一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，包括步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；步骤二、野外实时浓度测量：选择铅鱼作为测量系统的载体，在铅鱼内部预留空间用于放置数据采集传输系统，进行数据采集后以步骤一中标定的结果为基础，现场测量时针对标定结果中浓度和幅值关系，对实测幅值数据进行反演得到浓度值。本发明专利技术可以提供高频率工作环境，弥补了高浓度条件下声衰减过大而无法得到可靠数据的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法
本专利技术涉及天然河流中悬浮泥沙测量领域，具体是一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法。
技术介绍
天然河流中悬浮泥沙实时测量，是为水利工程前期设计、投入运行、后期维护等方面的研究提供可行条件的重要任务之一。河流水沙运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度级配的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法等，后面两种通常用于现场测量。传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式，将所取样本经烘干、筛分、称重等一系列操作计算得到相应的浓度值和级配分布，属于线下测量，且费时费力；光学检测方法大致可分为透射法、浊度法、光学背向散射法(opticalbackscatter，OBS)和激光衍射法(Laserdiffraction)，不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和LISTT系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求。声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙参数，超声测量设备具有能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。苏明旭(CN104833619A)提出一种改进超声衰减谱原理测量固体颗粒粒径和浓度的方法，利用声衰减法通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射波出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径和浓度，但在高频不同粒径颗粒的超声衰减差异才能体现出来。程恩(CN109738344A)提出一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，计算超声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，通过迭代计算悬浮泥沙浓度，但是需要在入海口布置水下声信号发送端和接收端，结构上不够灵活。国外学者提出利用声压方程建立声学模型，并提出引入颗粒粒径分布的积分函数提高浓度测量精度，但是只能在给定的级配分布下计算，具有很大的局限性。基于背向散射原理的ADV和ADCP等设备，通过提前标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息，量程十分有限。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，以解决现有悬移质颗粒参数测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性。一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，其采用超声含沙量测量系统进行，包括所述超声含沙量测量系统包括浓度测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述浓度测量探头承担信号接收和发射作用，由个不同频率的单频探头组成，单频探头由超声整流块、发射晶片、接收晶片组成，由不锈钢外壳封装成为一体，所述信号采集传输系统用于将浓度测量探头采集的超声回波信号传送给用户端，所述方法包括如下步骤；步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，开始测量之前先利用搅拌器使待测水体内形成相对均匀的浓度场，待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；步骤二、野外实时浓度测量：选择铅鱼作为测量系统的载体，根据浓度测量探头的尺寸定做探头支架，将浓度测量探头固定在铅鱼上，在铅鱼内部预留空间用于放置数据采集传输系统，搭载有测量系统的铅鱼在待测河段放入水中，电路接通之后，在用户端上设置参数，进行数据采集以步骤一中标定的结果为基础，现场测量时针对标定结果中浓度和幅值关系，对实测幅值数据进行反演得到浓度值。进一步的，所述信号采集传输系统由采集盒、数据传输设备和电源组成，采集盒分别连接浓度测量探头和数据传输设备，整个采集传输系统通过数据传输设备和用户端连接。进一步的，单频探头各个部件的位置从探头最前端开始，按照整流块、接收晶片和发射晶片的顺序依次布置，整流块位于探头最前端，利用自身声阻抗特性缩短回波到接收晶片的距离，接收晶片为环状，紧贴整流块，发射晶片与接收晶片不在同一平面，而是位于探头最深处，和浓度测量探头的轴线垂直。进一步的，4个不同频率的单频探头8组成，采用内聚式组装，单个探头轴线与中轴线的夹角为30°。进一步的，所述浓度测量探头中的发射晶片和接收晶片均是由新型压电复合材料制成。本专利技术特点及有益效果：对于浓度计算，通过时域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同时刻的相似性和关联性；与现有技术相比，由于本专利技术采用了压电复合材料作为传感器，可以提供高频率工作环境，弥补了高浓度条件下声衰减过大而无法得到可靠数据的不足；探头系统测量从声信号分析出发，通过采集颗粒对超声波的散射信号来实现含沙浓度的测量，对散射数据进行相应的数字信号处理得到声强等信息，再反演得到泥沙浓度，省去了繁琐费时的现场标定工作，可以进行线上实时测量；测量探头的尺寸相较已有设备大大减小，探头直径控制在2cm以内，测量盲区小。附图说明图1为本专利技术方法所采用的超声含沙量测量系统的部分结构示意图；图2(a)为本专利技术中浓度测量探头的侧面剖视图，图2(b)为本专利技术中浓度测量探头的正视图；图3为本专利技术进行室内标定时装置的结构示意图；图4为本专利技术泥沙的粒径分布图(横坐标为直径，纵坐标为累计百分比含量)；图5(a)为不同浓度条件下幅值与到探头距离之间的关系，图5(b)为不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；图6为本专利技术超声含沙量测量系统搭配铅鱼使用进行河流泥沙浓度测量的结构示意图。图中：1、浓度测量探头，2、采集传输系统，3、采集盒，4、路由器，5、电源，6、用户端，7、待测水体，8、单频探头，9、整流块，10、发射晶片，11、接收晶片，12、不锈钢外壳，13、固定支架，14、搅拌器，15、探头支架，16、铅鱼。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。超声波在传播过程中如碰到随机分布散状颗粒，会发生透射、漫反射、衍射和全反射。Rayleihg最先提出了单个刚性小球单位面积的散射强度系数T的计算公式：式中：I入为入射波强度，I散为1m远处球体散射波的强度；a为小球的半径；k＝2π/λ为波数，λ＝C/f为波长；C为波速，f为频率；k＝Dπ/λ，D为小球直径；e为沙与水的弹性比；γs、γ为泥沙和水的比重；θ为入射波与散射波的夹角。对于某一固定发射频率的探头，利用背向散射系统测量悬移质浓度SSC时，建立声压方程：式中：r是测点到接收传感器的距离，V是测点的声压，ψ是传感器近场处由于球面散射作用的修正系数，kt是系统参数，ks本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，其特征在于采用超声含沙量测量系统进行，包括所述超声含沙量测量系统包括浓度测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述浓度测量探头承担信号接收和发射作用，由个不同频率的单频探头组成，单频探头由超声整流块、发射晶片、接收晶片组成，由不锈钢外壳封装成为一体，所述信号采集传输系统用于将浓度测量探头采集的超声回波信号传送给用户端，所述方法包括如下步骤；/n步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，开始测量之前先利用搅拌器使待测水体内形成相对均匀的浓度场，待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；/n步骤二、野外实时浓度测量：选择铅鱼作为测量系统的载体，根据浓度测量探头的尺寸定做探头支架，将浓度测量探头固定在铅鱼上，在铅鱼内部预留空间用于放置数据采集传输系统，搭载有测量系统的铅鱼在待测河段放入水中，电路接通之后，在用户端上设置参数，进行数据采集以步骤一中标定的结果为基础，现场测量时针对标定结果中浓度和幅值关系，对实测幅值数据进行反演得到浓度值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于新型多频超声探头的悬移质含沙量测量方法，其特征在于采用超声含沙量测量系统进行，包括所述超声含沙量测量系统包括浓度测量探头、信号采集传输系统、用户端，所述浓度测量探头承担信号接收和发射作用，由个不同频率的单频探头组成，单频探头由超声整流块、发射晶片、接收晶片组成，由不锈钢外壳封装成为一体，所述信号采集传输系统用于将浓度测量探头采集的超声回波信号传送给用户端，所述方法包括如下步骤；
步骤一、实验室内标定：将浓度测量探头固定在固定支架上，然后伸入浓度未知的待测水体中，开始测量之前先利用搅拌器使待测水体内形成相对均匀的浓度场，待电路接通之后，打开用户端上相应的软件，调节参数直到界面上出现清晰正常的回波，进行数据采集和幅值计算，通过测量已知粒径分布不同浓度泥沙悬浊液的声信号，计算幅值，得到不同浓度条件下幅值与浓度之间的关系；
步骤二、野外实时浓度测量：选择铅鱼作为测量系统的载体，根据浓度测量探头的尺寸定做探头支架，将浓度测量探头固定在铅鱼上，在铅鱼内部预留空间用于放置数据采集传输系统，搭载有测量系统的铅鱼在待测河段放入水中，电路接通之后，在用户端上设置参数，进行数据采集以步骤一中标定的结果为基础，现...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文俊，景思雨，林海立，薛强，宫平，陈越，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42