基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法

文档序号:6182385阅读:199来源:国知局
基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法,将超声检测应用在河流泥沙颗粒粒径的检测,由于Schotle波能量主要集中在流固界面附近的流体内,且其幅度最大、频散小,检测精度高的特点,检测装置由单片机智能控制模块产生脉冲信号,激励信号发生模块将信号发射出多路Scholte波,再由接收模块接收相应Scholte波,将信号传输给单片机智能控制模块进行计算处理,得到关于Scholte波波数和颗粒粒径的关系图,为现有颗粒粒径检测的缺陷起到了很好的弥补作用,且装置体积小,易于携带,使用方便,适合野外河流泥沙颗粒粒径检测使用,对粒径的检测范围广,可靠性高,有利于实际的推广及使用。
【专利说明】基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及了一种基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法,属于超声检测及分析【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于河流泥沙淤积导致的问题涉及到对水库寿命、库区淹没、库尾段航道、港区的演变,坝区船闸、电站的正常运用,以及枢纽下游河床冲刷、水位降低、河道演变对防洪和航运的影响,目前,检测河流中的泥沙颗粒粒径的方法,主要有以下几种:
[0003](I)筛选法:选择不同筛孔等级的筛子,由上到下将筛子按筛孔从小到大的顺序排列,然后将被测样品放在最上方的筛子上,样品依次通过各个筛子使样品分离成若干等级,从而得到样品粒径分布,筛分法主要用于粒径较大颗粒的测量;
[0004](2)显微镜图像法:(XD摄像头将显微镜放大后的图像拍摄成像,然后通过图形采集卡将CCD摄像头拍摄的图像数据传输到计算机中,由计算机中的图形处理软件对采集的平面图像进行边缘识别等处理,从而得出颗粒的粒径;
[0005](3)沉降法:利用颗粒在重力场作用下自由沉降的重力沉降法和利用颗粒在离心力作用下沉降的离心沉降法,根据颗粒在液体中的最终沉降速度确定颗粒粒径的大小尺寸;
[0006](4)电磁感应法:又称库尔特法,根据悬浮于电解液的颗粒流过孔口时的电阻变化来测量颗粒粒径,仪测量下限受背景噪声的影响,粒径不能太大,颗粒粒径太大时会在电解液中沉降导致漏测,使测量结果不准确;
[0007](5)光散射法:基于光的散射原理来测量颗粒粒径,当光入射到颗粒上时将在三维空间向四周散射,光的散射参数与颗粒的粒径密切相关,因此可以利用光散射法来测量粒径。
[0008]根据上述的方法,虽然可以对颗粒的粒径进行测量,但是存在测量范围窄、下限较高,一次测量时间长,不能在线检测等缺点,且精度较低,达不到要求的精度,无法满足工程检测的要求。

【发明内容】

[0009]本发明的目的克服现有技术中的不足,提供的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置及方法,将超声检测应用在河流泥沙颗粒粒径的检测,利用Scholte波相对幅度大及对两侧介质敏感特性,大大提高检测的精度,且体积小,易于携带,使用方便,适合野外河流泥沙颗粒粒径检测使用,对粒径的检测范围广,可靠性高,有利于实际的推广及使用。
[0010]为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
[0011]一种基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:包括
[0012]智能控制模块,用于产生脉冲信号,并处理接收的沿流固界面传播后的Scholte波及显示;[0013]激励信号发射模块,用于接收单片机智能控制模块发出的脉冲信号,激励产生多路 Scholte 波;
[0014]信号接收模块,用于接收沿流固界面传播后的Scholte波;
[0015]所述智能控制模块的脉冲信号输出端与激励信号发射模块的脉冲信号输入端相连接,所述激励信号发射模块的输出端输出多路Scholte波,多路Scholte波贯穿流固界面,并与信号接收模块的输入端相连接,所述信号接收模块的输出端与智能控制模块的信号输入端相连接。
[0016]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述智能控制模块包括
[0017]信号发生电路,用于产生脉冲信号;
[0018]功率放大电路,用于放大产生的脉冲信号;
[0019]显示电路,用于流固界面中颗粒粒径特性;
[0020]信号处理电路,用于处理接收的沿流固界面传播后的Scholte波;
[0021]还包括分别与信号发生电路、显示电路和信号处理电路相连接的单片机,所述信号发生电路通过功率放大电路与激励信号发射模块相连接,所述信号处理电路与信号接收模块的输出端相连接。
[0022]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述激励信号发射模块包括超声换能器,所述超声换能器采用压电陶瓷片作为将脉冲信号转化为超声信号。
[0023]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述信号接收模块包括陶瓷片换能器、滤波电路、信号放大电路。
[0024]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:超声换能器和陶瓷片换能器的外壁涂有至少一层的耦合剂。
[0025]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:智能控制模块产生脉冲信号为方波脉冲信号。
[0026]运用在上述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置的检测方法,其特征在于:处理贯穿流固界面的Scholte波,测定流固界面的悬浮液中泥沙颗粒的粒径,包括以下步骤,
[0027]步骤(1),根据位移与势函数的关系、应力与势函数的关系、流固界面的边界条件,推导出贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程;
[0028]步骤(2),对流固界面底部的泥沙、固体侧性质参数测量,作为已知量,代入贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程;
[0029]步骤(3),选取模型,对贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程进行分析,得出Scholte波波数和泥沙颗粒粒径的关系式,计算得到流固界面内的泥沙颗粒的粒径。
[0030]前述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测方法,其特征在于:步骤(I)推导出贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程的方法为,
[0031 ] (I),在流固界面处,当流体侧和流体饱和多孔介质侧为半无限空间介质时,流固界面中传播的平面波的位移势函数为:
[0032]
【权利要求】
1.基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:包括 智能控制模块,用于产生脉冲信号,并处理接收的沿流固界面传播后的Scholte波及显示; 激励信号发射模块,用于接收单片机智能控制模块发出的脉冲信号,激励产生多路Scholte 波; 信号接收模块,用于接收沿流固界面传播后的Scholte波; 所述智能控制模块的脉冲信号输出端与激励信号发射模块的脉冲信号输入端相连接,所述激励信号发射模块的输出端输出多路Scholte波,多路Scholte波贯穿流固界面,并与信号接收模块的输入端相连接,所述信号接收模块的输出端与智能控制模块的信号输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述智能控制模块包括 信号发生电路,用于产生脉冲信号; 功率放大电路,用于放大产生的脉冲信号; 显示电路,用于流固界面中颗粒粒径特性; 信号处理电路,用于处理接收的沿流固界面传播后的Scholte波; 还包括分别与信号发生电路、显示电路和信号处理电路相连接的单片机,所述信号发生电路通过功率放大电路与 激励信号发射模块相连接,所述信号处理电路与信号接收模块的输出端相连接。
3.根据权利要求1所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述激励信号发射模块包括超声换能器,所述超声换能器采用压电陶瓷片作为将脉冲信号转化为超声信号。
4.根据权利要求1所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:所述信号接收模块包括陶瓷片换能器、滤波电路、信号放大电路。
5.根据权利要求3或4所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:超声换能器和陶瓷片换能器的外壁涂有至少一层的耦合剂。
6.根据权利要求1所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置,其特征在于:智能控制模块产生脉冲信号为方波脉冲信号。
7.运用在权利要求1的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测装置的检测方法,其特征在于:处理贯穿流固界面的Scholte波,测定流固界面的悬浮液中泥沙颗粒的粒径,包括以下步骤, 步骤(1),根据位移与势函数的关系、应力与势函数的关系、流固界面的边界条件,推导出贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程; 步骤(2),对流固界面底部的泥沙、固体侧性质参数测量,作为已知量,代入贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程; 步骤(3),选取模型,对贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程进行分析,得出Scholte波波数和泥沙颗粒粒径的关系式,计算得到流固界面内的泥沙颗粒的粒径。
8.根据权利要求7所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测方法,其特征在于:步骤(I)推导出贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程的方法为,(1),在流固界面处,当流体侧和流体饱和多孔介质侧为半无限空间介质时,流固界面中传播的平面波的位移势函数为:
9.根据权利要求7所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测方法,其特征在于:步骤(3),选取模型为Urick and Ament模型
10.根据权利要求9所述的基于流固界面波的泥沙颗粒粒径检测方法,其特征在于:根据选取的Urick and Ament模型,对贯穿流固界面后的Scholte波的特征方程进行分析,得出Scholte波波数和泥沙颗粒粒径的关系式为,
【文档编号】G01N15/02GK103604728SQ201310545019
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】韩庆邦, 毛志斌, 谢祖锋, 徐杉, 朱昌平, 李建, 殷澄, 汤一彬 申请人:河海大学常州校区
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