高浓度悬浮沙粒浓度分布的超声测量研究

摘要

近年来，涉及颗粒悬浮物浓度的测量问题正日益引起人们重视，水利水电工程建设、水文观测预报、工业取水等许多领域都十分需要对河流、湖泊等水体含沙量和淤泥的即时检测和监测，随着我国现代工业的迅猛发展以及质量环保意识的提高，对气力传送和水煤浆等悬浊混合液的管道传送、化工和制药业各种乳剂生产中颗粒浓度的监控等，都需要无浸入、无扰动地测量悬浮物浓度。各种浓度测量方法中，声学法较为方便、准确、实用，对流体自身特性基本没有影响，可以长期、在线、不间断地检测和监测被测溶液指定断面的悬浮物浓度。 目前的声学方法对低含沙量(浓度<10kg/m<'3>)的测量较为准确，但高泥沙含量的浓度测量研究并不十分理想。本文旨在探究含沙颗粒悬浊液的声学传输原理、声信号处理方法、特别是高浓度含沙量的声学测量方法，并根据所研究的理论模型，试制了相应的含沙量浓度观测设备。 本文主要开展了以下几方面的研究： (1)研究悬浮物声参数与其浓度之间的理论关系，从信号传输角度分析悬浮物声散射的信号传输机理，把现有悬浮物浓度测量理论中忽略的多次散射、声衰减、各种检测干扰等作用纳入声传输的卷积模型中，认为在信号检测过程中，对于高浓度悬浮液中距离测量换能器较远区域的真实背向散射信号，要经过检测系统响应、声程介质的多次散射等作用传输影响后，才被检测系统接收并输出实际测量信号。对声程介质的影响提出了改进的声传输卷积模型。 (2)分析了传统维纳逆滤波解卷积算法对噪声适应性不理想的原因，提出一种改进方法，利用检测系统信噪比先验知识，进行频域解卷积处理，在此基础上，对检测系统频带内的处理结果建模，插补估计出频带外受噪声干扰影响较大的数据，然后再变换到时域。计算机模拟及相应实验结果表明，这些改进方法较为理想，具有较强的噪声适应能力。 (3)探讨利用超声背向散射信号测量悬浮物浓度的方法，根据悬浮物背向散射强度与浓度之间的关系，估计悬浮物浓度分布。用归一化浓度探讨悬浮物浓度测量中各种干扰对浓度反演结果的影响，理论探讨和仿真实验表明检测系统和声程介质的响应是主要的影响因素。 (4)对实际测量信号，应用本文提出的改进维纳逆滤波解卷积方法除去检测系统和声程介质响应的卷积影响，得到真实散射信号的最佳估计，推算背向散射强度，求出悬浮物浓度，与直接用实际测量数据推算出的浓度估计相比较。实验结果表明，在高浓度悬浮物的情况下，应用本文提出方法所估计的散射系数与悬浮物浓度之间仍然近似是正比关系。 (5)根据本文提出的浓度测量方法，试制了一套可以贴近实用的基于FPGA控制的含沙量观测检测设备，对理论算法的仪器化做了尝试。 实验表明，从含沙悬浊液超声传输机理出发，利用改进的声传输模型，把声程介质及检测系统对悬浮物真实散射信号的影响纳入卷积过程是可行的。通过从实际测量信号中恢复真实散射信号的最佳估计，反演出背向散射系数，可以提高悬浮物浓度估计的准确性和测量范围，降低对检测系统的校准定标要求，并应用于含沙量测试仪器中，具有一定的理论和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

1.1引言

1.2含沙颗粒悬浮物浓度测量方法的比较

1.3研究进展

1.4本文研究的内容及意义

第2章含沙颗粒悬浊液声传输理论及悬浮物浓度测量原理

2.1颗粒悬浊液的声场理论

2.1.1单个散射粒子的声压

2.1.2单位体积散射子的声压

2.1.3声场的统计分析

2.2浓度测量原理

2.2.1迭代方法

2.2.2直接处理

2.2.3检测系统的校准定标

2.3颗粒悬浮液超声检测的信号传输卷积模型

2.4改进的声传输卷积模型

2.5本章小结

第3章含沙颗粒悬浮物浓度超声测量方法

3.1基于单换能器的测量方法

3.2基于双换能器的悬浮物浓度测量

3.2.1原理

3.2.2双换能器测量方式的迭代处理方法

3.2.3双换能器悬浮物浓度的最小二乘反演方法

3.3误差仿真研究

3.3.1声传输过程中产生的误差仿真

3.3.2检测系统的误差仿真

3.4浓度反演过程中的误差讨论

3.4.1被检区域的空间分辨率

3.4.2被检区域分界面的分辨率

3.4.3换能器声场的声压校准

3.4.4浓度较准定标曲线的讨论

3.4.5测量及校准定标中的不确定因素分析

3.5本章小结

第4章含沙悬浊液真实散射信号的估计

4.1维纳逆滤波处理方法

4.2传统维纳逆滤波及其不稳定的因素

4.3改进维纳逆滤波解卷积的方法

4.4计算机仿真研究

4.4.1多反射层检测信号的模拟

4.4.2解卷积处理结果

4.5去除声程介质影响的实验研究

4.5.1实验装置

4.5.2实验设计

4.5.3数据采集及处理

4.6本章小结

第5章含沙悬浮物浓度测量实验研究

5.1实验装置

5.1.1含沙悬浊液样品产生装置

5.1.2测试装置

5.2浓度测量及信号处理方法

5.2.1检测系统参数及实验样品

5.2.2实验数据处理

5.2.3处理结果

5.3本章小结

5.3.1存在问题的分析与探讨

5.3.2小结

第6章基于FPGA控制的超声含沙量观测仪的研制

6.1设计思路

6.1.1设计概述

6.1.2系统完成的功能

6.1.3组成框图

6.2超声发射接收模块

6.2.1超声发射电路

6.2.2超声接收电路

6.3信号处理模块

6.3.1存储器的设计

6.3.2 IIR滤波器

6.3.3浓度估计

6.4 VGA显示模块

6.5控制模块

6.5.1各组成模块具体构成和时序

6.5.2超声发射和接收单元的控制

6.6含沙量观测仪的测试结果

6.6.1超声反射成像测试

6.6.2浓度测量

6.7本系统的特点

总结与展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间科研成果