本發明涉及超聲波液固兩相流測量、信號處理、泥沙粒徑技術、模式識別領域，特別是涉及一種掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量方法。
背景技術：
：自然水體中的泥沙顆粒問題關系到水利機械、河岸農業、海陸資源、生態環境等多方面的問題。在工業生產的多個領域，包括醫療制藥、能源運輸等，準確測量液體中的顆粒大小至關重要。傳統的測懸移質粒徑的方法包括稱重法、粒徑計法、吸管法、篩分法、消光法和離心法等。目前廣泛應用的測粒方法為：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應法(庫爾特法)量、光散射法、及其它方法(如全息照相法等)。篩分法簡單易懂，但是測量結果無法精確到具體數值，整體過程要消耗大量勞力，且當顆粒小至一定程度，篩子的工藝難度大以致粒徑無法得到區分。沉降法從上世紀70年代大量被運用到如今已經發展出不同分支，操作簡單但過程時間長，無法進行實時在線測量，此外顆粒粒徑極小時會產生凝聚現象。顯微鏡法最為直觀，但需要人眼識別，無法在線測量，當顆粒過多或者分布過廣時，易產生疲勞及發生錯誤。電感應法快速方便，有著較高的分辨率和重復性，但動態測試范圍比較小，孔容易產生堵塞，受電解質濃度的影響比較大。光散射法的測量范圍廣，快速高效，可在線非接觸測量，但分辨率低，當介質透光性較差時無法實現，不適宜窄分布以及高濃度情況測量。超聲波穿透性好、頻帶寬、無干擾、實時性好，在濃度測量、粒徑分布、流型識別等多相流領域均有著很好的應用前景。粒徑分布方面的研究多與濃度一起，基于超聲波衰減理論，結合實驗數據并經過一定的數據處理獲得相應的測量模型。由于自然界中懸浮顆粒的尺寸從納米級到微米級跨度極大，組成成分涵蓋固液氣三態，顆粒的組成物質極有可能含有多種，不同的粒徑大小和顆粒組成情況對超聲波的反射及折射不一樣。另一方面。顆粒間的相互作用以及顆粒反射的波形間的影響也會導致最終接收波形的改變。衰減情況的復雜性使得一般的超聲波模型無法準確描述，懸移質粒徑分布（PSD）的測量十分困難。目前，對現有模型的不斷完善以及建立新的物理模型已成為當前PSD測量的研究熱點。聚焦式超聲波換能器由于其能量大，集中性好，被廣泛應用于腫瘤治療中，其發出的超聲波在介質傳播時，由于外部噪聲、介質不均勻等原因使得到達聲波和反射聲波之間出現聲場干涉的現象。隨著空間水平位置變化，聲場會有能量起伏，在聲場干涉圖形邊線處形成明暗條紋，其能量匯聚點稱為聲聚焦點。技術實現要素：為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量方法。本發明步驟清晰，操作簡單，原理易懂，測量準確度高。本發明所采用的技術方案是：搭建一套以聚焦式超聲波探頭為核心的測量裝置，同時用篩分法配置不同粒徑大小的泥沙樣本，用顯微鏡法獲得各個樣本的平均粒徑。測量前，對測量系統進行調試，準確無誤后啟動測量裝置。改變超聲波頻率，在不同的超聲波頻率下進行一系列以泥沙粒徑為變量的實驗，獲取接收波形的數據。對采集到的信號進行基于希爾伯特變換的相空間分割（ASSP算法）和符號動態濾波（SDF算法），得到與粒徑相關的參數值測度。對不同頻率下測度與泥沙粒徑的散點圖進行數據擬合，得到泥沙粒徑測量模型。所述的聚焦式超聲波探頭為球面電子相控陣列聚焦，中心頻率為1.13MHz。所述的相空間分割基于希爾伯特變換，將時間序列變換成為復數域的解析信號，映射到二維相空間并根據幅值和相角進行分割。所述的符號動態濾波依賴D-Markov機的建立，需將符號序列中的D個連續符號作為一個狀態進行轉移概率分析得到狀態概率矩陣。所述的D-Markov機得到的狀態概率矩陣的左特征向量經過運算可以得到測度，在相同頻率及濃度條件下可以反映出泥沙粒徑的信息。所述的超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量測量裝置由信號發生模塊、超聲換能模塊及數據采集模塊三大模塊組成，所述的信號發生模塊包括信號發生器和功率放大器，所述的超聲換能模塊包括聚焦式超聲波發射探頭和聚焦式超聲波接收探頭，所述的數據采集模塊包括功率放大器和示波器。所述的信號發生器發出的初始信號需要調節，頻率依次設定為400k、600k、800k、1.0M、1.13M、1.3M、1.5M和1.7MHz，峰峰值為2Vpp，形式為猝發波。所述的功率放放大器按需要均設定為2.5倍。所述的示波器采樣頻率為5MHz，單次采樣點數為7000個。所述的采樣點用USB設備儲存。與現有技術相比，本發明的有益效果是；1、本發明采用的聚焦式超聲波換能器，在超聲傳播過程中向固定方向聚焦，可以有效減少傳播過程中的散射衰減，增加接收換能器處可接受的聲能，提高信噪比以及整個測量系統的靈敏度和測量精度，泥沙含量預測的準確性得以提高。2、本發明在信號處理方面采用了基于希爾伯特變換的相空間分割結合符號動態濾波D-Markov機，相較于傳統的小波變換等方法，信號的運算處理更加快速。異常值檢測的方法對于微小濃度變化引起的信號的變化更加敏感。3、本發明在發射端加上了掃頻功能，使得該實驗結果可以運用于多地的不同河流，擴展了測量裝置的測量范圍，使其有著更好的地域適應性。附圖說明圖1為總體測量原理圖。具體實施方式下面結合附圖1對本發明作進一步的說明。搭建一套以聚焦式超聲波探頭為核心的測量裝置，所述的超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量測量裝置由信號發生模塊、超聲換能模塊及數據采集模塊三大模塊組成，所述的信號發生模塊包括信號發生器和功率放大器，所述的超聲換能模塊包括聚焦式超聲波發射探頭和聚焦式超聲波接收探頭，所述的數據采集模塊包括功率放大器和示波器。所述的信號發生器發出的初始信號需要調節，頻率5依次設定為400k、600k、800k、1.0M、1.13M、1.3M、1.5M和1.7MHz，峰峰值為2Vpp，形式為猝發波。所述的功率放放大器按需要均設定為2.5倍。所述的示波器采樣頻率為5MHz，單次采樣點數為7000個。所述的采樣點用USB設備儲存。所述的聚焦式超聲波探頭為球面電子相控陣列聚焦，中心頻率為1.13MHz。獲取錢塘江水岸的淤積泥沙，清洗烘干后用數個外形尺寸一致但篩孔個數不同的篩子將樣品沙篩分為幾個粒徑區間，用顯微鏡法獲得各個區間樣本的平均粒徑1。每個區間樣本中稱取固定質量的沙子置于試管，編號，獲得不同粒徑1的等質量的樣本若干。測量前，對測量系統進行調試，準確無誤后啟動測量裝置。對于每一組的粒徑1，保持容器內的水量不變，逐次加入各試管沙洋，每加入一試管沙樣前，記錄其在幾個設定頻率5下的超聲接收波形。USB設備記錄各組波形并做好對應記錄。將數據采集卡采集到的離散信號提取得到x(n)，對其進行希爾伯特變換，視為信號x(n)和一個等效的濾波器h(t)的卷積。根據傅里葉變換后的形式可以反推出h(t)在時域上的信號表現形式。將解析信號進行傅里葉變換，表示為頻域上的兩個信號的乘積，化簡后，對應的信號可以表示為：(1)以為極坐標的r軸、為軸，建系，原始信號被映射到極坐標系的二維相空間內。在二維相空間內，內對信號的幅值和相角分別進行最大熵分割法。將幅值等概率地分為x組，相角等概率地分為y組，整個信號的相空間被分為n=xy個區域，每一個區域都由一組包含幅值信息和和相位信息的符號對表示，用符號表X來表示所有符號對的集合：(2)基于希爾伯特變換的相空間分割（ASSP算法）6完成。將符號序列中的D個連續符號作為一個狀態進行轉移概率分析。一個狀態S在最后加上一個符號，脫去第一個符號成為了一個新的狀態S’，就完成了一次狀態轉移，每一個特定的狀態S向其他所有的可以轉移的不同狀態轉移的概率之和為1。假設狀態j的符號序列S為s1s2……sD，若狀態j可以轉移為狀態k，則狀態k的符號序列S’為s2s3……sD+1。將符號序列s1s2……sD以及符號序列s1s2s3……sD+1的個數分別記為N和M,那么:(3)將每一個轉移的概率按順序排列為方陣，即得到了該狀態的狀態轉移矩陣。對k時刻的前后兩個狀態矩陣進行運算，得到兩個矩陣的左特征向量向量p和p’，測度3定義為：(4)符號動態濾波（SDF算法）7完成。對不同頻率5下測度3與泥沙粒徑1的散點圖進行數據擬合，得到泥沙粒徑1測量模型4。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。當前第1頁1 2 3