CN102323333A - 基于流-固界面波的泥沙含量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流-固界面波的泥沙含量检测装置及检测方法，属于超声检测及分析技术领域。用激励信号模块激励测量处的信号发送模块产生流-固Schotle波，Schotle波沿河底传播，由信号接收模块接收流-固Schotle波信号，接收到的信号经信号处理模块后，提取Scholte波平均波速，由算法模块处理得到所测河流底部的测量范围内的泥沙平均含量。本发明的检测方法一次性检测范围大，由于各个小区域的泥沙含量可能不同，利用流-固Schotle波将检测出波传播范围内的一个平均效果，有利于整体宏观上的检测分析；本发明方法有利于实时检测，不必取样再检测；流-固界面波的相对幅度大，可以相对提高超声的测量精度。

Description

基于流-固界面波的泥沙含量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种泥沙含量检测装置及检测方法，属于超声检测及分析技术领域，本发明主要利用沿流-固界面传播的一种特殊波-Scholte波的速度传播特性与流体密度的关系，通过测量Scholte波波速，间接测得所测河流底部流体密度，得出泥沙含量。

背景技术

随着环境的日益恶化，河流的泥沙问题也凸显严重。由河流泥沙淤积导致的问题涉及到对水库寿命、库区淹没、库尾段航道、港区的演变，坝区船闸、电站的正常运用，以及枢纽下游河床冲刷、水位降低、河道演变对防洪和航运的影响。因此，为了能很好的预测河流泥沙淤积隐情，对河底泥沙含量进行预测就显得尤为重要。水体泥沙含量的测量，在水利水电工程建设、水文观测预报、土壤侵蚀研究、水土流失治理等方面的研究，也具有重大的指导意义。

目前测量水体的泥沙含量的方法主要有：

(1)取样称重的方法：取一定体积的具有代表性的样品，经过预处理，然后烘干、称重，即可求知含沙量。

(2)机械法：利用振动学原理，根据谐振棒在不同含沙量的泥水中的振动周期不同，来推求含沙量。

(3)射线法：利用γ射线测量密度(浓度)和厚度的原理，介质对γ射线的吸收或散射的作用。光学法与射线法测量原理基本相同，主要是利用泥沙对光的吸收作用。

(4)电学方法：利用泥沙与水的混合物引起的介电常数差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测的泥沙含量的变化转换成电容的变化。

(5)超声检测方法：利用了超声波在媒质中传播时，由于媒质对声波的散射、吸收以及超声波自身的扩散因素，其能量(振幅、声强等)随距离增大而逐渐减小的原理。

另外还有脉冲回波方法，即反射回来的超声波由计数电路将电脉冲的数量记下来，所记下的数量与脉冲数成比例，即与沙粒成比例，从而可推求含沙量。

上述各种方法都在一定程度上可以实现对水体泥沙含量的检测，各有优缺点及适用范围。比如机械法测量原理简单，但仪器稳定性较差，零点漂移严重；光学方法比较精确，但会受诸如颗粒间互相遮掩，浓度分布不均等因素的影响，由于在深水处光线很暗，不利于深水下测量；电学方法对泥沙含量较小时不敏感；超声检测方法应用普遍，但是在精度以及测量范围方面还需进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种较已有方法测量更为精确、测量范围更为广泛的泥沙含量检测装置及检测方法。结合了流-固界面波传播距离远、沿河底界面传播的独到优势，通过测量Scholte波的波速，得出影响波速的因子之一-泥沙密度，即泥沙含量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于流-固界面波的泥沙含量检测装置及方法。

本发明方法是基于流-固界面波的传播波速会随流体密度的变化而变化，从而可以通过测量出流-固界面波的速度得出流体的密度。流-固界面波是指当超声波波长远小于流体及固体厚度(深度)时，能沿流固界面传播的波，其中包含流-固Scholte波。这种波的能量主要集中在流固界面附近，其传播距离较远，理论上传达距离可达公里级。目前已经广泛应用于了海洋及油井探测中。泥沙含量检测环境正好满足流-固界面波的传播条件。流-固界面波的特征方程为：

${[{(c^2/c_{t2})}^2-2]}^2-4\sqrt{1-c^2/c_{l2}^2}\sqrt{1-c^2/c_{t2}^2}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}{(c/c_{t2})}^4\frac{\sqrt{1-c^2/c_{l2}^2}}{\sqrt{1-c^2/c_{l1}^2}}=0$

式中c表示界面波(含Scholte波)速度，在本发明中是指Scholte波波速；c_l2、c_t2分别代表河底固体的纵波和横波波速；ρ₂表示固体密度，在本发明中是指河底固体的密度；c_l1表示流体中的纵波速度，在本发明中是指泥沙中的纵波波速；ρ₁表示流体密度，在本发明中是指接近河流底部区域的泥沙悬浮流体密度。

流-固界面波波形中第一个波对应支点波，一般由于波掠射而形成的，幅度很小。第二个波是Leaky Rayleigh波，对应特征方程的一个复根，其能量是主要集中在固体表面，在传播过程中不断向流体中辐射能量，因而是衰减波；第三个称为Schotle波，对应特征方程的一个实根，其能量主要集中在流固界面附近的流体内，幅度最大，流体密度ρ₁中含有泥沙含量信息，根据建立的模型可以进行求解。

将含泥沙流体视为悬浮液，基于Urick提出的模型，即，结合悬浮液的等效密度ρ_eff和等效压缩系数β_eff来表示悬浮液中的超声传播波速c_l1，其中的ρ_eff、β_eff是悬浮液中各成分的属性的函数。即，

c_l1＝(ρ_effβ_eff)^-1/2，

ρ_eff＝ρ(1-φ)+ρ′φ，

β_eff＝β_c(1-φ)+β_c′φ

其中，ρ_eff为悬浮液等效密度，β_eff为悬浮液等效压缩系数，ρ′为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度，β′_c、β_c分别为泥沙和水的压缩系数，φ为泥沙在流体中的体积分数。

则，特征方程可表达为，

${[{(c^2/c_{t2})}^2-2]}^2-4\sqrt{1-c^2/c_{l2}^2}\sqrt{1-c^2/c_{t2}^2}+{(c/c_{t2})}^{4}G=0$ (c为实数时，即为Scholte波解)

其中，G为便于简化公式设的一个中间参量，

$G=\frac{(1-\mathrm{\φ})+{\mathrm{\ρ}}^{\′}\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{\sqrt{1-c^2/c_{l22}^2}}{\sqrt{1-c^2((1-\mathrm{\φ})\×{10}^3+{\mathrm{\ρ}}^{\′}\mathrm{\φ})(1/(2.1954\×{10}^9)\×(1-\mathrm{\φ})+{\mathrm{\β}}_c^{\′}\mathrm{\φ})}},$

式中，c_l2为河底固体侧的纵波波速，c_t2为河底固体侧的横波波速，ρ₂为河底的固体密度，β′_c为泥沙压缩系数，ρ′为泥沙颗粒密度，c为界面波波速即Scholte波波速，φ为泥沙在悬浮流体中的体积含量。

在对泥沙含量检测时，首先对测量领域的河底泥沙、固体侧性质参数测量一次，作为已知量，即河底固体侧的纵波波速c_l2和横波波速c_t2，以及河底的固体密度ρ₂，泥沙压缩系数β′_c，泥沙颗粒密度ρ′测量完成后，则特征方程的表达式就只含有界面波波速c和泥沙在悬浮流体中的体积含量φ。

在此基础上，建立对应的算法，通过测量界面波波速c，实现对泥沙含量φ的检测。

测量界面波波速c的测量步骤为：

信号接收模块中的n路检波模块相隔距离依次为L₁₂、L₂₃、L₃₄、L₄₅…L_nn+1，分别与信号发送模块的Scholte波激发模块一一对应，接收Scholte波激发模块产生的Scholte波信号，

波速提取模块对信号采集模块采集的n路通道信号进行Scholte波初至时间定位，得到信号接收模块中对应n个子模块之间的Scholte波初至时间差，分别为Δt₁₂，Δt₂₃，，Δt₃₄，Δt₄₅，…，Δt_nn+1

得到测量区域的Scholte波平均波速：

c＝L₁₂/Δt₁₂+L₂₃/Δt₂₃+L₃₄/Δt₃₄+L₄₅/Δt₄₅+…+L_nn+1/Δt_nn+1。

一种基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，包含

一产生超声脉冲信号的激励信号模块，

在所述激励信号模块的激励作用下产生多路Scholte波的信号发送模块，

信号接收模块，接收所述信号发送模块产生的多路Scholte波信号，

信号处理模块，将所述信号接收模块输出的信号进行处理，提取Scholte波的波速信号，

算法模块，用于将所述信号处理模块输出的信号计算得到泥沙含量。

所述激励信号模块包含以信号发生器为核心的超声信号模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。

所述信号发送模块包含采用超声斜探头换能器激发产生多路Scholte波信号的Scholte波激发模块。

所述信号接收模块包含与所述信号发送模块对应的多路检波模块。

所述信号处理模块包含滤波模块、信号放大模块、信号采集模块、波速提取模块。

所述算法模块包含用于初始化参数的数据初始化模块和用于计算泥沙含量的泥沙含量算法模块。

由激励信号模块激励安装在河底测量处的信号发送模块产生流-固Schotle波。流-固Schotle波沿河底传播。由河底另一端的信号接收模块接收流-固Schotle波信号。接收到的信号经信号处理模块处理后，作为算法模块的输入，经过算法模块处理得到所测河流底部的范围内平均泥沙含量。

本发明所达到的有益效果：

本发明实现的是一种基于流-固Scholte波的泥沙含量检测装置及方法，一般情况下，河道及大坝的泥沙主要集中在河床底部及大坝底层，这部分泥沙含量的检测对河道的畅通及大坝的安全至关重要，是检测的核心所在，本发明将泥沙看作流体，河床及坝堤看作固体，理论上流-固Schotle波是始终存在的，本发明结合了流-固Scholte波沿河底界面传播、传播距离远、衰减相对小、波幅大的特点，建立了流-固界面特征方程给出了河流泥沙密度与Scholte波速的关系，利用流-固Schotle波，通过测量其传播速度间接分析泥沙的含量。本发明的检测方法一次性检测范围大，由于各个小区域的泥沙含量可能不同，利用流-固Schotle波将检测出波传播范围内的一个平均效果，有利于整体宏观上的检测分析；本发明方法有利于实时检测，不必取样再检测；流-固界面波的相对幅度大，可以相对提高超声的测量精度。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的基于流-固Scholte波的泥沙含量检测装置主要由激励信号模块1、信号发送模块2、信号接收模块3、信号处理模块4、算法模块5五部分组成。检测装置在整个使用过程中，只需对测量领域的河底泥沙、固体侧性质参数测量一次，作为已知量，利于后续测量。检测装置在每次使用时，由激励信号模块1激励安装在河底测量处的信号发送模块2产生流-固Schotle波。流-固Schotle波沿河底传播，由河底另一端的信号接收模块3接收流-固Schotle波信号。接收到的信号经信号处理模块4处理后，作为算法模块5的输入，经过算法模块5处理得到所测河流底部的范围内平均泥沙含量。

其中：

激励信号模块1由超声信号模块1-1和功率放大模块1-2组成。超声信号模块1-1主要是以信号发生器为核心，产生超声脉冲小信号。功率放大模块1-2将超声信号模块1-1产生的超声脉冲小信号进行信号放大。

信号发送模块2由以两个斜探头换能器为核心的Scholte波激发模块2-1、Scholte波激发模块2-2、Scholte波激发模块2-3、…Scholte波激发模块2-5组成，在激励信号模块的作用下激励产生五路流-固Scholte波。

信号接收模块3由以两个换能器为核心的检波模块3-1、检波模块3-2、检波模块3-3、…检波模块3-5组成，检波模块与Scholte波激发模块一一对应设置，实现对信号发送模块2产生的五路流-固Scholte波信号的接收。

信号处理模块4由滤波模块4-1、信号放大模块4-2、信号采集模块4-3、波速提取模块4-4组成，将信号接收模块3接收的信号进行滤波、放大整理、采集、Scholte波波速的提取。

算法模块5由数据初始化模块5-1和泥沙含量算法模块组成，通过对信号处理模块4提取的Scholte波波速运用泥沙含量算法完成泥沙含量的计算。

下面对各模块的装置结构、算法流程进行详细的说明：

以信号发生器作为超声信号模块1-1的核心，能产生各种频率的超声小信号，本发明以此产生超声脉冲信号。超声信号模块1-1的信号经功率放大模块1-2放大，产生足够功率的超声脉冲信号，抗衰减，利于远距离测量，功率放大模块1-2采用高频功率放大器。信号发送模块2是产生流-固界面波的关键模块，其核心是斜探头换能器，采用斜探头换能器的理由在于斜入射可以激发较好的流-固Scholte波，利于信号采集检测。信号发送模块2采用的是相互平行放置的五路Scholte波激发设计，分别为Scholte波激发模块2-1、Scholte波激发模块2-2、…Scholte波激发模块2-5，用于同时激发产生五路平行的Scholte波信号。信号接收模块3是接收Scholte波信号的核心模块，采用的是基于平面换能器的检波模块3-1、检波模块3-2、…检波模块3-5的五路检测模式，各检波模块的换能器在河底相隔距离依次为L₁₂、L₂₃、L₃₄和L₄₅，分别与信号发送模块2的Scholte波激发模块2-1、Scholte波激发模2-2、…Scholte波激发模块2-5一一对应，同时接收Scholte波激发模块产生的Scholte波信号。信号处理模块4主要包括滤波模块4-1、信号放大模块4-2、信号采集模块4-3、波速提取模块4-4。滤波模块4-1采用高频带通滤波器，功率放大模块4-2采用信号放大器。信号采集模块4-3采用成熟的信号采集卡。波速提取模块4-4的核心装置采用多通道数字示波器。检波模块3-1、检波模块3-2、…检波模块3-5接收到的信号，分别经滤波模块4-1的高频带通滤波器滤波后、信号放大模块4-2中的信号放大器实现信号放大，补偿衰减。信号采集模块4-3对放大后的信号同步进行多路采集存储。为了提取Scholte波的波速，波速提取模块4-4采用数字滤波器对信号采集模块4-3采集的五路通道信号进行Scholte波初至时间定位，得到信号接收模块3中对应五个子模块之间的Scholte波初至时间差，分别为

Δt₁₂，Δt₂₃，Δt₃₄，Δt₄₅

得到测量区域的Scholte波平均波速：

c＝L₁₂/Δt₁₂+L₂₃/Δt₂₃+L₃₄/Δt₃₄+L₄₅/Δt₄₅。

算法模块5包括数据初始化模块5-1和泥沙含量算法模块5-2。数据初始化模块5-1需要初始化的数据含有Scholte波波速c、河底固体侧的纵波波速c_l2和横波波速c_t2、河底的固体密度ρ₂、泥沙压缩系数β′_c和泥沙颗粒密度ρ′。泥沙含量算法模块5-2结合技术方案中给出的模型及初始化的数据，完成泥沙含量的计算检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，包含

一产生超声脉冲信号的激励信号模块，

在所述激励信号模块的激励作用下产生多路Scholte波的信号发送模块，

信号接收模块，接收所述信号发送模块产生的多路Scholte波信号，

信号处理模块，将所述信号接收模块输出的信号进行处理，提取Scholte波的波速信号，

算法模块，用于将所述信号处理模块输出的信号计算得到泥沙含量。

2.根据权利要求1所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，所述激励信号模块包含以信号发生器为核心的超声信号模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。

3.根据权利要求1所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，所述信号发送模块包含采用超声斜探头换能器激发产生多路Scholte波信号的Scholte波激发模块。

4.根据权利要求1所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，所述信号接收模块包含与所述信号发送模块对应的多路检波模块。

5.根据权利要求1所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，所述信号处理模块包含滤波模块、信号放大模块、信号采集模块、波速提取模块。

6.根据权利要求1所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测装置，其特征是，所述算法模块包含用于初始化参数的数据初始化模块和用于计算泥沙含量的泥沙含量算法模块。

7.一种基于流-固界面波的泥沙含量检测方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)根据流-固界面波的特征方程推导出

${[{(c^2/c_{t2})}^2-2]}^2-4\sqrt{1-c^2/c_{l2}^2}\sqrt{1-c^2/c_{t2}^2}+{(c/c_{t2})}^{4}G=0,$

其中， $G=\frac{(1-\mathrm{\φ})+{\mathrm{\ρ}}^{\′}\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{\sqrt{1-c^2/c_{l22}^2}}{\sqrt{1-c^2((1-\mathrm{\φ})\×{10}^3+{\mathrm{\ρ}}^{\′}\mathrm{\φ})(1/(2.1954\×{10}^9)\×(1-\mathrm{\φ})+{\mathrm{\β}}_c^{\′}\mathrm{\φ})}},$

式中，c_l2为河底固体侧的纵波波速，c_t2为河底固体侧的横波波速，ρ₂为河底的固体密度，β′_c为泥沙压缩系数，ρ′为泥沙颗粒密度，c为界面波波速即Scholte波波速，φ为泥沙在悬浮流体中的体积含量；G为便于简化公式设的一个中间参量；

(2)在对泥沙含量检测时，首先对测量领域的河底泥沙、固体侧性质参数测量一次，作为已知量，即河底固体侧的纵波波速c_l2和横波波速c_t2，以及河底的固体密度ρ₂，泥沙压缩系数β′_c，泥沙颗粒密度ρ′测量完成后，则上述特征方程的表达式中只含有界面波波速c和泥沙在悬浮流体中的体积含量φ；

在此基础上，通过测量界面波波速c，实现对泥沙含量φ的检测。

8.根据权利要求7所述的基于流-固界面波的泥沙含量检测方法，其特征是，测量界面波波速c的测量步骤为：

信号接收模块中的n路检波模块相隔距离依次为L₁₂、L₂₃、L₃₄、L₄₅…L_nn+1，分别与信号发送模块的Scholte波激发模块一一对应，接收Scholte波激发模块产生的Scholte波信号，

波速提取模块对信号采集模块采集的n路通道信号进行Scholte波初至时间定位，得到信号接收模块中对应n个子模块之间的Scholte波初至时间差，分别为Δt₁₂，Δt₂₃，，Δt₃₄，Δt₄₅，…，Δt_nn+1

得到测量区域的Scholte波平均波速：

c＝L₁₂/Δt₁₂+L₂₃/Δt₂₃+L₃₄/Δt₃₄+L₄₅/Δt₄₅+…+L_nn+1/Δt_nn+1。