用于超声层析成像系统的一体化超声传感器及使用方法

摘要

本发明涉及一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器，其特征在于包括金属管、超声压电换能器单元和液体介质；金属管的圆周上设有多个类齿轮状的突起和多个超声压电换能器单元，金属管内注满液体介质。使用时将传感器表面与管壁平行，与管壁采用耦合剂进行耦合。通过一体化传感器中外形类齿轮状金属管的设计，对在管壁中传播的无用超声信号产生滤波作用，大幅减小管壁中干扰信号的幅值，提高管道内传播的有用信号与干扰信号的幅值之比。干扰超声信号在类齿轮状金属管的突起中反复反射，最终到达接收传感器的路程增加，到达时间相对普通管道滞后，便于在处理接收到的信号时对有用信号的识别和提取。

说明书

技术领域

本发明属于多相流检测技术领域，涉及一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器及使用方法。

背景技术

超声层析成像(Ultrasonic Tomography，UT)是一种通过物体外部获取到的数据重建物体内部分布的技术，目前已被广泛应用于医学和工业领域。利用UT技术对多相流流动参数的实时检测已经成为近年来的研究热点，在多相流流动参数检测中，油气金属管道中气液两相流流型的检测对石油输送的安全和效率起到了至关重要的作用。

石油多通过金属管道输送，目前，在利用UT技术检测金属石油管道中两相流时，多采用直接将多个超声换能器通过耦合剂均匀粘贴在管道外壁，循环激励所有超声换能器完成一次扫描，利用接收传感器接收到的信号进行反演金属管道内部的两相流分布。由于亚克力材料的声阻抗和石油的声阻抗相差较小，所以目前利用UT技术检测多相流的流动过程多停留在亚克力管等管材中，而利用UT技术对金属管中多相流的检测却鲜见报道。

超声波在透过被检测对象后信号的获取是研究UT技术的前提。由于金属和石油的声阻抗相差非常大，在利用UT技术检测石油管道中两相流时，超声波在金属管道与石油的交界面处会发生强烈的反射，只有微弱的超声波能进入管道内。同时，换能器往往先接收到管壁中的干扰信号且信号幅值相对有用信号较大，信号处理较困难，因此，如何提高进入管道内部的携带检测信息的有用信号和沿管壁传播的不携带检测信息的干扰信号的幅值之比是本发明拟解决的关键问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器及使用方法，使得减小管壁中干扰信号的幅值并使其到达时间延迟。

技术方案

一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器，其特征在于包括金属管、超声压电换能器单元和液体介质；金属管的圆周上设有多个类齿轮状的突起和多个超声压电换能器单元，金属管内注满液体介质；所述多个类齿轮状的突起和多个超声压电换能器单元位于圆周均匀分布且相互间隔；所述液体介质内含有气泡。

所述液体介质为水或石油。

所述多个类齿轮状的突起和多个超声压电换能器单元为八个。

所述类齿轮状的突起为半圆形。

一种所述用于超声层析成像系统的一体化超声传感器的使用方法，其特征在于步骤如下：将传感器表面与管壁平行，与管壁采用耦合剂进行耦合。

检测过程中，超声换能器将激励电信号转换为超声信号，在耦合剂耦合下将超声信号传至管壁。此时一部分超声信号穿过管壁与管中液体的界面向管道内部传播，另一部分超声信号沿管壁传播。沿管壁传播的超声波经过突起时会有部分超声波在突起内反复反射并衰减，最终与管内传播的超声波一起被接收传感器接收。

有益效果

本发明提出的一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器及使用方法，通过一体化传感器中外形类齿轮状金属管的设计，对在管壁中传播的无用超声信号产生滤波作用，大幅减小管壁中干扰信号的幅值，提高管道内传播的有用信号与干扰信号的幅值之比。干扰超声信号在类齿轮状金属管的突起中反复反射，最终到达接收传感器的路程增加，到达时间相对普通管道滞后，便于在处理接收到的信号时对有用信号的识别和提取。

附图说明

图1：外形类齿轮状的特殊金属管结构图；

图2：一体化超声传感器装置基本原理示意图；

1-第一超声换能器，2-第二超声换能器，3-第三超声换能器，4-第四超声换能器，5-第五超声换能器，6-第六超声换能器，7–第七超声换能器，8-第八超声换能器，9-金属管，10-液体介质，11-为液体中的气泡，12-超声信号穿过管壁在液体中传播的路径，13-超声信号沿管壁传播的路径，14-超声信号在管壁内传播时，部分信号在管壁突起内的反射的路径。

图3：超声信号在突起内反射示意图；

图4：普通管道与本发明设计一体化超声传感器中超声信号对比示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例提供一种用于超声层析成像系统的一体化超声传感器设计，所述一体化超声传感器装置包括外形类齿轮状的特殊金属管和8个超声压电换能器单元，两者组成一个整体，即一体化超声传感器。特殊金属管内注满液体(水、石油等)并含有气泡。

本发明设计的管道在传统金属管道的基础上针对超声层析成像系统进行了改进和优化，设计了具有若干突起的特殊金属管壁。如图1所示，所设计的特殊金属管道是在普通的金属管道的基础之上添加了具有一定形状和尺寸的突起，本实施例中管道外壁的突起为半圆形，半圆形突起的圆心位于管道外壁上，图中D表示管道的外径，d表示管道的内径，r表示半圆形突起的半径，θ表示相邻两个突起圆心相对管道中心的夹角。相邻突起之间的夹角与突起的个数有关，本例中的八个半圆形突起均匀地分布于管道四周，相邻两突起之间的夹角θ为22.5°。半圆形突起的半径r取为管道外径的D的0.08倍，即r＝0.08D。

如图2所示，图中1-8为超声层析成像系统所使用的超声换能器，换能器均匀分布于管壁突起之间，且与相邻管壁突起保持相同距离。所有传感器均具有相同结构和参数，且均可激励或接收超声信号。图中9为所设计的外形类齿轮状的特殊金属管，10为管道中的液体，11为液体中的气泡，与液体形成气液两相界面。传感器表面与管壁平行，与管壁采用耦合剂进行耦合。

检测过程中，超声换能器将激励电信号转换为超声信号，在耦合剂耦合下将超声信号传至管壁。如图2所示，12为超声信号穿过管壁在液体中传播的路径，13为超声信号沿管壁传播的路径，14为超声信号在管壁内传播时，部分信号在管壁突起内的反射的路径。如图3所示，超声信号在管壁中传播，在经过突起时，部分信号会在在突起内反复反射，在这个过程中，信号的幅值会被大幅降低，信号最终到达接收传感器的时间也会滞后。如图4所示，(a)为普通金属管道的管壁中传播的超声信号，(b)为本发明设计的管道的管壁中传播的超声信号，相比普通金属管道，本发明设计的一体化超声传感器能够大幅减小管壁中干扰信号的幅值并使其产生延迟，有利于信号处理时对有用信号的识别和提取。