一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析装置和方法与流程

1.本发明涉及颗粒测量领域，尤其涉及一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析装置和方法。


背景技术：

2.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。
3.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。但是现有技术的超声波测量只采用一个频率的超声波，然而声波的探测范围主要取决于声波信号的频率，因此现有的超声波泥沙浓度测量仪无法实现对水下不同径向范围内的泥沙浓度进行差异性探测的问题。
4.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量仪”，其公告号cn206387695u，包括长方体探测水箱、升降装置、水上主机；所述的探测水箱包括两个聚焦式超声波换能器、保护外壳和两个可开闭阀门；所述的聚焦式超声波换能器在水平方向。对称安装于探测水箱的前后两侧；所述的保护外壳用螺丝钉固定在安装有超声探头的两个面上及上侧面；所述的可开闭阀门两边卡于探测水箱的左右两面侧边的竖直槽内，打开时形成流通管道进行动态测量，关闭时可进行静态测量。但是上述方案存在超声波测量只采用一个频率的超声波无法实现对水下不同径向范围内的泥沙浓度进行差异性探测的问题。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有技术的悬浮泥沙浓度剖析装置无法实现对水下不同径向范围内的泥沙浓度进行差异性探测的问题，提供一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析装
置和方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析装置，包括设置在装置探头内发送电路和接收电路以及与发送和接收电路数据连接的主控模块，所述发送电路和接收电路包括的若干频率互不相同的超声波换能器、fpga芯片、第一数模转换模块、第二数模转换模块组、第一模拟信号放大电路和模拟选择开关。所述模拟选择开关的型号为74hc238。所述主控模块与fpga芯片数据连接，所述faga输出与第一数模转换模块的输入连接，所述第一数模转换模块的输出与第一模拟信号放大电路的输入连接，所述第一模拟信号放大电路输出端经过高功率mos管和变压器与各个不同频率的超声波换能器连接耦合连接；所述模拟选择开关的若干输入端分别与各个不同频率的超声波换能器连接，所述模拟选择开关若干输出端分别第二数模转换模块组中的数模转换模块输入端连接，所述第二数模转换模块组输出与fpga芯片连接。若干频率互不相同的超声波换能器包括三个小型换能器和一个中型换能器，三个小型换能器输出频率范围分别为1m、2m、4m，输出功率为50w；一个中型换能器输出频率范围为500k输出功率为100w。不同频率的超声波换能器，其对水中泥沙的粒径和测量精度相关。频率越高，测量精度越精确，但是水下衰减大，测量距离近。
7.作为优选，所述装置探头包括外壳、插头，所述超声波换能器的探头端面与外壳一端面之间设有树脂水密固化层；所述插头的底座与外壳之间也设有树脂水密固化层。外壳深水耐压，水密性好，适合在水下长期监测。
8.作为优选，还包括压力传感器、温度传感器，所述压力传感器、温度传感器排布设置在所述外壳一端面上。通过压力传感器和温度传感器能够实现水体深度测量，水体流速测量和水体温度测量等功能。
9.作为优选，所述超声波换能器的频率包括500khz 、1mhz、2mhz和4mhz。4个可以发射高频声信号的换能器，每个换能器发射的频率各不相同；一般可监测剖面深度为1-2米；而在疏浚回淤研究中可测剖面深度达20米。
10.作为优选，所述模拟选择开关包括模拟多路复用器。
11.作为优选，所述主控模块包括dsp。dsp处理器是业界功耗最低的浮点数字信号处理器，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长使用寿命的需求。
12.一种采用基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析方法，包括如下步骤，步骤s1：若干超声波换能器通过发送电路分别输出不同频率的超声波到环境中；步骤s2：超声波换能器接收回波信号后通过接收电路转换成数字回波信号传输到主控模块；步骤s3：主控模块对接收到的数字回波信号进行计算处理形成泥沙浓度和泥沙粒径的测量数据并保存。主控模块为dsp，dsp利用fft算法，生成有用信号，通过算法公式分析软件，进行数据信号处理，最终把处理后的有效数据上传给pc机。dsp根据经验算法公式和系统校正，计算获取当前测量的泥沙浓度和泥沙粒径。仪器循环测量输出信号和获取超声回波，通过算法，一次一次实时测量获得泥沙浓度和泥沙粒径。测量数据保存到tf存储卡
上，或者通过以太网，输出到pc电脑，进行实时监控和测量。pc电脑可以部署一定的测量计划，也可以对仪器进行必要的参数配置，参数校正，测量监控和实时数据显示，同时输出各种需要的测量波形，直观和美化测量仪器的测量数据。
13.作为优选，所述步骤s1包括如下细分步骤：步骤s11：mcu通知fpga发送依次发送与超声波换能器对应的各个频率的数字脉冲信号；步骤s12:步骤s1所述的数字脉冲信号发出后经过第一数模转换模块转换为模拟信号输出到第一模拟信号放大电路；步骤s13：步骤s2所述模拟信号经过第一模拟信号放大电路放大后输出为放大信号；放大信号推动高功率mos管发送600v~1000v的交流信号，交流信号通过变压器匹配耦合输出到超声波换能器上。
14.作为优选，所述步骤s2包括如下细分步骤：步骤s21：超声波换能器接收到回波信号，回波信号经模拟选择开关根据回波信号的频率依次选择对应的输入和输出端口后分别输出到第二数模转换模块组中的对应书数模转换模块的输入端；步骤s22：第二数模转换模块组将接收到的模拟回波信号转换成数字回波信号传输给fpga模块。经fpga高速鉴频和滤波，获取超声的回波数据，传送给dsp处理。
15.因此，本发明具有如下有益效果：（1）本发明采用多种频率声系多发多收声系结合，实现对水下不同径向范围内的泥沙浓度。（2）通过压力传感器和温度传感器能够实现水体深度测量，水体流速测量和水体温度测量等功能。（3）探头采用水密性结构，耐压防水，便于在水下长期监测。
附图说明
16.图1是本发明一实施例悬浮泥沙浓度剖析装置电路模块示意图。
17.图2是本发明一实施例多频声学的悬浮泥沙浓度剖析方法流程图。
18.图3是本发明一实施例装置探头结构示意图。
19.图中：1、超声波换能器 2、fpga芯片 3、第一数模转换模块 4、第二数模转换模块组 5、第一模拟信号放大电路 6、模拟选择开关 7、主控模块 8、dsp模块 9、温度传感器 10、外壳。
具体实施方式
20.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
21.实施例：一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析装置及方法，如图1所示的系统包括频率分别为500khz，1mhz、2mhz、4mhz四个收发一体超声波换能器1、温度传感器9、压力传感器、第一数模转换模块3、第一模拟信号放大电路5；第二数模转换模块组4组、模拟选择开关6、dsp模块8，dsp模块8与fpga芯片2数据连接，所述fpga芯片2输出与第一数模转换模块3的输入连接，所述第一数模转换模块3的输出与第一模拟信号放大电路的输入连接，所述第一模拟信号放大电路输出端经过高功率mos管和变压器与各个不同频率的超声波换能器1连接
耦合连接，所述压力传感器和温度传感器9均与fpga芯片2信号连接；所述模拟选择开关的型号为74hc238。
22.模拟选择开关6的若干输入端分别与各个不同频率的超声波换能器1连接，所述模拟选择开关6若干输出端分别第二数模转换模块组4组中的数模转换模块输入端连接，所述第二数模转换模块组4组输出与fpga芯片2连接。
23.发送电路中，fpga输出四路超声波交流信号，分别接500khz，1mhz、2mhz、4mhz收发一体超声波换能器1；不同频率的超声波换能器1，其对水中泥沙的粒径和测量精度相关。频率越高，测量精度越精确，但是水下衰减大，测量距离近。四路发送电路，是按照测量时间先后顺序，依次发送输出不同频率的测量信号；由fpga输出数字信号，然后经过高速数模转换，变成模拟信号，再进行信号放大，去推动高功率mos管发送高达600v~1000v的交流信号，又通过变压器匹配耦合输出到超声波换能器1上。
24.接收电路由四路超声波收发合一换能器，接收超声回波信号后，经四路模拟选择开关6，依次选择对应输出和输入的信号，再经过模拟信号放大，自动增益调整，获取一定波形的模拟信号，进入ad高速转换芯片，将模拟信号转换成数字信号，由fpga读取。
25.经fpga高速鉴频和滤波，获取超声的回波数据，传送给dsp模块8处理。dsp模块8根据经验算法公式和系统校正，计算获取当前测量的泥沙浓度和泥沙粒径。
26.如图3所示，超声波换能器1、温度传感器9、fpga芯片2、第一数模转换模块3、第二数模转换模块组4组、第一模拟信号放大电路和模拟选择开关6设置在装置探头内，装置探头包括外壳10、插头，所述超声波换能器1和温度传感器的探头端面与外壳10一端面之间设有树脂水密固化层；所述插头的底座与外壳10之间也设有树脂水密固化层。外壳10深水耐压，水密性好，适合在水下长期监测。
27.如图2所示，一种基于多频声学的悬浮泥沙浓度剖析方法，包括如下步骤：步骤s1：若干超声波换能器1通过发送电路分别输出不同频率的超声波到环境中；步骤s11：mcu通知fpga发送依次发送与超声波换能器1对应的各个频率的数字脉冲信号；步骤s12:步骤s1所述的数字脉冲信号发出后经过第一数模转换模块3转换为模拟信号输出到第一模拟信号放大电路；步骤s13：步骤s2所述模拟信号经过第一模拟信号放大电路放大后输出为放大信号；放大信号推动高功率mos管发送600v~1000v的交流信号，交流信号通过变压器匹配耦合输出到超声波换能器1上。
28.步骤s2：超声波换能器1接收回波信号后通过接收电路转换成数字回波信号传输到主控模块；步骤s21：超声波换能器1接收到回波信号，回波信号经模拟选择开关6根据回波信号的频率依次选择对应的输入和输出端口后分别输出到第二数模转换模块组4组中的对应书数模转换模块的输入端；步骤s22：第二数模转换模块组4组将接收到的模拟回波信号转换成数字回波信号传输给fpga模块。
29.步骤s3：主控模块对接收到的数字回波信号进行计算处理形成泥沙浓度和泥沙粒
径的测量数据并保存。
30.仪器循环测量输出信号和获取超声回波，通过算法，一次一次实时测量获得泥沙浓度和泥沙粒径。测量数据保存到tf存储卡上，或者通过以太网，输出到pc电脑，进行实时监控和测量。
31.pc电脑可以部署一定的测量计划，也可以对仪器进行必要的参数配置，参数校正，测量监控和实时数据显示，同时输出各种需要的测量波形，直观和美化测量仪器的测量数据。
32.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
33.尽管本文较多地使用了超声波换能器、数模转换模块、dsp等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。