基于超声衰减的污水悬浊液浓度检测装置研究

摘要

污水处理是水污染防控的主要方法之一。很大一部分污水属于固液混合的悬浊液范畴，浓度是能直观体现其性质的指标参量，在污水处理的过程中准确检测其浓度变化情况是评定水质情况和处理结果的重要手段。目前的多种悬浊液浓度检测方法各有特点，但受到使用条件限制都不适合用来检测污水的浓度。近年来崛起的超声波浓度检测法与其它方法相比，因为其检测结果准确、应用方便、对人无害等特点，是最适用于污水的一种浓度检测方法。本文的主要目的就是研究一种基于超声波衰减的污水悬浊液浓度检测装置。
　　本文在综述国内外对超声浓度检测研究的基础上，重点围绕基于超声波衰减的浓度检测方法进行展开讨论。探讨超声波在污水悬浊液体系中传播时衰减特性，对经典的超声波浓度衰减模型进行简化分析，设计实验装置并进行浓度检测实验，同时从理论和试验两个方面同时验证了这种浓度检测方法的可行性。
　　第一章作为绪论部分首先说明超声波检测浓度的意义所在，对比几种浓度检测的方法指出超声波检测法的优势。简要概括了超声检测的原理，介绍了国内外在超声波检测领域的研究现状和成果。
　　第二章内容是超声波浓度检测的理论基础，分别分析了污水悬浊液的成分特性、超声波的传播特性以及在悬浊液中超声波的衰减特性。
　　第三章在第二章的理论基础上，进一步探讨了几种经典的超声波浓度衰减模型，在对Lamb-Urick衰减模型，Epstein衰减模型和唐应吾衰减模型的研究基础上对超声模型进行简化分析。
　　第四章建立起了超声浓度检测实验的硬件设施，选用合适的超声波换能器并对装置各个功能模块分别进行设计和调试。
　　第五章是利用超声波方法检测悬浊液浓度的实验，根据前面章节的理论基础，利用第四章建立起的实验装置对不同质量浓度的悬浊液进行检测，记录实验数据并进行处理分析。
　　第六章是全文总结和展望，对整个论文的研究内容和工作加以总结，分析优缺点并对未来工作加以展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 我国水体污染和污水处理现状

1．1．2 悬浊液浓度测量的方法

1．2 超声波应用现状简介

1．2．1 超声波的概念与主要特点

1．2．2 超声波的应用方式和领域

1．3 超声波检测的原理

1．3．1 超声波的特性参数

1．3．2 超声波特性参数的测量

1．4 超声波在浓度检测领域的研究现状

1．4．1 国外的研究现状

1．4．2 国内的研究现状

1．4．3 本文研究内容

1．5 论文组织架构

1．6 本章小结

2．超声波检测悬浊液浓度的理论基础

2．1 污水悬浊液的特性

2．1．1 污水悬浊液的成分

2．1．2 固体颗粒物的粒度

2．2 超声波的特性

2．2．1 超声波的分类

2．2．2 超声波的物理参量

2．3 超声波在悬浊液中的传播与衰减特性

2．3．1 超声波的散射衰减

2．3．2 超声波的吸收衰减

2．4 污水浓度的超声检测原理

2．5 本章小结

3 超声浓度检测衰减模型研究

3．1 几种经典的悬浊液中超声衰减模型

3．2 Lamb-Urick声衰减模型

3．3 Epstein悬浊液超声衰减模型

3．3．1 非“长波长”条件下的衰减模型

3．3．2 “长波长”条件下的衰减模型

3．4 唐应吾超声衰减模型

3．4．1 固体颗粒的排列模型

3．4．2 悬浊液超声衰减模型

3．5 超声波衰减模型的简化

3．5．1 超声散射衰减的经验公武

3．5．2 理论模型的简化分析

3．6 本章小结

4 超声衰减浓度检测试验平台的建立

4．1 试验平台总体设计

4．1．1 设计目标与要求

4．1．2 检测方案的选择与确定

4．1．3 平台的总体架构与工作流程

4．2 超声换能器

4．2．1 超声换能器的分类

4．2．2 超声换能器的选择

4．2．3 换能器的特性分析

4．3 超声波发射电路的设计

4．3．1 探头激励方式的选择

4．3．2 脉冲信号发生电路

4．3．3 触发脉冲产生电路

4．4 接收电路的阻抗匹配

4．4．1 压电换能器的阻抗特性

4．4．2 压电换能器谐振阻抗的测试

4．4．3 阻抗匹配电路设计

4．5 信号采样电路设计

4．5．1 FPGA控制芯片的选择

4．5．2 A／D采样芯片的选择

4．5．3 FIR数字滤波器设计

4．6 USB微控制器的选择

4．7 本章小结

5 浓度检测实验与数据处理

5．1 实验器材准备

5．2 试验平台的初步设置

5．2．1 收发换能器中心距的确定

5．2．2 激励脉冲电源电压的确定

5．3 实验与数据采集处理

5．3．1 浓度检测实验

5．3．2 数据采集与处理

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献