[发明专利]一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法

说明书

本发明公开了一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。本发明搭建了一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，同时用筛分法和显微镜法配置不同粒径大小的泥沙样本；对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置；改变超声波频率，在不同的超声波频率下进行一系列以泥沙粒径为变量的实验，获取接收波形的数据；对采集到的信号进行基于希尔伯特变换的相空间分割和符号动态滤波，得到与粒径相关的参数值测度；对不同频率下测度与泥沙粒径的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径测量模型。本发明可以有效减少传播过程中的散射衰减，增加接收换能器处可接受的声能，提高信噪比以及整个测量系统的灵敏度和测量精度。

技术领域

本发明涉及超声波液固两相流测量、信号处理、泥沙粒径技术、模式识别领域，特别是涉及一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。

背景技术

自然水体中的泥沙颗粒问题关系到水利机械、河岸农业、海陆资源、生态环境等多方面的问题。在工业生产的多个领域，包括医疗制药、能源运输等，准确测量液体中的颗粒大小至关重要。

传统的测悬移质粒径的方法包括称重法、粒径计法、吸管法、筛分法、消光法和离心法等。目前广泛应用的测粒方法为：筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法(库尔特法)量、光散射法、及其它方法(如全息照相法等)。筛分法简单易懂，但是测量结果无法精确到具体数值，整体过程要消耗大量劳力，且当颗粒小至一定程度，筛子的工艺难度大以致粒径无法得到区分。沉降法从上世纪70年代大量被运用到如今已经发展出不同分支，操作简单但过程时间长，无法进行实时在线测量，此外颗粒粒径极小时会产生凝聚现象。显微镜法最为直观，但需要人眼识别，无法在线测量，当颗粒过多或者分布过广时，易产生疲劳及发生错误。电感应法快速方便，有着较高的分辨率和重复性，但动态测试范围比较小，孔容易产生堵塞，受电解质浓度的影响比较大。光散射法的测量范围广，快速高效，可在线非接触测量，但分辨率低，当介质透光性较差时无法实现，不适宜窄分布以及高浓度情况测量。

超声波穿透性好、频带宽、无干扰、实时性好，在浓度测量、粒径分布、流型识别等多相流领域均有着很好的应用前景。粒径分布方面的研究多与浓度一起，基于超声波衰减理论，结合实验数据并经过一定的数据处理获得相应的测量模型。由于自然界中悬浮颗粒的尺寸从纳米级到微米级跨度极大，组成成分涵盖固液气三态，颗粒的组成物质极有可能含有多种，不同的粒径大小和颗粒组成情况对超声波的反射及折射不一样。另一方面。颗粒间的相互作用以及颗粒反射的波形间的影响也会导致最终接收波形的改变。衰减情况的复杂性使得一般的超声波模型无法准确描述，悬移质粒径分布（PSD）的测量十分困难。目前，对现有模型的不断完善以及建立新的物理模型已成为当前PSD测量的研究热点。

聚焦式超声波换能器由于其能量大，集中性好，被广泛应用于肿瘤治疗中，其发出的超声波在介质传播时，由于外部噪声、介质不均匀等原因使得到达声波和反射声波之间出现声场干涉的现象。随着空间水平位置变化，声场会有能量起伏，在声场干涉图形边线处形成明暗条纹，其能量汇聚点称为声聚焦点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种扫频式超声波聚焦式泥沙粒径分布在线测量方法。本发明步骤清晰，操作简单，原理易懂，测量准确度高。

本发明所采用的技术方案是：

搭建一套以聚焦式超声波探头为核心的测量装置，同时用筛分法配置不同粒径大小的泥沙样本，用显微镜法获得各个样本的平均粒径。测量前，对测量系统进行调试，准确无误后启动测量装置。改变超声波频率，在不同的超声波频率下进行一系列以泥沙粒径为变量的实验，获取接收波形的数据。

对采集到的信号进行基于希尔伯特变换的相空间分割（ASSP算法）和符号动态滤波（SDF算法），得到与粒径相关的参数值测度。对不同频率下测度与泥沙粒径的散点图进行数据拟合，得到泥沙粒径测量模型。