掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量儀的製作方法
2023-05-14 17:07:11
本發明涉及超聲波液固兩相流測量、水文儀器、泥沙粒徑技術領域，特別是涉及一種掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量儀。
背景技術：
水是生命之本，是現代工業的重要組成部分。我國現階段的水資源問題日益突出，河流懸移質的研究對於自然界的水循環、分布和利用都有著很大的影響。
河流懸移質的粒徑的大小和分布可以反映出河流水體運動的信息，對於水利工程的建造和水利機械的保護都有著指導性的意義。
測量懸移質粒徑的方法從耗費大量人力的篩分法、稱重法、粒徑計法、吸管法、消光法和離心法，到後來的顯微鏡法、沉降法、電感應法(庫爾特法)量、光散射法、全息照相法等，逐漸向著高精度,高自動化的方向發展。其中電感應法解析度高、重複性好，光散射法測量範圍廣、可在線非接觸測量方便、兩者快速方便，均有著不錯的前景。但由於測量原理，電感應法動態範圍窄，光散射法無法對不透光流體進行測量。超聲波具有穿透力強、束射性好、能量大等特點，在固-液兩相、濃度較高的場合具有廣闊的應用前景。
超聲波法的懸移質粒徑是利用超聲波在水中傳播時在介質中發生各種反射折射現象導致的衰減測量的。衰減的程度用衰減係數表徵，衰減係數與懸浮顆粒和水體密度、顆粒的濃度、顆粒粒徑、超聲波頻率以及流體動力黏滯係數等密切相關。現有的超聲粒徑或濃度測量儀器均採用平面式超聲換能器，僅使用一個超聲波換能器放置在流體一側形成自收自髮式測量系統或者將兩個換能器放置在流體兩側或一側形成一收一髮式。由於懸移質顆粒粒徑的跨度極大，物質狀態情況不一，密度也各不相同，超聲波在眾多不同的顆粒表面的反射波完全不同。另一方面，同一顆粒由於表面因素對不同的入射波也會產生不同的效果。在自然界測量時，流體信息不全面，同時每個顆粒的反射波也將相互影響，採用一般的超聲波模型無法準確描述。目前，對現有模型的不斷完善以及建立新的物理模型已成為當前PSD測量的研究熱點，且有著與納米測量接軌的趨勢。
掃頻技術是電子測量中的一種重要技術,廣泛用於調頻放大器、寬頻帶放大器、各種濾波器、鑑相器以及其他有源或無源網絡的頻率特性的測量，超聲衰減與頻率密切相關，為了更好地獲得粒徑信息，需要在不同地方採用不同頻率，掃頻信號源是整個測量系統設計的關鍵環節之一。
聚焦式超聲波換能器發出的超聲波在介質傳播時，由於外部噪聲、介質不均勻等原因使得到達聲波和反射聲波之間出現聲場幹涉的現象。在空間中形成幹涉條紋並產生聚焦，使得聲耗散大大減小，聲束方向性好。能量集中。目前聚焦式超聲波換能器被廣泛應用於腫瘤治療中，在超聲波測量中有著很好的前景。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量儀。本發明操作簡單，安全性高，在提高解析度和靈敏度的同時有著更廣的測量範圍和良好的適應性。
本發明所採用的技術方案是：
本發明包括一發一收式的一對聚焦式超聲波換能器、探測箱體、電纜繩、控制主機和相應電路，所述的聚焦式超聲波換能器採用球形陣列聚焦方式，發送端的聚焦式超聲波換能器將相應電路中的信號發生器產生的掃頻信號轉化為有方向性的超聲波束，被中心頻率一致的接收端的聚焦式超聲波換能器接收。所述的相應電路包含信號發生模塊和信號處理模塊。所述的信號發生模塊的核心為基於DDS的掃頻信號發生器。所述的信號處理模塊包括信號採集電路、放大電路、濾波電路和A/D轉換電路，信號處理模塊與接收端的聚焦式超聲波換能器相連。所述的探測箱體為長方體形，通過電纜繩與水上的控制主機相連，探測箱體的一對側面上安裝所述的一對聚焦式超聲波換能器，探測箱體貫通，使得懸移質水體能夠流通。所述的控制主機為長方體盒體，內含小型發電機和控制晶片。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、採用了聚焦式超聲換能器，大大減小了超聲在傳播過程中的散射衰減，使得能量更加集中，接收探頭得到的能量大幅提高，衰減信息更加全面，利於信號分析和衰減模型的建立。
2、在信號發生源處加上掃頻設計，使用寬頻帶的超聲波換能器，超聲探頭可以和信號發生器良好地匹配，在不同工況下採用合適頻率的超聲波，擴大了測量範圍，提高了儀器的適應性、實用性和測量精度。
附圖說明
圖1為聚焦式超聲波探頭示意圖；
圖2為測量原理圖；
圖3為掃頻信號發生電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
探測箱體9為擁有四個完整側面一個長方體，另外兩個對立面開通，使懸移質水體可以流通，兩個聚焦式超聲波換能器1、2對稱貼在所述探測箱體9的一對側面上。橫截面為弧形的外殼12包裹在所述的聚焦式超聲換能器所在的面，減小探測箱體9外部流體流動的阻力的同時有利於超聲換能器的保護。電纜8一端連著發動機7，另一端與所述的超聲波發射換能器1相連，在控制主機中輸入下降指令後，啟動發動機7，將電纜8下放相應的距離，所述的探測箱體9放入至水下且兩個聚焦式超聲換能器1、2完全浸沒在水中。
在顯示屏62上輸入想要的波形以及掃頻信號產生所需要的時間頻率的相關的一系列參數61，加法器63和掃頻速度控制單元68分別通過參數產生掃頻信號對應的頻率控制字64和速度控制字69。所述的速度控制字69經計數器610累計到加法器63中，所述的頻率控制字64存儲在存儲器65中，傳達到DDS信號源66中。所述的DDS信號源66根據參數61、頻率控制字64和速度控制字69產生數字掃頻信號67。
所述的數字掃頻信號67在電纜繩8中傳播，傳到了聚焦式超聲波發射換能器1中。所述的聚焦式超聲波換能器1、2採用了球形陣列聚焦方式，在半球形的殼體11上布滿了大量大小一致形狀相同的陣列單元12。所述的掃頻信號到達發射超聲探頭1中時，由於各個陣列單元12接收再發射出去的超聲波存在的相位差，各束波間發生了幹涉作用，傳播過程中逐漸形成一束能量集中的主波束，散射損失大大減小的前提下，接收超聲探頭2接收到的掃頻信號67的能量也大大增加，提高了整個系統的靈敏度的測量精度。所述的聚焦式超聲探頭1、2的中心頻率為1.13MHz，故所述的掃頻信號67的頻率值不能偏離1.13MHz太遠。所述的聚焦式接收換能器2把接收到的衰減信號通過電纜傳輸到信號採集卡3中。
所述信號採集卡3完成了信號採集、放大、濾波等處理，使信號可以被更好地後續處理。A/D晶片4將信號進行數模轉換，用基於程式語言matlab的DSP晶片5進行數據處理和運算。
所述的信號發生模塊的核心為基於DDS的掃頻信號發生器6，可用DSP、單片機等彙編語言實現掃頻功能。所述的信號處理模塊包括信號採集、放大、濾波、A/D轉換等。所述的探測箱體為長方體形，通過電纜與水上的控制主機相連。所述的電纜一邊連接探測箱體，另一邊與電動機相連，可以到達電纜長度範圍內的水下任意深度。所述的控制主機為長方體盒體，內含小型發電機和控制晶片5。所述的信號處理的目標信號和粒徑大小間的換算公式基於超聲衰減法，由實驗可以獲得。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。