本實用新型涉及超聲波液固兩相流測量、水文儀器、泥沙粒徑技術(shù)領(lǐng)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儀。

背景技術(shù)：

水是生命之本，是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。我國現(xiàn)階段的水資源問題日益突出，河流懸移質(zhì)的研究對于自然界的水循環(huán)、分布和利用都有著很大的影響。

河流懸移質(zhì)的粒徑的大小和分布可以反映出河流水體運動的信息，對于水利工程的建造和水利機械的保護都有著指導(dǎo)性的意義。

測量懸移質(zhì)粒徑的方法從耗費大量人力的篩分法、稱重法、粒徑計法、吸管法、消光法和離心法，到后來的顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法(庫爾特法)量、光散射法、全息照相法等，逐漸向著高精度,高自動化的方向發(fā)展。其中電感應(yīng)法分辨率高、重復(fù)性好，光散射法測量范圍廣、可在線非接觸測量方便、兩者快速方便，均有著不錯的前景。但由于測量原理，電感應(yīng)法動態(tài)范圍窄，光散射法無法對不透光流體進行測量。超聲波具有穿透力強、束射性好、能量大等特點，在固-液兩相、濃度較高的場合具有廣闊的應(yīng)用前景。

超聲波法的懸移質(zhì)粒徑是利用超聲波在水中傳播時在介質(zhì)中發(fā)生各種反射折射現(xiàn)象導(dǎo)致的衰減測量的。衰減的程度用衰減系數(shù)表征，衰減系數(shù)與懸浮顆粒和水體密度、顆粒的濃度、顆粒粒徑、超聲波頻率以及流體動力黏滯系數(shù)等密切相關(guān)?，F(xiàn)有的超聲粒徑或濃度測量儀器均采用平面式超聲換能器，僅使用一個超聲波換能器放置在流體一側(cè)形成自收自發(fā)式測量系統(tǒng)或者將兩個換能器放置在流體兩側(cè)或一側(cè)形成一收一發(fā)式。由于懸移質(zhì)顆粒粒徑的跨度極大，物質(zhì)狀態(tài)情況不一，密度也各不相同，超聲波在眾多不同的顆粒表面的反射波完全不同。另一方面，同一顆粒由于表面因素對不同的入射波也會產(chǎn)生不同的效果。在自然界測量時，流體信息不全面，同時每個顆粒的反射波也將相互影響，采用一般的超聲波模型無法準(zhǔn)確描述。目前，對現(xiàn)有模型的不斷完善以及建立新的物理模型已成為當(dāng)前PSD測量的研究熱點，且有著與納米測量接軌的趨勢。

掃頻技術(shù)是電子測量中的一種重要技術(shù),廣泛用于調(diào)頻放大器、寬頻帶放大器、各種濾波器、鑒相器以及其他有源或無源網(wǎng)絡(luò)的頻率特性的測量，超聲衰減與頻率密切相關(guān)，為了更好地獲得粒徑信息，需要在不同地方采用不同頻率，掃頻信號源是整個測量系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

聚焦式超聲波換能器發(fā)出的超聲波在介質(zhì)傳播時，由于外部噪聲、介質(zhì)不均勻等原因使得到達聲波和反射聲波之間出現(xiàn)聲場干涉的現(xiàn)象。在空間中形成干涉條紋并產(chǎn)生聚焦，使得聲耗散大大減小，聲束方向性好。能量集中。目前聚焦式超聲波換能器被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療中，在超聲波測量中有著很好的前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種掃頻式超聲波聚焦式泥沙粒徑分布在線測量儀。本實用新型操作簡單，安全性高，在提高分辨率和靈敏度的同時有著更廣的測量范圍和良好的適應(yīng)性。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：

本實用新型包括一發(fā)一收式的一對聚焦式超聲波換能器、探測箱體、電纜繩、控制主機和相應(yīng)電路，所述的聚焦式超聲波換能器采用球形陣列聚焦方式，發(fā)送端的聚焦式超聲波換能器將相應(yīng)電路中的信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻信號轉(zhuǎn)化為有方向性的超聲波束，被中心頻率一致的接收端的聚焦式超聲波換能器接收。所述的相應(yīng)電路包含信號發(fā)生模塊和信號處理模塊。所述的信號發(fā)生模塊的核心為基于DDS的掃頻信號發(fā)生器。所述的信號處理模塊包括信號采集電路、放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，信號處理模塊與接收端的聚焦式超聲波換能器相連。所述的探測箱體為長方體形，通過電纜繩與水上的控制主機相連，探測箱體的一對側(cè)面上安裝所述的一對聚焦式超聲波換能器，探測箱體貫通，使得懸移質(zhì)水體能夠流通。所述的控制主機為長方體盒體，內(nèi)含小型發(fā)電機和控制芯片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：

1、采用了聚焦式超聲換能器，大大減小了超聲在傳播過程中的散射衰減，使得能量更加集中，接收探頭得到的能量大幅提高，衰減信息更加全面，利于信號分析和衰減模型的建立。

2、在信號發(fā)生源處加上掃頻設(shè)計，使用寬頻帶的超聲波換能器，超聲探頭可以和信號發(fā)生器良好地匹配，在不同工況下采用合適頻率的超聲波，擴大了測量范圍，提高了儀器的適應(yīng)性、實用性和測量精度。

附圖說明

圖1為聚焦式超聲波探頭示意圖；

圖2為測量原理圖；

圖3為掃頻信號發(fā)生電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。

探測箱體9為擁有四個完整側(cè)面一個長方體，另外兩個對立面開通，使懸移質(zhì)水體可以流通，兩個聚焦式超聲波換能器1、2對稱貼在所述探測箱體9的一對側(cè)面上。橫截面為弧形的外殼12包裹在所述的聚焦式超聲換能器所在的面，減小探測箱體9外部流體流動的阻力的同時有利于超聲換能器的保護。電纜8一端連著發(fā)動機7，另一端與所述的超聲波發(fā)射換能器1相連，在控制主機中輸入下降指令后，啟動發(fā)動機7，將電纜8下放相應(yīng)的距離，所述的探測箱體9放入至水下且兩個聚焦式超聲換能器1、2完全浸沒在水中。

在顯示屏62上輸入想要的波形以及掃頻信號產(chǎn)生所需要的時間頻率的相關(guān)的一系列參數(shù)61，加法器63和掃頻速度控制單元68分別通過參數(shù)產(chǎn)生掃頻信號對應(yīng)的頻率控制字64和速度控制字69。所述的速度控制字69經(jīng)計數(shù)器610累計到加法器63中，所述的頻率控制字64存儲在存儲器65中，傳達到DDS信號源66中。所述的DDS信號源66根據(jù)參數(shù)61、頻率控制字64和速度控制字69產(chǎn)生數(shù)字掃頻信號67。

所述的數(shù)字掃頻信號67在電纜繩8中傳播，傳到了聚焦式超聲波發(fā)射換能器1中。所述的聚焦式超聲波換能器1、2采用了球形陣列聚焦方式，在半球形的殼體11上布滿了大量大小一致形狀相同的陣列單元12。所述的掃頻信號到達發(fā)射超聲探頭1中時，由于各個陣列單元12接收再發(fā)射出去的超聲波存在的相位差，各束波間發(fā)生了干涉作用，傳播過程中逐漸形成一束能量集中的主波束，散射損失大大減小的前提下，接收超聲探頭2接收到的掃頻信號67的能量也大大增加，提高了整個系統(tǒng)的靈敏度的測量精度。所述的聚焦式超聲探頭1、2的中心頻率為1.13MHz，故所述的掃頻信號67的頻率值不能偏離1.13MHz太遠。所述的聚焦式接收換能器2把接收到的衰減信號通過電纜傳輸?shù)叫盘柌杉?中。

所述信號采集卡3完成了信號采集、放大、濾波等處理，使信號可以被更好地后續(xù)處理。A/D芯片4將信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，用基于編程語言matlab的DSP芯片5進行數(shù)據(jù)處理和運算。

所述的信號發(fā)生模塊的核心為基于DDS的掃頻信號發(fā)生器6，可用DSP、單片機等匯編語言實現(xiàn)掃頻功能。所述的信號處理模塊包括信號采集、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等。所述的探測箱體為長方體形，通過電纜與水上的控制主機相連。所述的電纜一邊連接探測箱體，另一邊與電動機相連，可以到達電纜長度范圍內(nèi)的水下任意深度。所述的控制主機為長方體盒體，內(nèi)含小型發(fā)電機和控制芯片5。所述的信號處理的目標(biāo)信號和粒徑大小間的換算公式基于超聲衰減法，由實驗可以獲得。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實用新型技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。