CN106769711A - 扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量仪 - Google Patents

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仪。该在线测量仪包括了一发一收式的一对聚焦式超声波换能器、探测箱体、电缆绳、控制主机和相应电路。所述的聚焦式超声波换能器采用了球形阵列聚焦方式，经此将信号发生器产生的扫频信号转化为有良好方向性的超声波束，被中心频率一致的聚焦式超声接收探头接收。所述的相关电路包含信号发生和信号处理两大块。所述的信号发生模块的核心为基于DDS的扫频信号发生电路。本发明简单、灵活，针对不同地点粒径测试不同频率的需要，改善了测量仪的测量范围、实用性，提高了测量的精度。

Description

扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量仪

技术领域

本发明涉及超声波液固两相流测量、水文仪器、泥沙粒径技术领域，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仪。

背景技术

水是生命之本，是现代工业的重要组成部分。我国现阶段的水资源问题日益突出，河流悬移质的研究对于自然界的水循环、分布和利用都有着很大的影响。

河流悬移质的粒径的大小和分布可以反映出河流水体运动的信息，对于水利工程的建造和水利机械的保护都有着指导性的意义。

测量悬移质粒径的方法从耗费大量人力的筛分法、称重法、粒径计法、吸管法、消光法和离心法，到后来的显微镜法、沉降法、电感应法(库尔特法)量、光散射法、全息照相法等，逐渐向着高精度,高自动化的方向发展。其中电感应法分辨率高、重复性好，光散射法测量范围广、可在线非接触测量方便、两者快速方便，均有着不错的前景。但由于测量原理，电感应法动态范围窄，光散射法无法对不透光流体进行测量。超声波具有穿透力强、束射性好、能量大等特点，在固-液两相、浓度较高的场合具有广阔的应用前景。

超声波法的悬移质粒径是利用超声波在水中传播时在介质中发生各种反射折射现象导致的衰减测量的。衰减的程度用衰减系数表征，衰减系数与悬浮颗粒和水体密度、颗粒的浓度、颗粒粒径、超声波频率以及流体动力黏滞系数等密切相关。现有的超声粒径或浓度测量仪器均采用平面式超声换能器，仅使用一个超声波换能器放置在流体一侧形成自收自发式测量系统或者将两个换能器放置在流体两侧或一侧形成一收一发式。由于悬移质颗粒粒径的跨度极大，物质状态情况不一，密度也各不相同，超声波在众多不同的颗粒表面的反射波完全不同。另一方面，同一颗粒由于表面因素对不同的入射波也会产生不同的效果。在自然界测量时，流体信息不全面，同时每个颗粒的反射波也将相互影响，采用一般的超声波模型无法准确描述。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，且有着与纳米测量接轨的趋势。

扫频技术是电子测量中的一种重要技术,广泛用于调频放大器、宽频带放大器、各种滤波器、鉴相器以及其他有源或无源网络的频率特性的测量，超声衰减与频率密切相关，为了更好地获得粒径信息，需要在不同地方采用不同频率，扫频信号源是整个测量系统设计的关键环节之一。

聚焦式超声波换能器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。在空间中形成干涉条纹并产生聚焦，使得声耗散大大减小，声束方向性好。能量集中。目前聚焦式超声波换能器被广泛应用于肿瘤治疗中，在超声波测量中有着很好的前景。

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仪。本发明操作简单，安全性高，在提高分辨率和灵敏度的同时有着更广的测量范围和良好的适应性。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括一发一收式的一对聚焦式超声波换能器、探测箱体、电缆绳、控制主机和相应电路，所述的聚焦式超声波换能器采用球形阵列聚焦方式，发送端的聚焦式超声波换能器将相应电路中的信号发生器产生的扫频信号转化为有方向性的超声波束，被中心频率一致的接收端的聚焦式超声波换能器接收。所述的相应电路包含信号发生模块和信号处理模块。所述的信号发生模块的核心为基于DDS的扫频信号发生器。所述的信号处理模块包括信号采集电路、放大电路、滤波电路和A/D转换电路，信号处理模块与接收端的聚焦式超声波换能器相连。所述的探测箱体为长方体形，通过电缆绳与水上的控制主机相连，探测箱体的一对侧面上安装所述的一对聚焦式超声波换能器，探测箱体贯通，使得悬移质水体能够流通。所述的控制主机为长方体盒体，内含小型发电机和控制芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用了聚焦式超声换能器，大大减小了超声在传播过程中的散射衰减，使得能量更加集中，接收探头得到的能量大幅提高，衰减信息更加全面，利于信号分析和衰减模型的建立。

2、在信号发生源处加上扫频设计，使用宽频带的超声波换能器，超声探头可以和信号发生器良好地匹配，在不同工况下采用合适频率的超声波，扩大了测量范围，提高了仪器的适应性、实用性和测量精度。

附图说明

图1为聚焦式超声波探头示意图；

图2为测量原理图；

图3为扫频信号发生电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

探测箱体9为拥有四个完整侧面一个长方体，另外两个对立面开通，使悬移质水体可以流通，两个聚焦式超声波换能器1、2对称贴在所述探测箱体9的一对侧面上。横截面为弧形的外壳12包裹在所述的聚焦式超声换能器所在的面，减小探测箱体9外部流体流动的阻力的同时有利于超声换能器的保护。电缆8一端连着发动机7，另一端与所述的超声波发射换能器1相连，在控制主机中输入下降指令后，启动发动机7，将电缆8下放相应的距离，所述的探测箱体9放入至水下且两个聚焦式超声换能器1、2完全浸没在水中。

在显示屏62上输入想要的波形以及扫频信号产生所需要的时间频率的相关的一系列参数61，加法器63和扫频速度控制单元68分别通过参数产生扫频信号对应的频率控制字64和速度控制字69。所述的速度控制字69经计数器610累计到加法器63中，所述的频率控制字64存储在存储器65中，传达到DDS信号源66中。所述的DDS信号源66根据参数61、频率控制字64和速度控制字69产生数字扫频信号67。

所述的数字扫频信号67在电缆绳8中传播，传到了聚焦式超声波发射换能器1中。所述的聚焦式超声波换能器1、2采用了球形阵列聚焦方式，在半球形的壳体11上布满了大量大小一致形状相同的阵列单元12。所述的扫频信号到达发射超声探头1中时，由于各个阵列单元12接收再发射出去的超声波存在的相位差，各束波间发生了干涉作用，传播过程中逐渐形成一束能量集中的主波束，散射损失大大减小的前提下，接收超声探头2接收到的扫频信号67的能量也大大增加，提高了整个系统的灵敏度的测量精度。所述的聚焦式超声探头1、2的中心频率为1.13MHz，故所述的扫频信号67的频率值不能偏离1.13MHz太远。所述的聚焦式接收换能器2把接收到的衰减信号通过电缆传输到信号采集卡3中。

所述信号采集卡3完成了信号采集、放大、滤波等处理，使信号可以被更好地后续处理。A/D芯片4将信号进行数模转换，用基于编程语言matlab的DSP芯片5进行数据处理和运算。

所述的信号发生模块的核心为基于DDS的扫频信号发生器6，可用DSP、单片机等汇编语言实现扫频功能。所述的信号处理模块包括信号采集、放大、滤波、A/D转换等。所述的探测箱体为长方体形，通过电缆与水上的控制主机相连。所述的电缆一边连接探测箱体，另一边与电动机相连，可以到达电缆长度范围内的水下任意深度。所述的控制主机为长方体盒体，内含小型发电机和控制芯片5。所述的信号处理的目标信号和粒径大小间的换算公式基于超声衰减法，由实验可以获得。

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 (1)

1.扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量仪，包括一发一收式的一对聚焦式超声波换能器、探测箱体、电缆绳、控制主机和相应电路，其特征在于：所述的聚焦式超声波换能器采用球形阵列聚焦方式，发送端的聚焦式超声波换能器将相应电路中的信号发生器产生的扫频信号转化为有方向性的超声波束，被中心频率一致的接收端的聚焦式超声波换能器接收；所述的相应电路包含信号发生模块和信号处理模块；所述的信号发生模块的核心为基于DDS的扫频信号发生器；所述的信号处理模块包括信号采集电路、放大电路、滤波电路和A/D转换电路，信号处理模块与接收端的聚焦式超声波换能器相连；所述的探测箱体为长方体形，通过电缆绳与水上的控制主机相连，探测箱体的一对侧面上安装所述的一对聚焦式超声波换能器，探测箱体贯通，使得悬移质水体能够流通；所述的控制主机为长方体盒体，内含小型发电机和控制芯片。