CN112525778A - 一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，包括步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率‑粒径数据对应表；步骤二、配合测量环境，将粒径测量探头固定在相应的载体上，将固定有粒径测量探头的载体放入待测水体中，将粒径测量探头与连采集传输系统连接；步骤三、在用户端设置参数，采集数据并进行计算，结合已有的频率‑粒径对应表反推得到实测的粒径组成。本发明从声信号分析出发，通过直接对水体中散射信号的处理来实现颗粒粒径测量，可以进行线上实时测量，测量系统结构简单。

Description

一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法

技术领域

本发明涉及河流泥沙检测技术领域，具体是一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法。

背景技术

颗粒粒度分析在许多领域有着广泛的应用，天然河流中悬浮泥沙的浓度与级配参数的测量，可以为水资源的开发利用、防洪减灾以及流域生态环境建设的决策提供重要的参数。现已有的悬移质泥沙粒径的测量方法有：沉降法、筛分法、光学检测法、声学检测法、图像观测法以及B超成像等。

沉降法广泛应用于细颗粒的粒度测量，尤其是吸管法，现在还被用作为其他沉降方法的检验标准，但这种方法只适用于室内测量，而且测量周期较长；筛分法采用烘干、筛分、称重的模式，测量精度高，但耗时耗力；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(opticalbackscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)，由于不同基质、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，激光粒度仪虽然测量精度高，但无法在野外作业时使用；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，现有的水中悬沙粒径测量装置，测量时含沙水体通常需要进入到测量仪器内，从而引起误差。

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。但是在选择声学模型时，必须要考虑到各种因素对于信号的影响效应。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、计算超声子散射波出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径以及浓度。薛明华(宽频超声衰减法测量河流泥沙粒径分布)提出采用宽频超声传感器测量了泥沙的级配，设计一个矩形样品池，一个侧面嵌入有机玻璃整流块，对面为不锈钢反射板，利用2.0～7.5MHz的宽频传感器发射和接收超声波信号，检测整流块与样品池界面的第一次回波和钢板反射的第二次回波，分析两次回波信号衰减的强度差，建立概化模型经过反演计算得出泥沙颗粒的级配。该方法受频带宽度所限，适用于粒径范围在20～100μm内的极细颗粒，需要布置反射钢板的结构形式亦不利于在河流中的现场实时测量。基于背向散射原理多为用ADV和ADCP等设备测量，仅能得到浓度，无法测量级配，且精度和量程均有限。

发明内容

本发明提出一种基于新型多频压电超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，打破野外作业线上实时测量粒径技术的瓶颈，开发一种能在天然河流中进行粒径分布测量的方案，解决长期以来泥沙级配线下测量的局限性。

一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，采用超声探头测量系统实现，所述超声探头测量系统包括粒径测量探头、采集传输系统、用户端，所述粒径测量探头承担信号接收和发射作用，由4个不同发射频率的单频探头组成，所述单频探头包括整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，所述发射晶片和接收晶片均是由压电复合材料制成；所述采集传输系统用于将粒径测量探头采集的信号传送给用户端；所述方法包括如下步骤：

步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率-粒径数据对应表；

步骤二、配合测量环境，将粒径测量探头固定在相应的载体上，将固定有粒径测量探头的载体放入待测水体中，将粒径测量探头与连采集传输系统连接；

步骤三、在用户端设置参数，采集数据并进行计算，结合已有的频率-粒径对应表反推得到实测的粒径组成。

进一步的，4个单频探头采用内聚式组装，单个探头轴线与中轴线的夹角为30°。

进一步的，所述载体为铅鱼。

进一步的，所述采集传输系统包括采集盒、路由器和电源，采集盒分别连接声含沙量测量探头和路由器，电源为采集盒、路由器提供工作电源，路由器和用户端连接。

本发明特点及有益效果：利用声散射法测量悬移质粒径，与现有技术相比，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，采用多频率工作模式，能够满足宽级配分布的粒径测量；针对不同粒径级的颗粒，选择使其处于瑞利区范围内的发射频率，减小颗粒之间相互影响带来的误差，测量结果更加准确；探头系统测量从声信号分析出发，通过直接对水体中散射信号的处理来实现颗粒粒径测量，可以进行线上实时测量，测量系统结构简单；测量成本低，操作方便灵活。

附图说明

图1为本发明基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法采用超声探头测量系统的结构示意图；

图2(a)为本发明粒径测量探头的侧面剖视图；图2(b)为本发明粒径测量探头的正视图；

图3为本发明瑞利函数图；

图4为本发明颗粒散射信号频谱图；

图5为本发明粒径测量探头搭载在铅鱼上的示意图。

图中：1、粒径测量探头，2、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、回波信号，9、单频探头，10、发射晶片，11、接收晶片，12、整流块，13、不锈钢外壳，14、固定支架，15、铅鱼。

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。

超声波在传播过程中碰到随机分布散状颗粒，发生透射、漫反射、衍射和全反射，在瑞利散射区内(ka<0.6)，颗粒的形状及其之间的相互位置关系对颗粒的声散射场分布影响很小，可以不做考虑。将水体中泥沙颗粒看作待测对象，Rayleigh提出如下函数关系来计算瑞利区内单个圆球颗粒散射强度系数：

式中：I_入为入射波强度，I_散为在1m远处球体散射波的强度；a为小球的半径；k＝2π/λ为波数，λ＝C/f为波长；C为波速，f为频率；k＝Dπ/λ，D为小球直径；e为沙与水的弹性比；γ_s、γ为泥沙和水的比重；θ为入射波与散射波的夹角。Rayleigh函数绘于图2，其中ψ＝T/πa²。

如图1所示，水体中悬浮的泥沙颗粒，在探头测量范围之内，会对声波进行散射。入射波一定，根据式1可推算瑞利散射区内颗粒散射信号声强与粒径之间的关系。散射回波信号属于非周期性连续时间信号，记为x(t)，对采集到的散射波序列进行快速傅里叶变换，通过：

将时域信号转变为频域信号，并计算得到连续频谱，通过滤波建立粒径分布与频谱图之间的关系。图4是对颗粒散射信号进行快速傅里叶变换之后得到的频谱图。由于实际测量是以粒子群为研究对象，而瑞利散射是以单个颗粒为研究对象，因此还需要考虑粒子之间的相互影响，对结果进行修正。

请参阅图1，本发明基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法采用超声探头测量系统实现，本发明基于超声散射法测量粒径，主要以瑞利散射为原理。

所述超声探头测量系统包括粒径测量探头1、采集传输系统2、用户端6，所述粒径测量探头1承担信号接收和发射作用，由4个不同发射频率的单频探头9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。

所述单频探头9包括整流块12、发射晶片10、接收晶片11，由不锈钢外壳13封装成为一体，各个部件的位置从探头最前端开始，按照整流块12、接收晶片11和发射晶片10的顺序依次布置，整流块12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，而是位于粒径测量探头1最深处，与粒径测量探头1轴线垂直。

所述采集传输系统2包括采集盒3、路由器4和电源5，采集盒3分别连接声含沙量测量探头1和路由器4，电源5为采集盒3、路由器4提供工作电源，路由器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，其可采用pc机；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。

所述粒径测量探头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，整流块12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，根据其材料密度于该物质中超声波的传播速度选取合适的材料，可以选择聚氟乙烯、有机玻璃或者具有良好水生耦合特性的专用产品。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；路由器4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粒径测量探头1外形和结构，并可以固定于各类测量载体(例如铅鱼15)上。

图5所示以铅鱼15作为载体，制作而成的现场测量装置，在铅鱼15内部预留空间用于安装采集传输系统2，将铅鱼15和用户端4以水密电缆连接，测量探头1用固定支架14固定在铅鱼15上。

本发明基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率-粒径数据对应表；

步骤二、配合测量环境，将粒径测量探头1固定在相应的载体(例如铅鱼)上(见图5)，将固定有粒径测量探头1的载体放入待测水体中，将粒径测量探头1与连采集传输系统2连接；

步骤三、在用户端6设置参数，采集数据并进行计算，结合已有的频率-粒径对应表反推得到实测的粒径组成。

本发明提出超声探测原理，对颗粒粒径进行测量，利用新型压电复合材料作为发射和接收装置，测量探头采用自发自收工作模式，将超声探头伸入待测水体中，发射超声波，再对测量区域内的颗粒的声散射信号进行采集，分析回波信号的时域图，和原始信号经过谱分析之后得到水体中粒径分布信息。

本发明测量方法及其装置的测量对象是液体中的悬浮分散的颗粒粒径，可以是河流中的泥沙，也可以是实验室中的颗粒和液体的混合液。

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)

1.一种基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，其特征在于：采用超声探头测量系统实现，所述超声探头测量系统包括粒径测量探头、采集传输系统、用户端，所述粒径测量探头承担信号接收和发射作用，由4个不同发射频率的单频探头组成，所述单频探头包括整流块、发射晶片、接收晶片，由不锈钢外壳封装成为一体，所述发射晶片和接收晶片均是由压电复合材料制成；所述采集传输系统用于将粒径测量探头采集的信号传送给用户端；所述方法包括如下步骤：

步骤一、在室内利用超声探头测量系统进行实验，针对不同级配的泥沙混合液，分析其颗粒频谱，找出粒径和频率之间的对应关系，整理成频率-粒径数据对应表；

步骤二、配合测量环境，将粒径测量探头固定在相应的载体上，将固定有粒径测量探头的载体放入待测水体中，将粒径测量探头与连采集传输系统连接；

步骤三、在用户端设置参数，采集数据并进行计算，结合已有的频率-粒径对应表反推得到实测的粒径组成。

2.如权利要求1所述的基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，其特征在于：4个单频探头采用内聚式组装，单个探头轴线与中轴线的夹角为30°。

3.如权利要求1所述的基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，其特征在于：所述载体为铅鱼。

4.如权利要求1所述的基于新型多频超声探头的悬移质粒径和级配测量方法，其特征在于：所述采集传输系统包括采集盒、路由器和电源，采集盒分别连接声含沙量测量探头和路由器，电源为采集盒、路由器提供工作电源，路由器和用户端连接。

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