CN114544428B - 一种基于超声导波频散测量液体密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，所述方法包括以下步骤：建立顶端有截断的楔形波导杆垂直插入液面模型，换能器作用于波导杆激发产生超声导波；沿波导杆传播方向进行扫描并绘制B‑scan图，二维傅里叶变换方法或相位谱法得到超声导波的频散关系；波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线，作为参考曲线；将待测液体导波模态的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。本发明为液体密度测定提供了一种可靠的方法，为实现液体密度的快速检测提供指导依据。

Description

一种基于超声导波频散测量液体密度的方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，特别是一种基于超声导波频散测量液体密度的方法。

背景技术

楔形结构材料是一种非常常见的结构材料。厚度非均匀的金属板状结构，特别是金属楔形构件在工业材料及其零部件中有广泛的应用。密度测试已涉及到科学技术和国民经济的每个部门，并在冶金、建筑、石化、煤炭、医疗、贸易、国防以及科学研究等领域中广泛应用。因此，对密度测量的分辨率、安全性、维护的需要、成本等提出了要求。常用的在线液体密度的方法有很多，其中有电容式液体密度计、射线式液体密度计和超声式液体密度计，等体积静浮力比较法等。其中，电容式成本低，在测量中应用较多，但测量准确度不高，维护较为麻烦；射线式可进行非接触的测量，但存在射线的辐射危害，因此，使用较少；超声式液体密度计的应用范围很广，维护方便，对人体没有危害，但是超声波在液体中衰减很快，在特殊环境中影响测量精度。等体积静浮力比较法对待测液体的密度、测量环境与一定的特殊要求。

楔形波是一种特殊的导波，主要存在于楔形结构中，沿楔形波导杆传播。由于它的能量集中，可以以较低的衰减传播很远的距离。此外，楔形波的速度相对于其他导波速度较慢，因此认为可以提高测量精度，这与测量设备的时间分辨率密切相关。此外，当楔形波传播的波导浸入液体中时，声波的速度降低，提高密度的测量精度。

但是，目前还并未有利用导波模态频散间接测量液体密度方面的研究。液体密度测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能够较好确定液体密度位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测的基于超声导波频散测量液体密度的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，包括以下步骤：

1)建立顶端有截断的楔形波导杆模型，波导杆中激发产生导波；

2)根据步骤1)所述顶端有截断的楔形波导杆模型导波沿楔形波导杆尖端方向传播，沿传播方向等间距记录声波波形并绘制Bscan图；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到超声导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系；

3)将波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线，提取单一模态，得到模态频散曲线和密度之间关系，此为参考曲线；

4)楔形波导杆模型浸入待测液体，根据步骤2)测得的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。

进一步的，所述超声导波模态通过等间距记录导波波形获得。

进一步的，所述步骤2)在超声导波沿波导杆方向进行B扫描，得到超声导波模态的频散曲线其具体步骤如下：

超声导波沿波导杆会发生模式分离；控制波导杆的截断，使得超声导波仅存在幅值最强的两个模态，且模态是频散的；对沿波导杆方向传播的声波，等间距记录波形；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系。

进一步的，所述步骤4)中的液体密度通过如下方法确定：

楔形波导杆顶角小于45°，控制截断宽度，使超声导波仅存在A1和A2两个模态；改变波导杆浸入液体密度，分别得到A1模态和A2模态的模态-速度-频率关系；将波导杆浸入密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1和A2两个模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度；

楔形波导杆顶角大于45°，波导杆中仅存在A1模态；改变波导杆浸入液体密度，得到A1模态的模态-速度-频率关系；将波导杆浸入液体密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度。

相比于现有技术，本发明的优点在于：浸入液体中的楔形波导杆，超声导波传播时由于液体的阻力，从而产生含有可用于判断液体密度的信息，通过超声导波模态的频散关系与参考频散曲线比较，本发明能够较好确定液体密度位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测。

附图说明

图1是本发明提供的测量液面密度的一个实施例的流程示意图；

图2是波导杆浸液示意图；

图3是水中超声导波的频散曲线。

其中：1.水槽，2.楔形体波导杆。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，是本发明提供的测量液面密度的一个实施例的流程示意图，所述方法包括：

步骤一，建立顶端有截断的楔形波导杆模型，波导杆中激发产生导波；

建立楔角为θ带截断的楔形体波导杆模型，在波导杆尖端产生超声导波，沿波导杆尖端传播的导波，发生频散；

步骤二，根据所述模型导波沿楔形波导杆尖端方向传播，沿传播方向等间距记录声波波形并绘制Bscan图，得到不同超声导波模态的频散关系；

由于楔形波导杆的特殊几何结构会产生一种具有频散特征的超声导波，超声导波沿波导杆尖端传播，沿传播方向等距取128个点，得到这些点的位移随时间变化的数据矩阵。二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系。

步骤三，根据所述模型得到密度和模态关系的参考曲线；

将波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线。提取单一模态，得到模态频散曲线和密度之间关系，此为参考曲线；

步骤四，根据所述将楔形波导杆模型浸入待测液体，测得的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。

楔形波导杆顶角小于45°，控制截断宽度，使超声导波仅存在A1和A2两个模态。改变波导杆浸入液体密度，分别得到A1模态和A2模态的模态-速度-频率关系。将波导杆浸入密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1和A2两个模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度。同时存在的两个模态提高了液体密度的测量精度，减小误差。

楔形波导杆顶角大于45°，波导杆中仅存在A1模态。改变波导杆浸入液体密度，得到A1模态的模态-速度-频率关系。将波导杆浸入液体密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度。

图2是波导杆浸液示意图，包括

1)空气中，超声导波沿波导杆传播，主要表现出声波的频散，模态分离；

2)超声导波在浸入液体中波导杆部分的传播。空气波导管中超声导波传播到浸液波导杆部分，此时波存在于固体和液体的界面，其波的传播速度和频散受到液体影响。

图3是水中超声导波的频散曲线。

超声波在楔形体波导杆中传播时，出现A1，A2等模态。浸入不同密度液体的波导杆，模态的频散受到液体密度的影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立顶端有截断的楔形波导杆模型，波导杆中激发产生导波；

2)根据步骤1)所述顶端有截断的楔形波导杆模型导波沿楔形波导杆尖端方向传播，沿传播方向等间距记录声波波形并绘制Bscan图；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到超声导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系；

3)将波导杆浸入不同密度的液体，分别得到导波模态的频散曲线，提取单一模态，得到模态频散曲线和密度之间关系，此为参考曲线；

4)楔形波导杆模型浸入待测液体，根据步骤2)测得的频散曲线与参考曲线比较，确定液体密度。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，其特征在于，所述超声导波模态通过等间距记录导波波形获得。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，其特征在于，所述步骤2)在超声导波沿波导杆方向进行B扫描，得到超声导波模态的频散曲线其具体步骤如下：

超声导波沿波导杆会发生模式分离；控制波导杆的截断，使得超声导波仅存在幅值最强的两个模态，且模态是频散的；对沿波导杆方向传播的声波，等间距记录波形；二维傅里叶变换方法或相位谱法对声波模态进行分离，得到导波模态的频散曲线，即模态-速度-频率关系。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声导波频散测量液体密度的方法，其特征在于，所述步骤4)中的液体密度通过如下方法确定：

楔形波导杆顶角小于45°，控制截断宽度，使超声导波仅存在A1和A2两个模态；改变波导杆浸入液体密度，分别得到A1模态和A2模态的模态-速度-频率关系；将波导杆浸入密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1和A2两个模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度；

楔形波导杆顶角大于45°，波导杆中仅存在A1模态；改变波导杆浸入液体密度，得到A1模态的模态-速度-频率关系；将波导杆浸入液体密度未知的液体，通过测量超声导波波形，模态分离得到A1模态的频散曲线，与参考曲线进行比较，确定液体密度。

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