一种混合质量超声在线非侵入式检测方法

摘要

本发明属于超声检测技术领域，公开了一种混合质量超声在线非侵入式检测方法，包括如下步骤：在混合容器四周均布n组超声换能器；各发射超声换能器在激励模块的触发下发出超声波，超声波经混合容器一侧壁面、容器内部及另一侧壁面被接收超声换能器接收，然后被采集模块采集；在混合容器内依次放入纯水和标准混合物，采集模块依次记录超声信号；在混合容器内放入待测混合物，采集模块实时记录超声信号；计算各组超声换能器的相对衰减系数；根据单组和多组超声换能器相对衰减系数评判局部及全局混合物混合状态变化情况及混合质量。本发明可实现混合物的均匀性、一致性等混合质量信息的非侵入式在线检测，具有易于实现、成本低、响应快等优点。

说明书

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，更具体地，涉及一种混合质量超声在线非侵入式检测方法。

背景技术

固液或液液混合物在建筑、食品、制药和航空航天等领域中应用广泛，如药浆、混凝土、固体推进剂等。混合质量是反映最终产品生产状态的重要评价指标，混合质量在线检测是保障产品质量和生产效率的重要内容之一。如对制药企业来说，药浆混合质量好坏将直接影响到成品药的药效，部分有副作用成分的均匀性更为重要。而对于固体推进剂，混合质量直接影响固体推进剂的加工性能、力学性能和燃烧性能，进而影响火箭或者导弹的推力稳定性。

对混合物混合质量的检测，目前大多数是在混合物的不同部位取样进行实验室化验分析，通过料浆的某项性能(如燃烧性能)或物理属性(如样品的密度)来间接评判混合效果，时效性极差，无法对混合物在制备过程中产生的质量问题进行实时跟踪。当前为保证混合物的混合质量，普遍采用延长制备时间的方法来实现，但这样做不仅大大降低了生产效率，而且混合质量也得不到保证。同时随着连续生产技术的发展，混合物混合质量的在线检测已成为其必不可少的环节。在现有生产工艺和未来新技术发展的大背景下，迫切需要混合物的混合质量在线检测的新方法。

超声检测技术是利用超声波来进行各种检测和测量的技术。相比于其它原理的测量方法如电感应法、图像法、光散射法等，超声波具有强的穿透力，在光学不透明介质或高浓度颗粒测试条件下，超声检查技术具有明显的优势。超声信号中蕴含着丰富的反映物质组成、结构和性质的信息。材料和成分不同，超声波在其中传播的声速和衰减等特征量不同，通过分析不同混合区域的超声特征信号，可以判断混合质量。但由于超声信号与混合质量之间关系复杂，难以简单的通过超声信号直接判断混合质量，亟需提出针对混合质量的超声在线检测方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种混合质量超声在线非侵入式检测方法，其旨在克服现有技术中混合物混合质量检测方法存在的问题，通过测量混合容器多个位置的超声信号，对多个超声信号的数据分析，评判容器内均匀性差异、产品缺陷和异常等质量信息，实现超声快速检测混合物混合质量的目的。

为实现上述目的，本发明提出了一种混合质量超声在线非侵入式检测方法，其包括如下步骤：

(1)在混合容器的四周均布n组超声换能器，每组超声换能器均包括发射超声换能器和接收超声换能器，每组超声换能器中的发射超声换能器和接收超声换能器均与混合容器的外壁面接触，并且左右对称布置；

(2)各组超声换能器中的发射超声换能器在激励模块的触发下发出相同频率和功率的超声波，超声波经过与发射超声换能器相接触的混合容器壁面、混合容器内部及与接收超声换能器相接触的混合容器壁面，最后被对应的接收超声换能器接收，各接收超声换能器接收到的超声信号被采集模块实时记录；

(3)在混合容器内放入纯水，采集模块记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_i0，i表示接收超声换能器的组别，然后排出纯水；

(4)保持激励模块触发发射超声换能器的重复频率和功率，在混合容器内放入标准混合物，采集模块记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_is，然后排出标准混合物；

(5)保持激励模块触发发射超声换能器的重复频率和功率，在混合容器内放入待测混合物，采集模块实时记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_i(t)；

(6)以下式计算各组超声换能器的相对衰减系数α_i(t)：

其中，l_i为第i组接收超声换能器与发射超声换能器之间的距离，p_i(t)是采集模块实时采集的经过待测混合物的第i组接收超声换能器接收到的超声信号特征值，p_i0是采集模块采集的经过纯水时的第i组接收超声换能器接收到的超声信号特征值；

(7)根据单组超声换能器获得的相对衰减系数评判单组超声换能器对应的检测区域内混合物的混合状态变化情况及混合质量；根据多组超声换能器获得的相对超声衰减系数评判整个检测区域内混合物的混合状态变化情况及混合质量。

作为进一步优选的，根据单组超声换能器获得的相对衰减系数评判单组超声换能器对应的检测区域内混合物的混合状态变化情况及混合质量具体为：

(a)单组超声换能器对应的检测区域内混合物的混合状态变化情况通过稳定系数γ_i(t)进行评判，其计算表达式为：

其中，T是判断周期，稳定系数γ_i(t)值越大，混合状态变化越激烈；

(b)单组超声换能器对应的检测区域内混合物的混合质量通过质量系数δ_i(t)进行评判，其计算表达式为：

其中，质量系数δ_i(t)值越小表明混合质量越好。

作为进一步优选的，根据多组超声换能器获得的相对超声衰减系数评判整个检测区域内混合物的混合状态变化情况及混合质量具体为：

(a)整个检测区域内混合物的混合状态变化情况通过全局的混合稳定性系数σ_γ(t)进行评判，其计算表达式为：

其中，σ_γ(t)值越小说明整个检测区域内的混合状态越趋于稳定；

(b)整个检测区域内混合物的混合质量通过全局的混合质量系数σ_δ(t)进行评判，其计算表达式为：

其中，σ_δ(t)越小表明混合质量越好。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明能够实现混合物的均匀性、一致性等混合质量信息的非侵入式在线检测，为工业自动化和优化工艺参数等提供指导。

2.本发明能够进行在线检测，同时检测对象广泛，能够穿透金属、塑料等材料，适合阻光媒质的检测，能实现非接触式在线检测。

3.本发明在检测过程中传感器不需要移动、调整位置，具有较好的稳定性和可靠性，适用于恶劣的工业环境。

4.本发明易于实现、成本较低、响应快、对人体无害，且不会对工业过程产生附加的不利影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种混合质量超声在线非侵入式检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种混合质量超声在线非侵入式检测方法，其包括如下步骤：

(1)首先是布置测试装置，具体是在混合容器的四周均布n组超声换能器，n≥2，每组超声换能器均包括发射超声换能器和接收超声换能器，每组超声换能器中的发射超声换能器和接收超声换能器均与混合容器的外壁面接触，并且左右对称布置，即每组超声换能器中的发射超声换能器和接收超声换能器分设于混合容器的左侧和右侧，相向布置，并且位于同一水平面上，以此使得经过每组中的发射超声换能器的超声信号正好被同组中的接收超声换能器接收，发射超声换能器与激励模块相连，接收超声换能器与采集模块相连，采集模块对超声信号进行增益放大、滤波降噪后传输至数据分析模块，数据分析模块对超声信号进行数据分析，得出混合质量信息；

(2)各组超声换能器中的发射超声换能器在激励模块的触发下发出相同频率和功率的超声波，超声波经过与发射超声换能器相接触的混合容器壁面、混合容器内部(即混合物料区域)及与接收超声换能器相接触的混合容器壁面，最后被对应的接收超声换能器接收，各接收超声换能器接收到的超声信号被采集模块实时记录；

(3)在混合容器内放入纯水，采集模块记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_i0，i表示接收超声换能器的组别，排出纯水；

(4)保持激励模块触发发射超声换能器的重复频率和功率，在混合容器内放入标准混合物，采集模块记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_is，其中标准混合物是指与待测混合物配方相一致，但混合质量已到达稳定并为最优，排出标准混合物；

(5)保持激励模块触发发射超声换能器的重复频率和功率，在混合容器内放入待测混合物，采集模块实时记录接收超声换能器接收到的超声信号，其超声信号特征值记为p_i(t)，t为时间，其中待测混合物可以是正在搅拌混合、静止或者管道中流动的混合物；

(6)数据分析模块分别计算采集模块输入的各超声信号的相对衰减系数，第i组超声换能器的相对衰减系数计算表达式为：

其中，l_i为第i组接收超声换能器与发射超声换能器之间的距离，p_i(t)是采集模块实时采集的经过混合物的第i组接收超声换能器接收到的超声信号特征值，p_i0是采集模块采集的经过纯水时的第i组接收超声换能器接收到的超声信号特征值；其中，上述特征值可以是超声信号的最大幅值、平均值、均方值和均方根值等时域特征变量，也可以是超声信号经过快速傅里叶变化获得的频域信号的最大幅值、平均值、均方值和均方根值等；

(7)根据单组超声换能器获得的相对衰减系数评判单组超声换能器对应的检测区域(即局部区域)内混合物的混合状态变化情况及混合质量：

对于第i组超声换能器，其相对衰减系数变化规律反映了第i组超声换能器检测区域的混合状态变化情况，第i组超声换能器测量区域的相对衰减系数变化趋势通过稳定系数进行评判，其计算表达式为：

其中，T是判断周期，对于搅拌混合，可取桨叶转动1圈的时间，稳定系数γ_i(t)值越大，混合状态变化越激烈，当稳定系数γ_i(t)趋于减小为0时，表明检测区域混合质量逐渐趋于某一稳定状态；

使用相对衰减系数与标准衰减系数的差异反映混合质量的好坏，第i组超声换能器测量区域的质量系数计算表达为：

其中，α_is为标准衰减系数，δ_i(t)值越小，混合质量越好；

(8)根据多组超声换能器获得的相对超声衰减系数评判整个混合区域的混合质量，采用均方差来综合评判整个混合区域的混合状态和混合质量：

全局的混合稳定性系数计算表达式为：

其中，n为整个混合区域超声换能器的组数，σ_γ(t)值越小，说明整个混合区域内的状态越趋于稳定，当全局稳定系数σ_γ(t)趋于减小为0时，检测区域混合质量逐渐趋于某一稳定状态，此时，通过延迟生产时间对混合质量的改善作用有限；

全局的混合质量系数计算表达式为：

其中，σ_δ(t)越小，表明当前混合质量与标准质量差异越小，当σ_δ(t)接近于0时，表明混合质量达到预期的混合效果，混合终点达到。

图2为用于进行混合质量超声在线非侵入式检测的检测系统示意图，如图2所示，检测系统由激励模块2、采集模块3、数据分析模块4、控制器5和n组超声换能器构成，每组超声换能器包括接收超声换能器11和发射超声换能器12，发射超声换能器12和接收超声换能器11相向同轴布置。其中，激励模块2与发射超声换能器12相连，由激励模块2控制发射超声传感器12发送超声信号；采集模块3与接收超声换能器11相连，采集模块3对接收超声换能器11接收到的超声信号进行增益、滤波和降噪；数据分析模块4与采集模块3相连，接收经过采集模块3处理后的超声信号，数据分析模块4对超声信号进行分析计算，得到局部和全局的稳定系数和质量系数，输出至控制器5，控制器5进行结果显示和输出。

进一步地，发射超声换能器12和接收超声换能器11采用宽带平面超声换能器，发射超声换能器12和接收超声换能器11通过耦合剂与混合容器外壁面连接，该布置方式为非侵入式的检测方式，可用于监控管道或者搅拌槽中固液两相混合物均匀性，且不干扰混合过程。

进一步地，发射超声换能器12和接收超声换能器11也可直接插入混合容器内部，该布置方式结构最为简单，具有性能稳定、重复性高、测量过程中反射损失小和回波信号强度大等优点。

进一步地，接收超声换能器11也可设计成同时充当发声和接收超声波功能，即接收超声换能器11自发自收模型，取消发射超声换能器12。在激励模块触发下接收超声换能器11发出超声波，经过容器壁面和待检测固液混合物后，被对面的容器壁面反射，并被接收超声换能器11接收。

检测时，激励模块2按一定的重复频率(如100Hz)发射电脉冲，电脉冲信号送入发射超声传感器12中，进而触发发射超声换能器12发出超声波；发射超声换能器12发出的超声波依次经过与发射超声换能器12相接触的混合容器壁面、混合物料区域、与接收超声换能器11相接触的混合容器壁面，被同组中的相应的接收超声换能器11接收；激励模块2对各个发射超声换能器的重复频率和电脉冲功率保持一致，各个发射超声换能器12发出相同频率的超声波，激励模块2通过控制器5的同步信号保证各个发射超声换能器12的触发时间相同，在整个测量过程中，保持激励模块2触发发射换能器12的重复频率和功率不变；各个接收超声换能器11接收到的超声信号分别实时传输至采集模块3，超声信号经过采集模块3放大、滤波和降噪后传输至数据分析模块4，在整个测量过程中采集模块3的工作参数(如放大倍数、滤波方式等)保持一致。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。