机二氧化硅的特性决定的。这种材料赋予了沙子耐高温和低温的性能,在具有很高化学稳定性的同时也大幅度提高了可塑性,实现了环境适应性和工业制造的完美统一。

受沙子极强的环境适应性的启发,魏鹏课题组采用光纤——纯度极高二氧化硅材料制作声发射信号检测传感器,利用极微弱光-电信号处理转换方法,获得适应极低温环境下的光纤声发射传感器。

在前期光纤光栅声发射传感器的研究基础上,魏鹏课题组进一步开发了光纤环声发射传感器和光信号解调系统,为研制高性能的极低温环境声发射传感器提供了重要的理论指导。更重要的是,该声发射传感器不仅抗极低温特性绝无仅有,而且常温下的各项性能指标也可以与商用的声发射传感器相媲美,并与目前市面使用的声发射商用软件和算法全面兼容,而且成本远远低于后者。同时,这种新型的光纤声发射传感器还具有抗高温性能,抗电磁干扰性能,抗高压性能,以及优异的抗腐蚀性能和抗潮湿性能。这种光纤声发射传感器在航空、航天、新能源汽车、液化天然气运输船、冷链物流、电力变压器局部放电和超导等领域具有广泛的应用前景。

图:光纤声发射传感器、传感系统、零下196度液氮中的声发射信号

在谈到研究取得的成果时,魏鹏强调了团队合作的重要性和追求科学真理的长期性。他认为,团队的活力和创造力,依赖于师生之间的良好互动和默契配合。课题组的同学们在老师的指导下明确分工又齐头并进,向着共同的研究方向不断努力。魏鹏表示,学术研究的过程就像在科学的海岸边孤独前行,只有坚持不懈的努力,不断挖掘,不断总结失败的原因,才能得到收获。因此,在确立科研方向后,刻苦钻研、甘于奉献、不计名利的科研精神是科研人员不可缺少的素质。

图:魏鹏副教授(中)和部分团队成员

新材料、新技术和新方法往往能带动相关产业的革新,光纤声发射传感器成功地以较低成本制备,有望最终取代目前垄断国际和国内声发射传感市场95%份额的美国和德国设备供应商,在声发射传感的核心技术领域实现零的突破,在航空、航天、航海、核能、新能源 汽车、电力等领域得到广泛应用,市场潜力巨大。

(本文来源:北航新闻网;)

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  • 声发射传感器
  • 燃料罐泄露
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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