CN106769733B - 超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪。该测量仪包括长方体探测水箱、升降装置、水上主机；所述的探测水箱包括两个聚焦式超声波换能器、保护外壳和两个可开闭阀门；所述的聚焦式超声波换能器在水平方向对称安装于探测水箱的前后两侧；所述的保护外壳用螺丝钉固定在安装有超声探头的两个面上及上侧面；所述的可开闭阀门两边卡于探测水箱的左右两面侧边的竖直槽内，打开时形成流通管道进行动态测量，关闭时可进行静态测量。本发明的分辨率和灵敏度高于一般的平面式超声波测量仪，工作时固定在水下，减小了流动水体的扰动，开闭阀门的设计可以让测量仪同时进行河流悬移质的动态和静态测量。

Description

超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪

技术领域

本发明涉及聚焦式超声波换能器对河流悬浊液的衰减测量、动/静态泥沙浓度超声测量装置，特别是涉及一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪。

背景技术

河流悬移质浓度的准确测量对河流泥沙参数的在线准确检测和监测、水利水电工程建设、水文观测预报、水文计量等领域都具有重要意义，对滩涂资源的合理利用、河岸植被作物的生长、海口三角带的变迁和海洋生态的健康发展也有着重要影响。

传统的河流泥沙浓度测量方法包括人工采样法和间接测量法。人工采样方法包括烘干法和称重法，尽管有着精度高的优势却无法实现实时在线式测量，且测量周期较长，费时费力，尤其在河流汛期进行人工采样时存在很大的安全隐患。间接测量法包含了各种基于不同物理学基本量如光、振动、电容、超声、同位素、比热等的测量方法。其中，同位素法由于其辐射问题目前已被部分发达国家禁用，光电测沙法、同位素法难以在高含沙量情况下进行准确测量，振动法在低流速情况下的测量情况不佳，比热法是近期才兴起的方法相对不成熟。超声法由于穿透性好、频带宽、无干扰、实时性好等优势能在低浓度取得较高的精度 ，高浓度情况下，随着泥沙粒子的增多，泥沙粒径的差别增大，泥沙间相互作用的明显以及散射情况的复杂，超声理论模型的处理难度增加，故不易得到准确结果。

传统的超声波测量河流悬移质浓度的研究中采用平面式超声换能器，其发出的声波在传输过程中散射情况复杂，声损失大，横向分辨率和灵敏度受到限制，加之实际测量水样组成物的复杂性和和辐射副作用，其应用和发展受到一定的局限性。聚焦式超声换能器近年来被广泛应用于超声清洗和肿瘤治疗、医疗美容等生物医学领域。基于聚焦方式可以分为声透镜聚焦换能器、球面自聚焦换能器、多元自聚焦换能器、电子相控阵聚焦换能器，其中电子相控阵聚焦换能器的聚焦方式可以分为线阵电子聚焦、环阵电子聚焦以及球面阵列聚焦。 电子相控聚焦换能器由于其灵活可靠等优势在受到了广大学者的探讨研究，发展迅速。电子相控阵为一系列按照一定方式排列的压电陶瓷小阵元，每个小阵元由单独电路控制故彼此间相互独立。在相同频率的信号激励下，每个阵元以一规律将电信号转化为一定相位差的一系列超声波信号，基于惠更斯原理，各束超声波间相互干涉，旁瓣间相互抵消，留下一束聚集于特定方向的超声波束。

目前我国已有大量的学者和工厂基于超声衰减法对河流泥沙浓度的理论模型或进行理论推导或进行实验拟合，致力于研制超声波泥沙浓度测量仪器，其中部分已经在特定场合投入运用并取得较理想的成绩，但在国家范围内自主研制的用于工业测量的成熟的超声波泥沙浓度测量仪并未出现。一些发达国家已经生产出可以在高浓度情况下测量的超声测量仪器如OPUS系列，但体积庞大且价格非常昂贵。虽然目前根据超声波衰减原理对河流泥沙的参数测量研究已有很多，但由于河流水体流动形态的复杂性和不稳定性以及泥沙组成和分布情况的多样性，因此对于能够实现准确测量河流泥沙含量的系统且完整的在线测量仪表还有待研制和完善。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪，本发明简单易懂，操作快速便利，对人体无毒无害，在提高分辨率和灵敏度的同时可以对河流悬移质进行动态和静态测量。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括探测水箱、升降装置、水上主机，所述的探测水箱为可升降立方体，包括两个聚焦式超声波换能器、保护外壳和两个可开闭阀门，其中所述的聚焦式超声波换能器在水平方向对称安装于探测水箱的前后两侧，连线方向垂直于流体流动方向，所述的保护外壳固定在安装有超声探头的两个面上以及探测水箱的上面。所述的可开闭阀门两边卡于探测水箱的左右两面侧边的竖直槽内，槽体一直开至保护外壳上方，打开时形成流通管道进行动态测量，关闭时可进行静态测量。所述的探测水箱上方正中间焊接一根固定杆，固定杆在水上用支架和固定块固定。所述的阀门上端的正中心和另一根固定杆焊接，该固定杆的上端分别固定在两根平行的滚珠丝杆上，两边的滚珠丝杆由同一台旋转伺服电机驱动来带动阀门的升降以实现阀门开闭及动静态流体测量的切换。

所述的水上主机通过电缆传输信号使得超声探头发射超声信号，探测水箱内的接收探头获取的信息通过电缆传输至水上主机，所述的水上主机包括显示屏、按键、支架、外壳和内部电路；所述的电路包括控制模块、信号发生模块、传感器模块、信号采集模块、信号处理模块、存储和蓝牙模块以及显示模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于本发明采用了聚焦式超声波探头，相对于传统的平面式超声波探头，本发明超声探头发出的超声波散射衰减明显减少，横向分辨率和灵敏度提高，测量结果更可靠。

2、由于本发明左右两侧的阀门可开闭，可以同时进行动态测量和静态测量。

3、由于本发明采用滚珠丝杆等刚性材料来控制探测水箱的升降，可以对各个深度的河流悬移质进行快速测量以研究悬移质在垂直方向的浓度分布情况，相对绳索类仪器，本发明的探测水箱受到水流的干扰更小。

4、由于本发明设有蓝牙模块，用USB得到本次测量数据的同时可以将测量数据进行云共享以对比分析，提高数据的利用率。

附图说明

图1为总体装置示意图；

图2为探测水箱示意图；

图3为探测水箱阀门图；

图4为升降装置组成图；

图5为水上主机图；

图6为水上主机电路模块图；

图7为聚焦式超声探头示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出的超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪，总体结构如图1所示，水上主机1、升降装置2和探测水箱3三大部分，探测水箱为可升降立方体。所述的探测水箱3包括两个聚焦式超声波换能器31、保护外壳35和两个可开闭阀门33。所述的聚焦式超声波换能器31在水平方向对称安装于探测水箱3的前后两侧，连线方向垂直于流体流动方向，采用电子相控阵列聚焦方式中的球面阵列聚焦，将多个压电复合材料小阵元311置于球面312形成阵列面，通过电路控制各阵元311间的时差使得相位差的产生，经过干涉作用准确地定位焦点位置使焦点恰好位于两个聚焦式换能器31正中间。所述的保护外壳35用螺丝钉固定在安装有超声探头31的两个面上以及探测水箱3的上面用于保护成本较高的超声探头31以及超声探头传输信号必需的电缆32。所述的可开闭阀门33两边卡于探测水箱3的左右两面侧边的竖直槽34内，槽体34一直开至外壳35上方以防阀门33上升过多导致的阀门33与探测水箱3分离难以再次合上，打开时形成流通管道进行动态测量，关闭时可进行静态测量。所述的探测水箱3上方正中间焊接一根固定杆361，固定杆361在水上用支架27和固定块24固定。所述的左右两扇阀门33上端的正中心分别和两个固定杆362焊接，固定杆362的上端分别固定在两根平行的滚珠丝杆21上。所述的保护壳35和探测水箱上面中心处的空心固定杆362恰好容许聚焦式超声波探头31的发射探头和接收探头的两根电缆32互相绝缘分布。所述的两边的滚珠丝杆21由同一台旋转伺服电机驱动来带动阀门33的升降以实现阀门33开闭及动静态测量转换。所述的水上主机1通过电缆32传输信号使得超声探头31的超声信号发射，探测水箱3接收探头31获取的信息通过电缆32传输至水上主机1，由水上主机1进行进一步处理。水上主机1包括显示屏11、按键12、支架13、外壳14和内部电路15和接口16；所述的电路15包括控制模块DSP151、信号发生模块152、传感器模块153、信号采集模块154、信号处理模块155、存储和蓝牙模块156以及显示模块157。信号发生模块152包括信号发生电路1521和激励电路1522，信号采集模块154包括信号采集1543、放大1542和滤波1541，信号处理模块155包括AD芯片1551和DSP151，存储和蓝牙模块156包括蓝牙1561和USB1562以及PC1563。

本发明的工作如下：本发明可用于河流悬移质的动态测量和静态测量，将电缆32以及电机的通过接口16与水上主机1连接，将支架27固定在水上探测船上，按下按键12开启水上主机1，按下阀门归位按键，阀门底与水箱底齐平。将探测水箱3移至需要测量的地方，按下阀门开键，伺服电机带动蜗轮蜗杆的蜗杆25转动，随之涡轮26带动同轴的丝杆螺母22转动，丝杆21上升固定距离至阀门打开，目标水体流过探测水箱。按照具体情况选择动态和静态测量，动态测量时，阀门可以保持常开状态，静态测量时，按下阀门关键，伺服电机反转，带动蜗轮蜗杆的蜗杆25、涡轮26、丝杆螺母22的反向转动，丝杆21下降固定距离至阀门关闭，目标水体静止在探测水箱内。

在水上主机1的按键盘12选择所需波形，电缆32将电信号传递给超声波发射换能器31，电信号转化为声信号，声波在被测介质中传播过程中在各个粒子表面发生了各种复杂的作用，经历了包括散射衰减、吸收衰减等过程到达超声接收换能器。控制相控阵列在不同的时间发射声信号，各束超声波间存在相位差，经过干涉作用，散射衰减大大减小，超声波在传播中逐渐向焦点方向聚集，声波经过待测流体后在聚焦后被对面的接受探头31收到并转化为电信号，此时的电信号相比于发射信号已经很小，且包含很多无用杂波，经过电缆32传回到水上主机1。水上主机1中的电路系统采集1543超声换能器接收探头31传输的信号，对于微弱的信号进行放大1542、滤波1543和A/D转换1551，到DSP152中对数字信号进行各种处理，经过进一步去噪后获取目标水体悬移质的含沙量。用户可以选择利用蓝牙1561功能将数据传送到悬移质浓度云共享，与现有的测量结果进行比较分析并对未来的测量提供数据参考，也可利用USB1562设备将数据拷贝进行私有化并到PC1563分析。完成测量后，保持阀门开状态使探测水箱彻底干燥。

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.超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪，包括探测水箱、升降装置、水上主机，其特征在于：所述的探测水箱为可升降立方体，包括两个聚焦式超声波换能器、保护外壳和两个可开闭阀门，其中所述的聚焦式超声波换能器在水平方向对称安装于探测水箱的前后两侧，连线方向垂直于流体流动方向，所述的保护外壳固定在安装有超声探头的两个面上以及探测水箱的上面；所述的可开闭阀门两边卡于探测水箱的左右两面侧边的竖直槽内，槽体一直开至保护外壳上方，打开时形成流通管道进行动态测量，关闭时可进行静态测量；所述的探测水箱上方正中间焊接一根固定杆，固定杆在水上用支架和固定块固定；所述的阀门上端的正中心和另一根固定杆焊接，该固定杆的上端分别固定在两根平行的滚珠丝杆上，两边的滚珠丝杆由同一台旋转伺服电机驱动来带动阀门的升降以实现阀门开闭及动静态流体测量的切换，聚焦式超声波换能器采用电子相控阵列聚焦方式中的球面阵列聚焦；

所述的水上主机通过电缆传输信号使得超声探头发射超声信号，探测水箱内的接收探头获取的信息通过电缆传输至水上主机，所述的水上主机包括显示屏、按键、支架、外壳和内部电路；所述的电路包括控制模块、信号发生模块、传感器模块、信号采集模块、信号处理模块、存储和蓝牙模块以及显示模块。

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