一种基于超声波的泥沙含量检测系统和方法与流程

1.本发明属于淤泥监测领域，特别涉及一种基于超声波的泥沙含量检测系统和方法。


背景技术：

2.淤泥是静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成、天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。在有微生物参与作用的条件下形成近代沉积物，富含有机物，通常呈灰黑色；力学强度低，压缩性强，其抗震性能很差。在强烈地震作用下，易引起建筑物地基沉陷。
3.在水土保持的科学研究中需要监测在流域中淤泥沉积的形成模型，以研究各大流域各个季节、天气变化下的流域淤泥沉积过程。
4.目前此领域监测方法主要有：测杆法、静力触探法、红外探测法、放射线探测法等，目前此类装置受周围影响较大，且需人工操作，存在效率低、精度差、安全性差等问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种基于超声波的泥沙含量检测系统和方法，通过水流管道、传感器系统和测控系统可以精确测量出泥水的密度及泥水流速。
6.本发明的第一个目的在于提供一种基于超声波的泥沙含量检测系统。
7.本发明的第二个目的在于提供一种基于超声波的泥沙含量检测方法。
8.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
9.一种基于超声波的泥沙含量检测系统，所述系统包括：
10.包括水流管道、传感器系统和测控系统，传感器系统固定在水流管道上，传感器系统和测控系统电连接；
11.水流管道的上下管壁面上分别设有传感器座a与传感器座b，传感器座a与传感器座b相对设置，传感器座a与传感器座b均与水流管道的管壁呈一定的角度θ；传感器系统包括两个超声波传感器，两个超声波传感器分别固定在传感器座a与传感器座b；
12.测控系统包括系统电源模块、超声波电源模块、超声波信号发送电路、超声波信号接收电路、存储单元和cpu处理单元，系统电源模块、超声波信号发送电路、超声波信号接收电路、存储单元均和cpu处理单元连接，超声波电源模块分别与超声波信号发送电路、系统电源模块连接。
13.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
14.一种基于超声波的泥沙含量检测方法，基于上述一种基于超声波的泥沙含量检测系统实现，所述方法包括步骤：
15.将超声波传感器a、超声波传感器b根据预先标定的距离d0及距离l，相对分布固定在水流管道上，超声波传感器a、超声波传感器b均与水流管道管壁呈一定的角度θ；其中，距
离l为两个传感器之间的距离，距离d0为两传感器的水平距离；超声波传感器a与超声波传感器b相间隔预定时间向水中发射一束超声波信号；
16.接收超声波信号，通过cpu处理单元采集并计算超声波信号强度q及从发射到接收到超声波信号的时间差t；
17.通过超声波信号强度q及时间差t，分别计算泥水的平均流速及泥水的密度。
18.优选的，所述时间差t的计算公式为：
[0019][0020]
所述泥水的平均流速的计算公式为：
[0021][0022]
其中，c为声音在无流动的净水中的速度，v为流体的速度。
[0023]
所述泥水泥水的密度的计算公式为：
[0024]
ρ＝q/q0[0025]
其中，q计算得到的超声波信号强度，q0为在净水中标定的传感器接收信号强度。
[0026]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0027]
1、本发明提供一种基于超声波的泥沙含量检测系统和方法，通过从在水流管道中的一侧向另一侧发射超声波，接收通过含有泥沙的水后幅度衰减的超声波，测出与泥沙密切相关的两个参数：超声声速(sos)和超声频率衰减(bua)，可以精确测量出泥水的密度及泥水流速。
[0028]
2、本发明为非介入式测量，不会有泥沙局部淤积导制测量不准的问题，可全天候记录数据并进行分析，大量数据的提取提高了检测系统的测量精确度。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0030]
图1是本发明实施例中的检测系统的组成示意图；
[0031]
图2是本发明实施例中的检测系统的测控系统的结构框图；
[0032]
图3是本发明实施例中的检测方法的示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案做进一步详细描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的实施方式并不限于此。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
实施例1
[0035]
如图1-2所示，本发明所述的一种基于超声波的泥沙含量检测系统，包括水流管
道、传感器系统和测控系统，传感器系统固定在水流管道上，传感器系统和测控系统电连接。
[0036]
水流管道，在一般运用中，其管道的直径d0，会随着所测流量大小设计不一样直径的管道。以适应不一样的流域应用。流域流速越大，管道直径越大。而管道材料优选用304不锈钢。
[0037]
优选地，水流管道的上下面上分别设有一个相对的传感器座a与传感器座b，传感器座a与传感器座b均与管壁呈一定的角度θ，优选地选取此角度θ为60度。
[0038]
优选地，在水流管道的前后二端各设有5厘米长的螺纹，以便外部管道连接。
[0039]
水流管道上的二个相对的传感器座，其内径为2厘米的圆柱，并与管道呈60度夹角。传感器座中会放入超声波传感器。由于传感器表面为一个平面，而水流管道外壁为一个曲面，所以水流管道在传感器处会打磨、磨平处理，以便更好地贴合传感器。
[0040]
传感器系统，包括两个超声波传感器，超声波传感器同时具有发射与接收功能。两个超声波传感器分别固定在传感器座a与传感器座b，工作时，超声波传感器a、超声波传感器b相间隔工作，当a发送超声波信号时，超声波传感器b处于接收状态。同时当超声波传感器b发送超声波信号时，超声波传感器a处于接收信号状态。测控系统采集超声波传感器a发送信号及超声波传感器b接收到信号的时间差为t1，超声波传感器b接收到信号的强度为q1；超声波传感器b发送信号及超声波传感器a接收到信号的时间差为t2，超声波传感器a接收到的信号强度为q2。
[0041]
超声波传感器为直径1.8厘米的圆柱形传感器，表面防水处理，超声波传感器探头表面与水流管道表面、超声波传感器与传感器座内壁会用硅胶贴合填充，以固定超声波传感器。
[0042]
测控系统，包括系统电源模块、超声波电源模块、超声波信号发送电路、超声波信号接收电路、存储单元和cpu处理单元，系统电源模块、超声波信号发送电路、超声波信号接收电路、存储单元均和cpu处理单元连接，超声波电源模块分别与超声波信号发送电路、系统电源模块连接。
[0043]
系统电源模块，由于系统一般置于野外，所以其供电系统主要为风光互补代电或由当地的市电供电网络供电，系统电源模块主要为从供电系统取电并转换为本发明所用的各类电源，主要为产生一路高功率的12v直流供电系统，同时能过12v供电系统产生系统所需要的各类电压，如5v，3.3v。
[0044]
超声波电源模块，超声波传感器为防水类型，其工作距离又比一般的防水类超声波系统作用距离短，所以本发明中的超声波电源模块与常规的电压系统不一样，经过测算及测试得到一个理想的超声波供电电压为直流36v。同时，本发明需要采集超声波接收器的能量模拟信号，所以对于超声波的电源系统要求较高，需要一个高精度，低噪声的电源系统。所以在本系统中，优选地，超声波电源的升压系统处理芯片采用了mc34063的主芯片。
[0045]
超声波信号发送电路，通过cpu处理单元及外部电路的驱动，用于向超声波传感器的超声波发送器驱动一个38khz的调制信号。
[0046]
超声波信号接收电路：超声波信号接收器接收到信号后发往外部鉴频器，鉴频器接收到正确的38khz的信号后，再发往cpu处理单元，cpu处理单元对此时的时间与发送时间做对比，计算出二者之间的传输时间差。同时cpu处理单元采集发过来的信号强度，以计算
出信号强度，用以计算泥沙含量。
[0047]
cpu处理单元，本发明采用芯片stm32f103vct6做为测控系统的主要控制采集芯片。stm32f103vct6器件采用cortex-m3内核，cpu最高速度达72mhz。该产品具有128kb flash、多种控制外设、usb全速接口和can。同时具有2个12bit的多达16路的adc。与外部的高精度晶振配合产生高精度、高频率的时钟，以满足多个以时间为测量基准的系统。
[0048]
存储单元，系统需要每分钟存储一条系统测控数据，同时需要满足连续15天的数据存储功能，所以需要一个128mbyte的一个串行存储器，以保存测控数据。
[0049]
一种基于超声波的泥沙含量检测系统的基本原理是：
[0050]
从在水流管道中的一侧向另一侧发射超声波，接收通过含有泥沙的水后幅度衰减的超声波，测出与泥沙密切相关的两个参数—超声声速(sos)和超声频率衰减(bua)，用以综合计算出泥水的密度及泥水流速。
[0051]
两个传感器根据预先标定的上下间隔l0正对分布，其中l0为两个传感器之间的垂直距离。d0为二个传感器的水平距离，也是标准腔体的外直径。其中超声波发送传感器tx将在腔体中向对面发射一束超声波信号；每个传感器都具有信号传输和信号接收功能。将超声脉冲能量以一定的角度在管壁内的两个传感器与流体之间传递；流体的流速将在一定程度上影响了超声脉冲在两个传感器之间的传播时间。从上游传感器到下游传感器，声速和流体速度混合并变快。从下游传感器到上游传感器，声速抵消了流体速度，变慢。上下游传播时间的净时间差与流速数值成正比。由于时差测量系统中不存在固有的惯性，因此这种时差法具有较强的灵敏度。同时，超声波在传输过程中，在腔体内通过内部泥沙的反射，其超声波的能量会有一定的损失，通过采集接收端的能量与发送时的校准流量做对比即能得出此泥水中的泥沙含量。
[0052]
实施例2
[0053]
如图3所示，检测方法的示意图，一种基于超声波的泥沙含量检测方法，基于上述的一种基于超声波的泥沙含量检测系统实现，具体包括以下步骤：
[0054]
(1)将超声波传感器a、超声波传感器b根据预先标定的距离d0及距离l，相对分布固定在水流管道上，超声波传感器a、超声波传感器b均与水流管道管壁呈一定的角度θ；其中，距离l为两个传感器之间的距离，距离d0为两传感器的水平距离；超声波传感器a与超声波传感器b相间隔预定时间向水中发射一束超声波信号；
[0055]
(2)接收超声波信号，通过cpu处理单元采集并计算超声波信号强度q及从发射到接收到超声波信号的时间差t；
[0056]
(3)通过超声波信号强度q及时间差t，分别计算泥水的平均流速及泥水的密度。
[0057]
传感器a，传感器b为互为带发射、接收功能的超声波传感器。
[0058]
其流速公式推导如下：
[0059]
顺流传播时间：
[0060]
逆流传播时间：
[0061]
由式上述顺流时间和逆流时间可推导出正逆程时间差t：
[0062]
[0063]
最终可以得到泥水的平均流速为：
[0064][0065]
其中，c为声音在无流动的净水中的速度，v为泥水的平均流速。
[0066]
泥水密度公式如下：
[0067]
ρ＝q/q0[0068]
其中，q计算得到的超声波信号强度，q0为在净水中标定的传感器接收信号强度，需在厂内标定。同时传感器的发送功率也是在厂内标定的。即出厂时，发射功率，接收初始强度都是在厂内标定过后存在系统内的。
[0069]
本发明通过从在水流管道中的一侧向另一侧发射超声波，接收通过含有泥沙的水后幅度衰减的超声波，测出与泥沙密切相关的两个参数：超声声速(sos)和超声频率衰减(bua)，可以精确测量出泥水的密度及泥水流速。本发明为非介入式测量，不会有泥沙局部淤积导制测量不准的问题，可全天候记录数据并进行分析，大量数据的提取提高了设备的精确度。
[0070]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。