CN106644859A - 一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。本发明搭建了一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，同时用筛分法和显微镜法配置不同粒径大小的泥沙样本；对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置；改变超声波频率，在不同的超声波频率下进行一系列以泥沙粒径为变量的实验，获取接收波形的数据；对采集到的信号进行基于希尔伯特变换的相空间分割和符号动态滤波，得到与粒径相关的参数值测度；对不同频率下测度与泥沙粒径的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径测量模型。本发明可以有效减少传播过程中的散射衰减，增加接收换能器处可接受的声能，提高信噪比以及整个测量系统的灵敏度和测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及超声波液固两相流测量、信号处理、泥沙粒径技术、模式识别领域，特别是涉及一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。
背景技术
自然水体中的泥沙颗粒问题关系到水利机械、河岸农业、海陆资源、生态环境等多方面的问题。在工业生产的多个领域，包括医疗制药、能源运输等，准确测量液体中的颗粒大小至关重要。
传统的测悬移质粒径的方法包括称重法、粒径计法、吸管法、筛分法、消光法和离心法等。目前广泛应用的测粒方法为：筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法(库尔特法)量、光散射法、及其它方法(如全息照相法等)。筛分法简单易懂，但是测量结果无法精确到具体数值，整体过程要消耗大量劳力，且当颗粒小至一定程度，筛子的工艺难度大以致粒径无法得到区分。沉降法从上世纪70年代大量被运用到如今已经发展出不同分支，操作简单但过程时间长，无法进行实时在线测量，此外颗粒粒径极小时会产生凝聚现象。显微镜法最为直观，但需要人眼识别，无法在线测量，当颗粒过多或者分布过广时，易产生疲劳及发生错误。电感应法快速方便，有着较高的分辨率和重复性，但动态测试范围比较小，孔容易产生堵塞，受电解质浓度的影响比较大。光散射法的测量范围广，快速高效，可在线非接触测量，但分辨率低，当介质透光性较差时无法实现，不适宜窄分布以及高浓度情况测量。
超声波穿透性好、频带宽、无干扰、实时性好，在浓度测量、粒径分布、流型识别等多相流领域均有着很好的应用前景。粒径分布方面的研究多与浓度一起，基于超声波衰减理论，结合实验数据并经过一定的数据处理获得相应的测量模型。由于自然界中悬浮颗粒的尺寸从纳米级到微米级跨度极大，组成成分涵盖固液气三态，颗粒的组成物质极有可能含有多种，不同的粒径大小和颗粒组成情况对超声波的反射及折射不一样。另一方面。颗粒间的相互作用以及颗粒反射的波形间的影响也会导致最终接收波形的改变。衰减情况的复杂性使得一般的超声波模型无法准确描述，悬移质粒径分布（PSD）的测量十分困难。目前，对现有模型的不断完善以及建立新的物理模型已成为当前PSD测量的研究热点。
聚焦式超声波换能器由于其能量大，集中性好，被广泛应用于肿瘤治疗中，其发出的超声波在介质传播时，由于外部噪声、介质不均匀等原因使得到达声波和反射声波之间出现声场干涉的现象。随着空间水平位置变化，声场会有能量起伏，在声场干涉图形边线处形成明暗条纹，其能量汇聚点称为声聚焦点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。本发明步骤清晰，操作简单，原理易懂，测量准确度高。
本发明所采用的技术方案是：
搭建一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，同时用筛分法配置不同粒径大小的泥沙样本，用显微镜法获得各个样本的平均粒径。测量前，对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置。改变超声波频率，在不同的超声波频率下进行一系列以泥沙粒径为变量的实验，获取接收波形的数据。
对采集到的信号进行基于希尔伯特变换的相空间分割（ASSP算法）和符号动态滤波（SDF算法），得到与粒径相关的参数值测度。对不同频率下测度与泥沙粒径的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径测量模型。
所述的聚焦式超声波探头为球面电子相控阵列聚焦，中心频率为1.13MHz。所述的相空间分割基于希尔伯特变换，将时间序列变换成为复数域的解析信号，映射到二维相空间并根据幅值和相角进行分割。所述的符号动态滤波依赖D-Markov机的建立，需将符号序列中的D个连续符号作为一个状态进行转移概率分析得到状态概率矩阵。所述的D-Markov机得到的状态概率矩阵的左特征向量经过运算可以得到测度，在相同频率及浓度条件下可以反映出泥沙粒径的信息。
所述的超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量测量装置由信号发生模块、超声换能模块及数据采集模块三大模块组成，所述的信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述的超声换能模块包括聚焦式超声波发射探头和聚焦式超声波接收探头，所述的数据采集模块包括功率放大器和示波器。所述的信号发生器发出的初始信号需要调节，频率依次设定为400k、600k、800k、1.0M、1.13M、1.3M、1.5M和1.7MHz，峰峰值为2Vpp，形式为猝发波。所述的功率放放大器按需要均设定为2.5倍。所述的示波器采样频率为5MHz，单次采样点数为7000个。所述的采样点用USB设备储存。
与现有技术相比，本发明的有益效果是；
1、本发明采用的聚焦式超声波换能器，在超声传播过程中向固定方向聚焦，可以有效减少传播过程中的散射衰减，增加接收换能器处可接受的声能，提高信噪比以及整个测量系统的灵敏度和测量精度，泥沙含量预测的准确性得以提高。
2、本发明在信号处理方面采用了基于希尔伯特变换的相空间分割结合符号动态滤波D-Markov机，相较于传统的小波变换等方法，信号的运算处理更加快速。异常值检测的方法对于微小浓度变化引起的信号的变化更加敏感。
3、本发明在发射端加上了扫频功能，使得该实验结果可以运用于多地的不同河流，扩展了测量装置的测量范围，使其有着更好的地域适应性。
附图说明
图1为总体测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步的说明。
搭建一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，所述的超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量测量装置由信号发生模块、超声换能模块及数据采集模块三大模块组成，所述的信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述的超声换能模块包括聚焦式超声波发射探头和聚焦式超声波接收探头，所述的数据采集模块包括功率放大器和示波器。所述的信号发生器发出的初始信号需要调节，频率5依次设定为400k、600k、800k、1.0M、1.13M、1.3M、1.5M和1.7MHz，峰峰值为2Vpp，形式为猝发波。所述的功率放放大器按需要均设定为2.5倍。所述的示波器采样频率为5MHz，单次采样点数为7000个。所述的采样点用USB设备储存。所述的聚焦式超声波探头为球面电子相控阵列聚焦，中心频率为1.13MHz。
获取钱塘江水岸的淤积泥沙，清洗烘干后用数个外形尺寸一致但筛孔个数不同的筛子将样品沙筛分为几个粒径区间，用显微镜法获得各个区间样本的平均粒径1。每个区间样本中称取固定质量的沙子置于试管，编号，获得不同粒径1的等质量的样本若干。测量前，对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置。对于每一组的粒径1，保持容器内的水量不变，逐次加入各试管沙洋，每加入一试管沙样前，记录其在几个设定频率5下的超声接收波形。USB设备记录各组波形并做好对应记录。
将数据采集卡采集到的离散信号提取得到x(n)，对其进行希尔伯特变换，视为信号x(n)和一个等效的滤波器h(t)的卷积。根据傅里叶变换后的形式可以反推出h(t)在时域上的信号表现形式。将解析信号进行傅里叶变换，表示为频域上的两个信号的乘积，化简后，对应的信号可以表示为：
| (1) |
以为极坐标的r轴、为轴，建系，原始信号被映射到极坐标系的二维相空间内。
在二维相空间内，内对信号的幅值和相角分别进行最大熵分割法。将幅值等概率地分为x组，相角等概率地分为y组，整个信号的相空间被分为n=xy个区域，每一个区域都由一组包含幅值信息和和相位信息的符号对表示，用符号表X来表示所有符号对的集合：
| (2) |
基于希尔伯特变换的相空间分割（ASSP算法）6完成。
将符号序列中的D个连续符号作为一个状态进行转移概率分析。一个状态S在最后加上一个符号，脱去第一个符号成为了一个新的状态S’，就完成了一次状态转移，每一个特定的状态S向其他所有的可以转移的不同状态转移的概率之和为1。
假设状态j的符号序列S为s 1 s 2 ……s D ，若状态j可以转移为状态k，则状态k的符号序列S’为s 2 s 3 ……s D+1 。将符号序列s 1 s 2 ……s D 以及符号序列s 1 s 2 s 3 ……s D+1 的个数分别记为N和M,那么:
| (3) |
将每一个转移的概率按顺序排列为方阵，即得到了该状态的状态转移矩阵。对k时刻的前后两个状态矩阵进行运算，得到两个矩阵的左特征向量向量p和p’，测度3定义为：
| (4) |
符号动态滤波（SDF算法）7完成。
对不同频率5下测度3与泥沙粒径1的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径1测量模型4。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）搭建一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，同时用筛分法配置不同粒径大小的泥沙样本，用显微镜法获得各个样本的平均粒径；
2）测量前，对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置；
3）改变超声波频率，在不同的超声波频率下进行一系列以泥沙粒径为变量的实验，获取接收波形的数据；
4）对采集到的信号进行基于希尔伯特变换的相空间分割和符号动态滤波，得到与粒径相关的参数值测度；
5）对不同频率下测度与泥沙粒径的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径测量模型。
2.根据权利要求1所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的聚焦式超声波探头为球面电子相控阵列聚焦，中心频率为1.13MHz。
3.根据权利要求1所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的相空间分割基于希尔伯特变换，将时间序列变换成为复数域的解析信号，映射到二维相空间并根据幅值和相角进行分割。
4.根据权利要求1所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的符号动态滤波依赖D-Markov机的建立，需将符号序列中的D个连续符号作为一个状态进行转移概率分析得到状态概率矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的D-Markov机得到的状态概率矩阵的左特征向量经过运算可以得到测度，在相同频率及浓度条件下可以反映出泥沙粒径的信息。
6.根据权利要求1所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量测量装置由信号发生模块、超声换能模块及数据采集模块三大模块组成，所述的信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述的超声换能模块包括聚焦式超声波发射探头和聚焦式超声波接收探头，所述的数据采集模块包括功率放大器和示波器。
7.根据权利要求1所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的信号发生器发出的初始信号需要调节，频率依次设定为400k、600k、800k、1.0M、1.13M、1.3M、1.5M和1.7MHz，峰峰值为2Vpp，形式为猝发波。
8.根据权利要求6所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的功率放放大器按需要均设定为2.5倍。
9.根据权利要求6所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的示波器采样频率为5MHz，单次采样点数为7000个。
10.根据权利要求6所述的一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法，特征在于：所述的采样点用USB设备储存。
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Application publication date: 20170510 Assignee: Xinchang China Metrology University Enterprise Innovation Research Institute Co.,Ltd. Assignor: China Jiliang University Contract record no.: X2021330000071 Denomination of invention: A sweep frequency ultrasonic focusing on-line measurement method of sediment particle size distribution Granted publication date: 20190531 License type: Common License Record date: 20210816 |
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Assignee: Xinchang China Metrology University Enterprise Innovation Research Institute Co.,Ltd. Assignor: China Jiliang University Contract record no.: X2021330000071 Date of cancellation: 20211231 |