本发明涉及河流泥沙检测技术领域，具体是一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统及方法。
背景技术：
天然河流中悬浮泥沙的浓度与级配是重要的水文与环境参数，水流与泥沙之间运动耦合，相互影响。现已有的悬移质泥沙浓度的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法、图像观测法等。
传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式仍在持续，尽管测量精度高，但是这种含沙量测量方法较为落后，耗时耗力。光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法和激光衍射法。由于不同基质、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，而且lisst测量误差较大。图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，并且能通过计算得到浓度，但此类仪器设备存在结构方面的不足，难以得到理想的结果。
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信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。苏明旭(专利公开号：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。张叔英(2003)基于高浓度悬浮泥沙的超声波粘性衰减机理，研制了两种测量高含沙量的超声波检测仪，将发射、接收传感器相隔一定距离相向安装，测量的含沙量范围为10～800kg/m3，测量精度为满量程的5％，该传感器不适用于一般河流含沙量范围的测量。
基于背向散射原理的adv和adcp等设备，通过分析天然泥沙颗粒的散射特性来测量水中悬浮沙浓度，但探头到探测体的距离较远，超声波传播距离越远，信号在传播路径上受含沙量影响的衰减越大于测点含沙量的散射信号，故难以获取有用的信息，因此测量含沙量的范围为0.1～3kg/m3，而且由于是单一频率工作模式，无法实现粒径分布的测量。
上述测量设备和测量方法都存在一定的不足，限制性因素主要有：含沙浓度测量无法实现同时涵盖低浓度和高浓度；没有稳定可靠的现场实时含沙量测量设备；大部分设备都无法实现浓度和级配同时测量。
技术实现要素：
本发明提出一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统及方法，打破野外条件下悬沙沙浓度和粒径线上实时测量不足的瓶颈，开发一种能在天然河流中具有涵盖从低到高浓度含沙量测量能力的声学系统，提高水文检测自动化水平。
一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，包括依次连接的测量探头、数据采集设备、数据传输设备、用户端；所述测量探头包括外壳、安装于外壳的整流块以及集成装配在整流块上的发射晶片、环状接收晶片，所述发射晶片用于向待测水体发射超声信号，环状接收晶片用于进行水体的散射回波信号接收；所述数据采集设备包括信号发送单元、信号采集单元，信号发送单元与发射晶片连接，用于为发射晶片提供激发超声波的能量并控制发射晶片激发的频率，信号采集单元与环状接收晶片连接，用于接收超声波的散射回波，并对散射回波进行放大和转换成散射数据；所述用户端用于对散射数据进行数字信号处理得到声强信息，通过时域分析对散射回波信号的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
进一步的，所述发射晶片和接收晶片采用压电复合晶片制成。
进一步的，所述整流块的前端为流线型的球冠，球冠后侧为圆锥面，用以粘贴环状接收晶片，整流块的后段为圆柱体，端部粘贴发射晶片。
进一步的，所述外壳采用不锈钢材质制成。
进一步的，所述测量探头通过水密电缆与数据采集设备进行连接。
一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将超声探头伸入待测水体中，发射超声信号，并接收测量区域内所有泥沙颗粒的散射回波信号；
步骤二、数据采集设备对接收的散射回波信号有效段进行放大和转换成散射数据；
步骤三、所述用户端对散射数据进行数字信号处理得到声强信息，通过时域分析对散射回波信号的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
本发明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，通过时域分析对回波信号的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度；设计的含沙量级配信号超声探头的整流块，使超声波信号的传播距离缩短，降低衰减的影响；超声探头采用复合压电晶片，可以实现高频信号收发，发射波频率可从5mhz变化到25mhz，结构上缩小尺寸和测量盲区，对声衰减进行一定补偿，提高量程范围；相比于已有的含沙量测量设备，本发明是以河流测量为目标的，能满足绝大部分河流含沙量测量的要求，测量成本低，操作方便灵活。
附图说明
图1为本发明基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统其中一个实施例的结构示意图；
图2是本发明超声探头的内部结构示意图；
图3是本发明超声探头的侧视图；
图4(a)为普通陶瓷压电晶片的声阻抗特性曲线图；图4(b)为中心频率0.5mhz复合压电晶片的声阻抗特性曲线图。
图中附图标记说明如下：
1、超声探头；2、数据采集设备；3、信号传输设备；4、用户端；5、测量区域；6、悬移质颗粒；7、回波信号；8、发射晶片；9、环状接收晶片；10、整流块；11、外壳；12、水密电缆
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
请参阅图1-3，本发明实施例提供一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，包括依次连接的测量探头1、数据采集设备2、数据传输设备3、用户端4。
如图2所示，所述测量探头1包括发射晶片8、环状接收晶片9、整流块10和外壳11，所述外壳11可采用不锈钢材质制成，并且通过水密电缆12与数据采集设备2进行连接。所述测量探头1是通过位于探头后部的发射晶片8向待测水体发射超声信号，再由探头前端的环状接收晶片9对水体的散射回波信号进行接收，整流块10位于探头最前端。将发射晶片8、接收晶片9和整流块10一起封装在钢外壳11内，探头能够实现超声信号自发自收。
所述发射晶片8和接收晶片9采用压电复合晶片制成，图4(a)和图4(b)分别是普通压电陶瓷和压电复合晶片测量得到的两组阻抗特性曲线和相位曲线。普通压电陶瓷晶片的曲线多处起伏，是由压电材料内在的各种杂模式造成，这些杂模式是探头内在噪音的来源，对比可知本探头的声学测量特性更优；探头制作工艺方面，采用弯曲晶片技术实现声波的聚焦，克服声透镜技术的缺点，并且首次将压电复合晶片技术应用到水利测量仪器的开发中，可以减小材料脆性，使晶片制作和发射成功率更高，同时能提高探头的灵敏度并提高信噪比；设计传感器将发射晶片8、环状接收晶片9集成装配在整流块10上，在一定范围内调整声波的性能，测量探头1直径可控制在20mm以内，实现外观整体微化的突破，对流场的扰动更小。
超声波在传播过程中碰到随机分布散状颗粒，发生透射、漫反射、衍射和全反射。本发明借鉴超声探测在工业等领域的应用，将水体中泥沙颗粒看作待测对象，分析回波信号，以瑞利散射和球面散射为基本测量原理，对颗粒散射信号进行解析。回波信号的到达时间代表了待检目标距离探头的位置，回波信号的强度和频谱特性，包含了泥沙的浓度等信息；在瑞利散射区内(ka<0.6)，颗粒的形状及其之间的相互位置关系对颗粒的散射声场分布影响很小；由于超声波的回波信号强度在往返的行程中则因含沙量的增加而快速衰减，故在设计含沙量传感器时，只要不影响泥沙颗粒的运动特性，应尽可能减小测点至接收传感器的距离，利用整流块10来达到减小衰减损失的目的。
本发明中整流块10的前端为流线型的球冠，可减少对水流的影响，球冠后侧为圆锥面，用以粘贴环状接收晶片9，整流块10的后段为圆柱体，端部粘贴发射晶片8。整流块10由水声性能良好的材料制成，其作用一是在晶片发射的超声波在近场区需要一段调制长度，可消除近场区不规则声场对信号定量检测的影响；二是减小探头的测量盲区，同时可以减小声波的传播距离，尽可能缩短超声波到探测水体穿越的浑水路径，以减小传播过程的衰减。
所述探头系统设计与制作的具体包括以下内容：
1)传感器制备：主要采用压电复合材料(由热塑性聚合物与无机压电材料所组成)取代传统的压电材料，选择合适的填充聚合物材料，选用微米级厚度的精密切割刀片对晶片进行切割，利用化学镀法在压电复合材料的表面镀金、镀镍和镀铜，对材料表面进行粗化、敏化和活化处理将电极镀牢；不同发射频率的传感器尺寸不同，频率越高，传感器尺寸越小。
2)匹配层设计：即整流块10，采用双匹配层结构使探头获得更大的带宽和灵敏度。对于高频探头，考虑材料的声学性能要满足减小声衰减并且要和水流声阻抗相近，本发明选择专用聚乙烯类聚合物产品制作整流块。
3)探头结构设计：整流块位于探头最前端，其次分别是圆环凹形接收晶片(利于聚焦信号)、位于探头中心的发射晶片，探头外形为圆柱体。
4)探头装配：将整流块、接收晶片和发射晶片通过胶水粘接，严格控制粘结层的质量和性能，防止胶水固化过程中粘接面的松动、位移或变形；探头外壳采用不锈钢外壳，满足水下作业时既可以防水防腐又可起到屏蔽作用；探头使用水密电缆和信号采集设备进行连接，保证信号传输。
5)测量模式：本发明所述的超声含沙量测量探头采用一个晶片发射、另一个晶片接收的方式，发射合接收晶片装在同一外壳内，可以实现利用同一探头进行信号的自发自收。
本探头利用超声波进行测量，基于颗粒散射原理，对瑞利区内的泥沙颗粒回波信号进行分析，通过信号的时域计算和频谱分析而得到测量点的泥沙浓度值和级配分布。如图1所示，水体中悬浮的泥沙颗粒，在探头测量范围之内，会对声信号进行散射，散射信号中包含了浓度等信息，当颗粒浓度较大的时候，信号会发生线性叠加。图3给出超声探头的内部结构图横断面图，设计上采用自发自收的工作模式，探头包括发射晶片8、环接收晶片9、整流块10以及水密电缆12组成。发射晶片8位置靠后，接收晶片9位于探头前端，二者通过整流块10固定，并封装在不锈钢外壳11中，晶片不直接接触待测介质。将探头用水密电缆连接到信号采集系统上便可以进行测量工作。
所述数据采集设备2包括信号发送单元、信号采集单元，信号发送单元与发射晶片8连接，为发射晶片8提供激发超声波的能量并控制发射晶片8激发的频率，信号采集单元与环状接收晶片9连接，用于接收超声波的散射回波，并对散射回波进行放大和转换成数字信号的散射数据，并打包后传给数据传输设备3的以太网总线接口，数据传输快速稳定，可以实现信号实时接收。
所述用户端4可采用pc实现，用于对散射数据进行相应的数字信号处理得到声强等信息，通过时域分析对回波信号的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
本发明实施例还提供一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将超声探头1伸入待测水体中，发射超声信号，并接收测量区域内所有泥沙颗粒的散射回波信号；
步骤二、数据采集设备2对接收的散射回波信号进行放大和转换成散射数据；
步骤三、所述用户端4对散射数据进行数字信号处理得到声强信息，通过时域分析对散射回波信号有效段的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
本发明将超声探测应用到泥沙浓度测量方面，首次提出利用声散射法对泥沙浓度进行测量，利用压电复合材料作为发射和接收装置，将超声探头伸入待测水体中，发射超声信号，对测量区域内所有泥沙颗粒的散射回波信号进行接收，通过数据处理和分析换算得到悬移质浓度和颗粒级配等参数。
本发明利用声学作为测量手段，基于颗粒散射原理实现水体中悬浮泥沙参数的获取。为了实现测量目的，本发明首次将压电复合材料用于河流泥沙测量，有助于提高信噪比和提高信号发射频率，同时复合压电晶片尺寸较小，可以对探头外观结构进行微化，有助于减小测量盲区和提高精度。本超声探头制作成本低，量程大，使用方便且适用性强，能在野外进行实时泥沙浓度数据获取，有助于提高水文检测自动化水平；同时由于探头发射频率较高，可以对在介质中传播过程中的声信号进行有效补偿，从而具有更宽的测量范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，其特征在于：包括依次连接的测量探头、数据采集设备、数据传输设备、用户端；所述测量探头包括外壳、安装于外壳的整流块以及集成装配在整流块上的发射晶片、环状接收晶片，所述发射晶片用于向待测水体发射超声信号，环状接收晶片用于进行水体的散射回波信号接收；所述数据采集设备包括信号发送单元、信号采集单元，信号发送单元与发射晶片连接，用于为发射晶片提供激发超声波的能量并控制发射晶片激发的频率，信号采集单元与环状接收晶片连接，用于接收超声波的散射回波，并对散射回波进行放大和转换成散射数据；所述用户端用于对散射数据进行数字信号处理得到声强信息，通过时域分析对散射回波信号的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
2.如权利要求1所述的基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，其特征在于：所述发射晶片和接收晶片采用压电复合晶片制成。
3.如权利要求1所述的基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，其特征在于：所述整流块的前端为流线型的球冠，球冠后侧为圆锥面，用以粘贴环状接收晶片，整流块的后段为圆柱体，端部粘贴发射晶片。
4.如权利要求1所述的基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，其特征在于：所述外壳采用不锈钢材质制成。
5.如权利要求1所述的基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量系统，其特征在于：所述测量探头通过水密电缆与数据采集设备进行连接。
6.一种基于压电复合晶片的单频超声悬移质测量方法，其特征在于采用如权利要求1-5中任一项所述的系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将超声探头伸入待测水体中，发射超声信号，并接收测量区域内所有泥沙颗粒的散射回波信号；
步骤二、数据采集设备对接收的散射回波信号进行放大和转换成散射数据；
步骤三、所述用户端对散射数据进行数字信号处理得到声强信息，通过时域分析对散射回波信号有效段的幅值进行叠加计算，反演得到泥沙浓度。
技术总结