CN109506771A - 高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，包括声场检测传感器、数据采集处理系统和用于带动声场检测传感器在三维空间内运动的空间位移机构，声场检测传感器包括水听器和用于伸入高温液体介质内的波导杆，以及上部套装在水听器上、下部套装在波导杆上的耦合剂套筒，耦合剂套筒的中部空间为耦合剂腔，耦合剂腔内填充有声波耦合剂，水听器的感应元件设置在声波耦合剂中；本发明还公开了一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测方法。本发明设计新颖合理，实现方便，能够方便地检测液体介质内的声场信号，且具有空间定位功能，能够实现三维声场测量，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测方法及装置
技术领域
本发明属于声场检测技术领域，具体涉及一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测方法及装置。
背景技术
一方面，振动在金属凝固领域中的应用研究引起了人们的广泛重视，振动凝固是对凝固过程中的金属液施加振动，使铸件结晶组织因受振动而细化，铸件残余应力降低并均匀化，力学性能提高。
在上述金属凝固过程和化学反应过程中，声场强度大小和分布决定了振动施加的效果，是非常关键的参数。但是目前人们只是以施加振动所消耗的电功率来定性判断施加振动的强弱。对液体中实际导入的振动能量大小和分布无法精确表征。这就导致了无法定量的分析所施加在液体中的振动本征特性与产生的对金属凝固过程的影响效果之间的直接关系，严重制约了振动凝固技术的发展。
目前主要困难在于，振动凝固中的熔体一般具有高温环境(如铝合金熔点600℃以上，铜合金熔点1000℃以上，钢铁达到了1400℃)。目前的声场测量方法尚无法适用于这些环境。目前的液体内部声场测试方法，主要有三大类：1.直接测量法，2.间接测量法，3.全息化技术测量法。其中，直接测量法可以有效的定量实时测量声场信息，其主要实现手段有：
(1)水听器法：该方法就是将液体中的声压信号通过直接插入液体的水听器转换为电信号。水听器按照作用原理可分为压电水听器、磁致伸缩水听器和光纤水听器。一般最常用的是压电式水听器，其工作原理为压电效应。该方法适合测量高强度超声场，但是由于压电原件结构设计上的难度，以及仪器自身原因使得用该方法测得的数据与理论值会有一定偏差。
(2)热敏测量法：在吸收材料(例如蓖麻油、聚乙烯、硅橡胶等)中置入热电转换元件(热敏电阻或者热电偶)，然后将其放入声场中，声能在吸收材料中转换为热能，于是可以通过测量热敏电阻的阻值变化或热电偶的输出电压，从而得到所要测得相对声压值。该方法不受空化影响，对电干扰不灵敏。
但是，上述的直接测量方法，均只适合于常温和中低温待测环境中声场的检测，在高温环境下都会造成放置于液体中的传感部分失效或者损坏，因此，现有技术中的检测装置及检测方法，还不能在高温液体介质中直接使用；而且，使用时也缺乏空间定位功能，无法实现三维声场测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其结构简单，设计新颖合理，通过采用耦合剂套筒连接波导杆和水听器，能够使用耐高温耐腐蚀波导杆将待检测高温液体介质中的声信号导入声波耦合剂中，在信号传导的同时，实现了高温环境的隔离；在常温的声波耦合剂中，声信号最终由常规水听器进行采集，获取声场检测数据，解决了现有技术中的检测装置无法在高温液体介质内检测声场的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，包括声场检测传感器、数据采集处理系统和用于带动声场检测传感器在三维空间内运动的空间位移机构，所述声场检测传感器包括水听器和用于伸入高温液体介质内的波导杆，以及上部套装在水听器上、下部套装在波导杆上的耦合剂套筒，所述耦合剂套筒的中部空间为耦合剂腔，所述耦合剂腔内填充有声波耦合剂，所述水听器的感应元件设置在声波耦合剂中。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器、信号采集卡和数据处理器，所述水听器的电信号输出端与信号放大器的输入端连接。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述空间位移机构包括五轴位移器和与五轴位移器的移动端连接的吸振器，所述吸振器连接在所述耦合剂套筒上。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述波导杆由耐高温材料制成。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述波导杆由石英材料或陶瓷材料制成。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述波导杆的形状为棒状、L形或U形。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述耦合剂套筒上部内壁与水听器外壁之间设置有第一密封圈，所述耦合剂套筒下部内壁与波导杆外壁之间设置有第二密封圈。
上述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，所述声波耦合剂为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够方便地检测高温液体介质内的声信号、解决了现有技术中的测量方法无法在高温液体介质内检测声信号的问题的高温液体介质内声信号进行检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高温液体介质放置在液态介质容器中，将所述声场检测传感器的波导杆浸入高温液体介质内；
步骤二、波导杆将高温液体介质内的声信号传输到声波耦合剂中；
步骤三、声信号在声波耦合剂中传播并被水听器感知；
步骤四、将水听器输出的电信号采用数据采集处理系统进行显示和记录；
以上步骤二和步骤四中，通过五轴位移器动作，改变声场检测传感器在三维空间内的位置，实现三维声场测量。
上述的方法，所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器、信号采集卡和数据处理器，所述水听器的电信号输出端与信号放大器的输入端连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，结构简单，设计新颖合理，通过采用耦合剂套筒连接波导杆和水听器，能够使用耐高温耐腐蚀波导杆将待检测高温液体介质中的声信号导入声波耦合剂中，在信号传导的同时，实现了高温环境的隔离；在常温的声波耦合剂中，声信号最终由常规水听器进行采集，获取声场检测数据，解决了现有技术中的检测装置无法在高温液体介质内检测声场的问题。
2、本发明的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，通过设置第一密封圈和第二密封圈，能够有效防止声波耦合剂泄露，不仅能够保证声信号检测传感器的检测精度，还能避免对被测液态介质造成污染。
3、本发明的高温液体介质内声信号检测方法，方法步骤简单，实现方便，能够方便地检测高温液体介质内的声信号，解决了现有技术中的测量方法无法在高温液体介质内检测声信号的问题。
4、本发明通过设置空间位移机构，能够带动声场检测传感器在三维空间内运动，具有了空间定位功能，能够实现三维声场测量。
综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，能够方便地检测高温液体介质内的声场信号，且具有空间定位功能，能够实现三维声场测量，解决了现有技术中的检测装置及检测方法不能在高温液体介质中直接使用以及缺乏空间定位功能、无法实现三维声场测量的问题，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例3中高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置的结构示意图；
图4为本发明高温液体介质内三维声场测量方法的方法流程框图。附图标记说明:
1—高温液体介质； 2—波导杆； 3—耦合剂套筒；
4—声波耦合剂； 5—水听器； 5-1—感应元件；
6—声波发生器； 7—耦合剂腔； 8—液态介质容器；
9—第一密封圈； 10—第二密封圈； 11—信号放大器；
12—信号采集卡； 13—数据处理器； 14—五轴位移器；
15—吸振器。
具体实施方式
下面通过实施例1、实施例2和实施例3对本发明的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置进行说明，并通过实施例4对本发明的高温液体介质内三维声场测量方法进行说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，包括声场检测传感器、数据采集处理系统和用于带动声场检测传感器在三维空间内运动的空间位移机构，所述声场检测传感器包括水听器5和用于伸入高温液体介质1内的波导杆2，以及上部套装在水听器5上、下部套装在波导杆2上的耦合剂套筒3，所述耦合剂套筒3的中部空间为耦合剂腔7，所述耦合剂腔7内填充有声波耦合剂4，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中。
所述高温液体介质1的温度范围为300℃～2000℃。
具体实施时，所述水听器5的电信号输出线位于耦合剂套筒3上方。所述耦合剂套筒3为上端开口与水听器5相配合、下端开口与波导杆2相配合、上下连通的管状物。所述耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，是用于整个声场检测传感器固定的部位。
本实施例中，所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器11、信号采集卡12和数据处理器13，所述水听器5的电信号输出端与信号放大器11的输入端连接。
具体实施时，所述数据处理器13为计算机。
本实施例中，所述空间位移机构包括五轴位移器14和与五轴位移器14的移动端连接的吸振器15，所述吸振器15连接在所述耦合剂套筒3上。
本实施例中，所述波导杆2由耐高温材料制成。
本实施例中，所述波导杆2由石英材料或陶瓷材料制成。
具体实施时，对于高温液体介质1，采用的波导杆2必须在被检测的高温液体介质1温度下具有良好的声信号(机械波)传导性能，例如，800℃金属铝熔体，可以采用耐温1200℃以上的石英材料的波导杆2。
本实施例中，所述波导杆2的形状为棒状。
本实施例中，所述耦合剂套筒3上部内壁与水听器5外壁之间设置有第一密封圈9，所述耦合剂套筒3下部内壁与波导杆2外壁之间设置有第二密封圈10。
具体实施时，所述第一密封圈9和第二密封圈10均采用橡胶密封圈，通过设置第一密封圈9和第二密封圈10，能够有效防止声波耦合剂4泄露，不仅能够保证声信号检测传感器的检测精度，还能避免对被测高温液体介质造成污染。
本实施例中，所述声波耦合剂4为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。
具体实施时，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中，即将水听器5的感应元件5-1完全浸入声波耦合剂4中。所述声波耦合剂4能够高效传播声信号。
具体实施时，所述水听器5为压电水听器、磁致伸缩水听器和光纤水听器等类型的常规水听器。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1不同的是，所述波导杆2的形状为L形，其余结构均与实施例1相同。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1不同的是，所述波导杆2的形状为U形，其余结构均与实施例1相同。
实施例4
如图4所示，本发明的高温液体介质内声信号检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将高温液体介质1放置在液态介质容器8中，将所述声场检测传感器的波导杆2浸入高温液体介质1内；
具体实施时，由于为了避免造成声信号检测传感器损伤，水听器5和波导杆2均不能被用于夹持或固定，因此耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，通过手持耦合剂套筒3或机械臂夹持耦合剂套筒3的方式，将整个声信号检测传感器固定，并将波导杆2浸入高温液体介质1内；
步骤二、波导杆2将高温液体介质1内的声信号传输到声波耦合剂4中；
步骤三、声信号在声波耦合剂4中传播并被水听器5感知；
步骤四、将水听器5输出的电信号采用数据采集处理系统进行显示和记录。数据采集系统显示和记录的电信号能够用于进一步分析处理，用于定量分析所施加在高温液体介质1中的振动本征特性与产生的对金属凝固过程或化学反应过程的影响效果之间的直接关系等。
以上步骤二和步骤四中，通过五轴位移器14动作，改变声场检测传感器在三维空间内的位置，实现三维声场测量。
本实施例中，所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器11、信号采集卡12和数据处理器13，所述水听器5的电信号输出端与信号放大器11的输入端连接。
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)

1.一种高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：包括声场检测传感器、数据采集处理系统和用于带动声场检测传感器在三维空间内运动的空间位移机构，所述声场检测传感器包括水听器(5)和用于伸入高温液体介质(1)内的波导杆(2)，以及上部套装在水听器(5)上、下部套装在波导杆(2)上的耦合剂套筒(3)，所述耦合剂套筒(3)的中部空间为耦合剂腔(7)，所述耦合剂腔(7)内填充有声波耦合剂(4)，所述水听器(5)的感应元件(5-1)设置在声波耦合剂(4)中。
2.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器(11)、信号采集卡(12)和数据处理器(13)，所述水听器(5)的电信号输出端与信号放大器(11)的输入端连接。
3.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述空间位移机构包括五轴位移器(14)和与五轴位移器(14)的移动端连接的吸振器(15)，所述吸振器(15)连接在所述耦合剂套筒(3)上。
4.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述波导杆(2)由耐高温材料制成。
5.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述波导杆(2)由石英材料或陶瓷材料制成。
6.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述波导杆(2)的形状为棒状、L形或U形。
7.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述耦合剂套筒(3)上部内壁与水听器(5)外壁之间设置有第一密封圈(9)，所述耦合剂套筒(3)下部内壁与波导杆(2)外壁之间设置有第二密封圈(10)。
8.按照权利要求1所述的高温液体介质中具有空间定位功能的声场检测装置，其特征在于：所述声波耦合剂(4)为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。
9.一种利用如权利要求1所述声信号检测传感器对高温液体介质内声信号进行检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将高温液体介质(1)放置在液态介质容器(8)中，将所述声场检测传感器的波导杆(2)浸入高温液体介质(1)内；
步骤二、波导杆(2)将高温液体介质(1)内的声信号传输到声波耦合剂(4)中；
步骤三、声信号在声波耦合剂(4)中传播并被水听器(5)感知；
步骤四、将水听器(5)输出的电信号采用数据采集处理系统进行显示和记录；
以上步骤二和步骤四中，通过五轴位移器(14)动作，改变声场检测传感器在三维空间内的位置，实现三维声场测量。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器(11)、信号采集卡(12)和数据处理器(13)，所述水听器(5)的电信号输出端与信号放大器(11)的输入端连接。
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