本實(shí)用新型涉及聚焦式超聲波換能器對(duì)河流懸濁液的衰減測量、動(dòng)/靜態(tài)泥沙濃度超聲測量裝置，特別是涉及一種超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀。

背景技術(shù)：

河流懸移質(zhì)濃度的準(zhǔn)確測量對(duì)河流泥沙參數(shù)的在線準(zhǔn)確檢測和監(jiān)測、水利水電工程建設(shè)、水文觀測預(yù)報(bào)、水文計(jì)量等領(lǐng)域都具有重要意義，對(duì)灘涂資源的合理利用、河岸植被作物的生長、海口三角帶的變遷和海洋生態(tài)的健康發(fā)展也有著重要影響。

傳統(tǒng)的河流泥沙濃度測量方法包括人工采樣法和間接測量法。人工采樣方法包括烘干法和稱重法，盡管有著精度高的優(yōu)勢卻無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線式測量，且測量周期較長，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其在河流汛期進(jìn)行人工采樣時(shí)存在很大的安全隱患。間接測量法包含了各種基于不同物理學(xué)基本量如光、振動(dòng)、電容、超聲、同位素、比熱等的測量方法。其中，同位素法由于其輻射問題目前已被部分發(fā)達(dá)國家禁用，光電測沙法、同位素法難以在高含沙量情況下進(jìn)行準(zhǔn)確測量，振動(dòng)法在低流速情況下的測量情況不佳，比熱法是近期才興起的方法相對(duì)不成熟。超聲法由于穿透性好、頻帶寬、無干擾、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢能在低濃度取得較高的精度 ，高濃度情況下，隨著泥沙粒子的增多，泥沙粒徑的差別增大，泥沙間相互作用的明顯以及散射情況的復(fù)雜，超聲理論模型的處理難度增加，故不易得到準(zhǔn)確結(jié)果。

傳統(tǒng)的超聲波測量河流懸移質(zhì)濃度的研究中采用平面式超聲換能器，其發(fā)出的聲波在傳輸過程中散射情況復(fù)雜，聲損失大，橫向分辨率和靈敏度受到限制，加之實(shí)際測量水樣組成物的復(fù)雜性和和輻射副作用，其應(yīng)用和發(fā)展受到一定的局限性。聚焦式超聲換能器近年來被廣泛應(yīng)用于超聲清洗和腫瘤治療、醫(yī)療美容等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?；诰劢狗绞娇梢苑譃槁曂哥R聚焦換能器、球面自聚焦換能器、多元自聚焦換能器、電子相控陣聚焦換能器，其中電子相控陣聚焦換能器的聚焦方式可以分為線陣電子聚焦、環(huán)陣電子聚焦以及球面陣列聚焦。 電子相控聚焦換能器由于其靈活可靠等優(yōu)勢在受到了廣大學(xué)者的探討研究，發(fā)展迅速。電子相控陣為一系列按照一定方式排列的壓電陶瓷小陣元，每個(gè)小陣元由單獨(dú)電路控制故彼此間相互獨(dú)立。在相同頻率的信號(hào)激勵(lì)下，每個(gè)陣元以一規(guī)律將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定相位差的一系列超聲波信號(hào)，基于惠更斯原理，各束超聲波間相互干涉，旁瓣間相互抵消，留下一束聚集于特定方向的超聲波束。

目前我國已有大量的學(xué)者和工廠基于超聲衰減法對(duì)河流泥沙濃度的理論模型或進(jìn)行理論推導(dǎo)或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)擬合，致力于研制超聲波泥沙濃度測量儀器，其中部分已經(jīng)在特定場合投入運(yùn)用并取得較理想的成績，但在國家范圍內(nèi)自主研制的用于工業(yè)測量的成熟的超聲波泥沙濃度測量儀并未出現(xiàn)。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)生產(chǎn)出可以在高濃度情況下測量的超聲測量儀器如OPUS系列，但體積龐大且價(jià)格非常昂貴。雖然目前根據(jù)超聲波衰減原理對(duì)河流泥沙的參數(shù)測量研究已有很多，但由于河流水體流動(dòng)形態(tài)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性以及泥沙組成和分布情況的多樣性，因此對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量河流泥沙含量的系統(tǒng)且完整的在線測量儀表還有待研制和完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀，本實(shí)用新型簡單易懂，操作快速便利，對(duì)人體無毒無害，在提高分辨率和靈敏度的同時(shí)可以對(duì)河流懸移質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型包括探測水箱、升降裝置、水上主機(jī)，所述的探測水箱為可升降立方體，包括兩個(gè)聚焦式超聲波換能器、保護(hù)外殼和兩個(gè)可開閉閥門，其中所述的聚焦式超聲波換能器在水平方向?qū)ΨQ安裝于探測水箱的前后兩側(cè)，連線方向垂直于流體流動(dòng)方向，所述的保護(hù)外殼固定在安裝有超聲探頭的兩個(gè)面上以及探測水箱的上面。所述的可開閉閥門兩邊卡于探測水箱的左右兩面?zhèn)冗叺呢Q直槽內(nèi)，槽體一直開至保護(hù)外殼上方，打開時(shí)形成流通管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，關(guān)閉時(shí)可進(jìn)行靜態(tài)測量。所述的探測水箱上方正中間焊接一根固定桿，固定桿在水上用支架和固定塊固定。所述的閥門上端的正中心和另一根固定桿焊接，該固定桿的上端分別固定在兩根平行的滾珠絲桿上，兩邊的滾珠絲桿由同一臺(tái)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)閥門的升降以實(shí)現(xiàn)閥門開閉及動(dòng)靜態(tài)流體測量的切換。

所述的水上主機(jī)通過電纜傳輸信號(hào)使得超聲探頭發(fā)射超聲信號(hào)，探測水箱內(nèi)的接收探頭獲取的信息通過電纜傳輸至水上主機(jī)，所述的水上主機(jī)包括顯示屏、按鍵、支架、外殼和內(nèi)部電路；所述的電路包括控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、存儲(chǔ)和藍(lán)牙模塊以及顯示模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、由于本實(shí)用新型采用了聚焦式超聲波探頭，相對(duì)于傳統(tǒng)的平面式超聲波探頭，本實(shí)用新型超聲探頭發(fā)出的超聲波散射衰減明顯減少，橫向分辨率和靈敏度提高，測量結(jié)果更可靠。

2、由于本實(shí)用新型左右兩側(cè)的閥門可開閉，可以同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)測量。

3、由于本實(shí)用新型采用滾珠絲桿等剛性材料來控制探測水箱的升降，可以對(duì)各個(gè)深度的河流懸移質(zhì)進(jìn)行快速測量以研究懸移質(zhì)在垂直方向的濃度分布情況，相對(duì)繩索類儀器，本實(shí)用新型的探測水箱受到水流的干擾更小。

4、由于本實(shí)用新型設(shè)有藍(lán)牙模塊，用USB得到本次測量數(shù)據(jù)的同時(shí)可以將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行云共享以對(duì)比分析，提高數(shù)據(jù)的利用率。

附圖說明

圖1為總體裝置示意圖；

圖2為探測水箱示意圖；

圖3為探測水箱閥門圖；

圖4為升降裝置組成圖；

圖5為水上主機(jī)圖；

圖6為水上主機(jī)電路模塊圖；

圖7為聚焦式超聲探頭示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

本實(shí)用新型提出的超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，水上主機(jī)1、升降裝置2和探測水箱3三大部分，探測水箱為可升降立方體。所述的探測水箱3包括兩個(gè)聚焦式超聲波換能器31、保護(hù)外殼35和兩個(gè)可開閉閥門33。所述的聚焦式超聲波換能器31在水平方向?qū)ΨQ安裝于探測水箱3的前后兩側(cè)，連線方向垂直于流體流動(dòng)方向，采用電子相控陣列聚焦方式中的球面陣列聚焦，將多個(gè)壓電復(fù)合材料小陣元311置于球面312形成陣列面，通過電路控制各陣元311間的時(shí)差使得相位差的產(chǎn)生，經(jīng)過干涉作用準(zhǔn)確地定位焦點(diǎn)位置使焦點(diǎn)恰好位于兩個(gè)聚焦式換能器31正中間。所述的保護(hù)外殼35用螺絲釘固定在安裝有超聲探頭31的兩個(gè)面上以及探測水箱3的上面用于保護(hù)成本較高的超聲探頭31以及超聲探頭傳輸信號(hào)必需的電纜32。所述的可開閉閥門33兩邊卡于探測水箱3的左右兩面?zhèn)冗叺呢Q直槽34內(nèi)，槽體34一直開至外殼35上方以防閥門33上升過多導(dǎo)致的閥門33與探測水箱3分離難以再次合上，打開時(shí)形成流通管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，關(guān)閉時(shí)可進(jìn)行靜態(tài)測量。所述的探測水箱3上方正中間焊接一根固定桿361，固定桿361在水上用支架27和固定塊24固定。所述的左右兩扇閥門33上端的正中心分別和兩個(gè)固定桿362焊接，固定桿362的上端分別固定在兩根平行的滾珠絲桿21上。所述的保護(hù)殼35和探測水箱上面中心處的空心固定桿362恰好容許聚焦式超聲波探頭31的發(fā)射探頭和接收探頭的兩根電纜32互相絕緣分布。所述的兩邊的滾珠絲桿21由同一臺(tái)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)閥門33的升降以實(shí)現(xiàn)閥門33開閉及動(dòng)靜態(tài)測量轉(zhuǎn)換。所述的水上主機(jī)1通過電纜32傳輸信號(hào)使得超聲探頭31的超聲信號(hào)發(fā)射，探測水箱3接收探頭31獲取的信息通過電纜32傳輸至水上主機(jī)1，由水上主機(jī)1進(jìn)行進(jìn)一步處理。水上主機(jī)1包括顯示屏11、按鍵12、支架13、外殼14和內(nèi)部電路15和接口16；所述的電路15包括控制模塊DSP151、信號(hào)發(fā)生模塊152、傳感器模塊153、信號(hào)采集模塊154、信號(hào)處理模塊155、存儲(chǔ)和藍(lán)牙模塊156以及顯示模塊157。信號(hào)發(fā)生模塊152包括信號(hào)發(fā)生電路1521和激勵(lì)電路1522，信號(hào)采集模塊154包括信號(hào)采集1543、放大1542和濾波1541，信號(hào)處理模塊155包括AD芯片1551和DSP151，存儲(chǔ)和藍(lán)牙模塊156包括藍(lán)牙1561和USB1562以及PC1563。

本實(shí)用新型的工作如下：本實(shí)用新型可用于河流懸移質(zhì)的動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)測量，將電纜32以及電機(jī)的通過接口16與水上主機(jī)1連接，將支架27固定在水上探測船上，按下按鍵12開啟水上主機(jī)1，按下閥門歸位按鍵，閥門底與水箱底齊平。將探測水箱3移至需要測量的地方，按下閥門開鍵，伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿的蝸桿25轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之渦輪26帶動(dòng)同軸的絲桿螺母22轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿21上升固定距離至閥門打開，目標(biāo)水體流過探測水箱。按照具體情況選擇動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量，動(dòng)態(tài)測量時(shí)，閥門可以保持常開狀態(tài)，靜態(tài)測量時(shí)，按下閥門關(guān)鍵，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)蝸輪蝸桿的蝸桿25、渦輪26、絲桿螺母22的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿21下降固定距離至閥門關(guān)閉，目標(biāo)水體靜止在探測水箱內(nèi)。

在水上主機(jī)1的按鍵盤12選擇所需波形，電纜32將電信號(hào)傳遞給超聲波發(fā)射換能器31，電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，聲波在被測介質(zhì)中傳播過程中在各個(gè)粒子表面發(fā)生了各種復(fù)雜的作用，經(jīng)歷了包括散射衰減、吸收衰減等過程到達(dá)超聲接收換能器。控制相控陣列在不同的時(shí)間發(fā)射聲信號(hào)，各束超聲波間存在相位差，經(jīng)過干涉作用，散射衰減大大減小，超聲波在傳播中逐漸向焦點(diǎn)方向聚集，聲波經(jīng)過待測流體后在聚焦后被對(duì)面的接受探頭31收到并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，此時(shí)的電信號(hào)相比于發(fā)射信號(hào)已經(jīng)很小，且包含很多無用雜波，經(jīng)過電纜32傳回到水上主機(jī)1。水上主機(jī)1中的電路系統(tǒng)采集1543超聲換能器接收探頭31傳輸?shù)男盘?hào)，對(duì)于微弱的信號(hào)進(jìn)行放大1542、濾波1543和A/D轉(zhuǎn)換1551，到DSP152中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種處理，經(jīng)過進(jìn)一步去噪后獲取目標(biāo)水體懸移質(zhì)的含沙量。用戶可以選擇利用藍(lán)牙1561功能將數(shù)據(jù)傳送到懸移質(zhì)濃度云共享，與現(xiàn)有的測量結(jié)果進(jìn)行比較分析并對(duì)未來的測量提供數(shù)據(jù)參考，也可利用USB1562設(shè)備將數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)行私有化并到PC1563分析。完成測量后，保持閥門開狀態(tài)使探測水箱徹底干燥。

以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。