[发明专利]用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统

说明书

本发明涉及一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，采用模块化的设计方案，包括超声相控阵传感器、主控模块、M个收发前端模块和背板，其特征在于，所述的超声相控阵传感器由M个超声相控阵探头均匀分布在被测管段的相同截面位置，每个超声相控阵探头由N个阵元线性排列而成，各个阵元均能够单独进行激励和接收。依据设定的扫描方式产生不同角度的平面波进行扫描，每个超声相控阵探头发射一组不同角度的平面波扫描结束后，切换至其相邻的下一个超声相控阵探头进行激励，直至所有超声相控阵探头按顺序扫描一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集。

技术领域

本发明属于超声层析成像技术领域，涉及一种基于超声投射和反射原理的超声平面波扫描成像系统。

背景技术

多相流动现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工业过程中，对其流动过程参数的准确检测对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率具有十分重要的意义。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。

超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。由于超声波在不同声阻抗介质中的传播速度不同，可以利用超声在多相流介质中的传播特性获取传播通路上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。特别是气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。超声相控阵层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声相控阵探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，如能有效利用超声在多相流中的透射和反射效应，可准确、全面地实现多相流相分布的可视化重建以及分布参数的估计。

传统的基于单晶片超声探头的层析成像技术具有一定的局限性：单探头发射声波为扇形(锥形)，扫描范围窄，宽发射角条件下的旁瓣衰减较大，且超声路径中的气泡投影存在着扩大趋势，不能够实现方向扫描，凹陷面和多气泡情况下图像重建效果精度不高。

超声相控阵技术由于其优越的声束可达性，具有探测范围广、探测角度灵活、探测效率高、探测效果好、探测结果可视等优良特性。其技术核心在于由若干压电晶片组合而成的相控阵阵列探头，通过对探头中每个阵元被激发时间的控制，来实现超声波的相控发射，进而实现波束的偏转和聚焦。

近年来国内相继推出了一些用于工业检测的超声相控阵仪器系统，但此类产品主要用于金属探伤或焊缝检测，扫描方式比较固定且只能连接单个超声相控阵探头进行检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，针对目前用于多相流测量的超声层析成像系统通道数较少、成像精度较低的问题，采用超声相控阵探头提高检测通道数量，使用模块化的设计方案简化大量通道系统的复杂度，同时便于系统的扩展和维护。本发明的技术方案如下：

一种用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统，采用模块化的设计方案，包括超声相控阵传感器、主控模块、M个收发前端模块和背板，其特征在于，

所述的超声相控阵传感器由M个超声相控阵探头均匀分布在被测管段的相同截面位置，每个超声相控阵探头由N个阵元线性排列而成，各个阵元均能够单独进行激励和接收。依据设定的扫描方式产生不同角度的平面波进行扫描，每个超声相控阵探头发射一组不同角度的平面波扫描结束后，切换至其相邻的下一个超声相控阵探头进行激励，直至所有超声相控阵探头按顺序扫描一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集；

所述的主控模块，包括FPGA、DSP、数据存储芯片、USB管理芯片和SRIO交换芯片；通过USB对外接收配置参数，在DSP中依据配置的阵元间距d，波束偏转角度θ和介质声速c计算出相邻两阵元的激励时延间隔Δt：