CN112504926B - 一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法，该系统包括超声含沙量测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述超声含沙量测量探头承担信号接收和发射作用，包括4个不同发射频率的单频超声探头；所述单频超声探头包括超声整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，发射晶片和接收晶片均采用压电复合材料制成；所述信号采集传输系统包括采集盒、数据传输设备和电源，采集盒分别连接超声探头和数据传输设备；数据传输设备与用户端连接。本发明可解决现有颗粒测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性，同时多频结合的方式能够涵盖的粒径范围更广，具有更好的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮泥沙测量技术领域，具体是一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统及方法。
背景技术
天然河流中悬浮泥沙实时测量，是为水利工程前期设计、投入运行、后期维护等方面的研究提供可行条件的重要任务之一。河流水沙运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法等。
传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式尽管测量精度高，但方法较为落后，耗时耗力，无法立即得到所需数据；光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)。不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和LISTT系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求。图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，并且能通过计算得到浓度，但此类仪器设备存在结构方面的不足，难以得到理想的结果。
声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。苏明旭(CN104833619A)提出一种改进超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，利用声衰减法通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径和浓度，但在高频不同粒径颗粒的超声衰减差异才能体现出来。程恩(CN109738344A)提出一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，计算超声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，通过迭代计算悬浮泥沙浓度，但是需要在入海口布置水下声信号发送端和接收端，结构上不够灵活。基于背向散射原理的ADV和ADCP等设备，通过标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，不具备实时测量的能力，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息。
发明内容
本发明提出一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量探头系统及测量方法，以解决现有颗粒测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性，同时多频结合的方式能够涵盖的粒径范围更广，具有更好的准确性。
一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统，其特征在于：包括超声含沙量测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述超声含沙量测量探头承担信号接收和发射作用，包括4个不同发射频率的单频超声探头，用内聚式组装，单个单频超声探头轴线与中轴线的夹角为30°；所述单频超声探头包括超声整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，发射晶片和接收晶片均采用压电复合材料制成；所述信号采集传输系统包括采集盒、数据传输设备和电源，采集盒分别连接超声探头和数据传输设备，电源为采集盒、数据传输设备提供工作电源；数据传输设备与用户端连接。
进一步的，所述单频超声探头中各个部件的位置从探头最前端开始，按照超声整流块、接收晶片和发射晶片的顺序依次布置，超声整流块位于探头最前端，利用自身声阻抗特性缩短回波到接收晶片的距离，接收晶片为环状，紧贴整流块设置，发射晶片与接收晶片不在同一平面，发射晶片位于超声含沙量测量探头最深处，与超声含沙量测量探头轴线垂直。
进一步的，所述数据传输设备为路由器。
6、一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量方法，其特征在于采用权利要求1-3中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将超声含沙量测量探头伸入待测水体中，采集盒的两个端口分别连接超声探头和路由器，路由器的两个端口分别连接采集盒和用户端，采集盒与路由器共用一个电源；
步骤二、待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和浓度计算；
步骤三、改变超声含沙量测量探头在水中的位置，重复上述步骤，以进行不同点的浓度测量；
步骤四、利用超声探测原理，对分布很宽的泥沙级配设计多个不同频率的超声含沙量测量探头，根据超声回波信号各频段能量的变化解译分析，得出悬移质泥沙的级配。
进一步的，步骤四中，同一超声含沙量测量探头设置不同的灵敏度即可测量不同级别的含沙量。
本发明特点及有益效果：与现有技术相比，由于本发明采用了压电复合材料作为传感器，具有灵敏度高、带宽大、声阻抗低的特点，与周围介质的耦合条件更优，适用于高频工作环境，弥补了高浓度条件下声衰减过大而无法得到可靠数据的不足；同时，由于探头系统测量从声信号分析出发，通过采集颗粒对超声波的散射信号来实现含沙浓度的测量，对散射数据进行相应的数字信号处理得到声强等信息(对信号幅值进行线性叠加处理，主要是将叠加后的声强信号与浓度值进行匹配)，再反演得到泥沙浓度，省去了繁琐费时的现场标定工作，可以进行线上实时测量；通过整流块和压电复合晶片的组合设计，本发明测量探头的尺寸相较已有设备大大减小，测量盲区小；测量成本低，操作方便灵活，对流场的干扰十分小。
附图说明
图1为本发明基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统的结构示意图；
图2(a)为本发明中超声含沙量测量探头的侧视图；图2(b)为本发明中超声含沙量测量探头的正视图；
图3为测量探头前端流速分布时所采用装置的结构示意图；
图4为本发明实施例测得探头前端流速分布图，其中i为水槽底坡，H为水深。
图中标记说明：1、超声含沙量测量探头；2、信号采集传输系统；3、采集盒；4、路由器；5、电源；6、用户端；7、待测水体；8、单频超声探头；9、超声整流块；10、发射晶片；11、接收晶片；12、不锈钢外壳；13、水槽；14、激光器；15、流速测量区域；16、CCD相机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统，包括超声含沙量测量探头1、信号采集传输系统2、用户端6，所述超声含沙量测量探头1承担信号接收和发射作用，由4个不同发射频率的单频超声探头8组成，采用内聚式组装，单个探头轴线与中轴线的夹角为30°(如图2(a)和图2(b)所示)。
不同大小的颗粒对于声信号的响应不同，具体体现在信号幅值大小和幅值频率分布上，而不同发射频率的传感器所对应的敏感粒径范围也不同，为适应天然河流中泥沙粒径分布，本发明利用组合频率探测器可以实现宽级配测量。
所述单频超声探头8包括超声整流块9、发射晶片10、接收晶片11，由不锈钢外壳12封装成为一体，各个部件的位置从探头最前端开始，按照超声整流块9、接收晶片11和发射晶片10的顺序依次布置，超声整流块9位于探头最前端，利用自身声阻抗特性缩短回波到接收晶片的距离，接收晶片11为环状，紧贴整流块9设置，发射晶片10与接收晶片11不在同一平面，而是位于超声含沙量测量探头1最深处，与超声含沙量测量探头1轴线垂直。
所述信号采集传输系统2包括采集盒3、数据传输设备4(例如路由器)和电源5，采集盒3分别连接声含沙量测量探头1和数据传输设备4，电源5为采集盒3、数据传输设备4提供工作电源，数据传输设备4和用户端6连接，以将采集的信号传送给用户端6；所述用户端6装有供用户使用的界面和计算程序，不在此详述。
所述超声含沙量测量探头1中的发射晶片10和接收晶片11均是由压电复合材料制成，超声整流块9根据其材料密度与该物质中超声波的传播速度选取合适的材料，本探头选择美国GE公司研发的专用产品；采集盒3主要采用模拟数字混合电路板，设计原则遵循体积小、功耗低、密度高，利用单片FPGA实现数字逻辑控制及信号实时处理传输模块的功能，控制发射波的波形和幅值，并通过外接PHY扩展实现千兆以太网接口；数据传输设备4可以采用控制调解器，即路由器，将采集盒3与用户端6通过网线或者无线进行连接，方便信息读取、波形显示、数据计算；用户端6可以是设计好的专用终端，也可以是装有数据计算系统的PC机；本发明所述超声测量探头1结构轻巧，可以根据不同的测量环境设计相应的超声含沙量测量探头1外形和结构，并可以固定于各类测量载体上。
本发明实施例还提供一种基于复合压电晶片的超声含沙量测量方法，其采用上述系统进行，包括如下步骤：
步骤一、将超声含沙量测量探头1伸入待测水体7中，采集盒3的两个端口分别连接超声探头1和路由器4，路由器3的两个端口分别连接采集盒3和用户端6，采集盒3与路由器4共用一个电源5；
步骤二、待电路接通之后，打开用户端6上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和浓度计算；
步骤三、改变超声含沙量测量探头1在水中的位置，重复上述步骤，以进行不同点的浓度测量；
步骤四、利用超声探测原理，对分布很宽的泥沙级配设计多个不同频率的超声含沙量测量探头1，根据超声回波信号各频段能量的变化解译分析，得出悬移质泥沙的级配；同一超声含沙量测量探头1设置不同的灵敏度即可测量不同级别的含沙量。
超声含沙量测量探头1的前部用整流块的材料加工成覆盖四个单频超声探头8的球冠，超声波往返穿越球冠时与球冠切线均不垂直，存在一定的折射，因其形体复杂，很难进行折射角度的理论计算，需要实际标定得出含沙量级配和回波信号参数之间关系。
为证明测量过程中对流场扰动极小，采用图3所示的装置在动水中对超声探头1前端的流速分布进行测量，所使用的流速测量设备是清华大学研发的PIV流速仪，主要由CCD相机16、激光器14组成，通过激光照亮流速测量区域15，利用CCD相机16拍摄流场图片，在电脑上利用后处理软件进行计算，实验在室内水槽13中进行。本实例测量了水槽底坡i为0.001和0.005的条件下，水深分别为4.6cm，6cm，8cm情况下的流向速度分布，将百分比主流流速分布绘制在图4中，可以看出，到探头最前端距离L＝1.5cm的地方，流速分布就不再受探头的影响，即探头的测量盲区在2cm以内，相较于已有的设备，本探头在结构上的优势十分明显。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统，其特征在于：包括超声含沙量测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述超声含沙量测量探头承担信号接收和发射作用，包括4个不同发射频率的单频超声探头，用内聚式组装，单个单频超声探头轴线与中轴线的夹角为30°；所述单频超声探头包括超声整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，发射晶片和接收晶片均采用压电复合材料制成；所述信号采集传输系统包括采集盒、数据传输设备和电源，采集盒分别连接超声探头和数据传输设备，电源为采集盒、数据传输设备提供工作电源；数据传输设备与用户端连接；所述单频超声探头中各个部件的位置从探头最前端开始，按照超声整流块、接收晶片和发射晶片的顺序依次布置，超声整流块位于探头最前端，利用自身声阻抗特性缩短回波到接收晶片的距离，接收晶片为环状，紧贴整流块设置，发射晶片与接收晶片不在同一平面，发射晶片位于超声含沙量测量探头最深处，与单频超声探头的轴线垂直。
2.如权利要求1所述的基于多频背向散射原理的超声悬移质测量系统，其特征在于：所述数据传输设备为路由器。
3.一种基于多频背向散射原理的超声悬移质测量方法，其特征在于采用权利要求1-2中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将超声含沙量测量探头伸入待测水体中，采集盒的两个端口分别连接超声探头和路由器，路由器的两个端口分别连接采集盒和用户端，采集盒与路由器共用一个电源；
步骤二、待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和浓度计算；
步骤三、改变超声含沙量测量探头在水中的位置，重复上述步骤，以进行不同点的浓度测量；
步骤四、利用超声探测原理，对分布很宽的泥沙级配设计多个不同频率的超声含沙量测量探头，根据超声回波信号各频段能量的变化解译分析，得出悬移质泥沙的级配。
4.如权利要求3所述的基于多频背向散射原理的超声悬移质测量方法，其特征在于：步骤四中，同一超声含沙量测量探头设置不同的灵敏度即可测量不同级别的含沙量。
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