同时测量泥沙浓度和三维瞬时流速的超声传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利、环境基本参数的原位实时测量设备技术领域，特别设及一种流 体测验中的含沙浓度和=维瞬时流速的原位同时测量传感器。
【背景技术】
[0002] 流体的=维瞬时流速是流体力学研究最重要的参数，据此可W分析素动水流的各 种统计参数（时均值、素动强度、概率密度、相关系数、功率谱分布等）和相干结构（縱祸尺 度、祸能分布、条带密度、巧发机制等）。
[0003] 在清水流体的流速测量中已有一些精密的仪器，如激光流速仪（LDV)、粒子图像测 速仪（PIV)和超声多普勒流速仪（ADV)等；在浑水流速的测量中，LDV和PIV均难W应用。 ADV虽然可用于浑水流速的测量，但现有的商用产品的测量盲区至少40mm，在测量区域不 大的条件下，如水深较小的河工模型试验中很难使用。
[0004] 对于含沙浓度的测量，国内外均有一些仪器可供选择，如超声多普勒浓度计、红外 浓度计、压力传感器等，而原位实时检测的仪器还不多见。一些文献报道采用ADV测量含沙 浓度，由测量水团内泥沙颗粒的散射回波信号检测含沙浓度，浓度越高，散射信号越强，即 假定含沙浓度与回波信号的强度正相关。由于超声波在传播过程中随路径增加和含沙浓 度的加大而衰减，在ADV的探头布置中，超声波来回传播的距离超过80mm，当含沙浓度较高 时，回波信号的衰减将远大于散射强度，即含沙浓度稍大（如大于l.Okg/m 3)时，接收到的 回波信号将急剧衰减而无法检测。
[0005] 钟强等人发明了 "一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装 置"(2013,【申请号】CN201310050828)，该装置采用测压管的方法测量时均流速；导光纤维图 像分析的方法测量含沙浓度。由于测压管的水头差与测点含沙浓度有关，必须两套系统禪 合计算才能得出结果，即浓度的测量精度会影响流速的测量精度，该装置只能测量水流的 一维时均流速。该装置的含沙浓度测量方法受到照射光不均匀和导光纤维性能的影响，测 量精度不高。
[0006] 综上所述，发明一种同时测量含沙浓度和=维瞬时流速的传感器具有重要的应用 价值。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种同时测量泥沙浓度和=维 瞬时流速的超声传感器，本发明的传感器形体小巧、结构简单、操作简便，测量方法可靠，适 用于室内试验及江河、湖波、海口等各种条件下，含沙浓度和=维瞬时流速的原位实时测 量，具有重要的生产应用和推广价值。
[000引本发明提出的一种同时测量泥沙浓度和=维瞬时流速的超声传感器，其特征在 于，该超声传感器包括外壳、温度感应元件、整流块、一块发射晶片和四块接收晶片，信号处 理器的转接口、通讯电缆和信号处理器，W及与用户测杆的连接螺扣；其中，整流块由前部、 后部w及连接前后部的过渡部组成；该发射晶片贴在整流块后部端面上，该四块接收晶片 分别贴在过渡部的四个表面上；所述外壳为一端封闭的壳体，该整流块的后部与过渡部置 于壳体内，整流块前部的后端外缘与壳体的开口端外缘封接构成一个整体的传感器头；壳 体的封闭端面开有各晶片电路的转接口，各晶片通过转接口用通讯电缆与设置在壳体外的 信号处理器相连；用户测杆的连接螺扣与壳体的封闭端面固接；温度感应元件粘贴在外壳 的内壁侧面。
[0009] 所述整流块的前部为流线型的球冠，后部为一长方体，过渡部为四面斜坡的梯形 台，中间为四面斜坡的梯形台过渡部，斜坡面与前部横切面呈15度夹角；四个斜坡面上分 别粘贴四块接收晶片；整流块后部的端面粘贴发射晶片。
[0010] 所述发射晶片采用压电复合材料制成的方形片，中屯、频率15MHz，带宽为7. 5? 22.5MHz ;4块接收晶片的特性与发射晶片相同，粘贴在整流块过渡部的斜坡面上，与横截 面的夹角a =15° ;4块接收晶片与整流块中轴线对称。
[0011] 所述信号处理器由信号发送单元、信号采集单元和中央处理单元组成；其中，该信 号发送单元，为发射晶片提供激发超声波的能量并控制发射晶片激发的频率；该信号采集 单元用于接收发射晶片发出的超声波的回波，再对回波进行放大并转换成数字信号；该中 央处理单元，用于对数字信号进行进行傅里叶变换或小波变换，求得信号的能量强度和多 普勒频移量，并打包后传给W太网总线接口。
[0012] 所述信号发送单元由高压电源和激发单元组成。
[0013] 所述信号采集单元由四路独立放大单元和高速数据采样单元组成，每个独立放大 单元的总增益为83地，动态可调范围为60地；一巧四路的高速数据采样单元每路独立的采 样速度为125MHz，采样位宽为14bit，实现四路并行同步采样。
[0014] 所述中央处理单元为一片高密度现场可编程逻辑阵列巧片，内嵌有信号处理程 序，由逻辑控制单元、数据输入缓存单元、数字滤波单元、计算单元、数据输出缓存单元、W 太网地址控制器和W太网总线接口组成。
[0015] 本发明的特点及有益效果
[0016] 该传感器根据超声测量的基本原理，由超声波的回波能量检测含沙浓度，回波的 频移量测定水流的=维瞬时流速，实现一个传感器同时原位实时观测含沙浓度和=维瞬时 流速。该传感器由一个超声波发射晶片、四个接收晶片，W及整流块组成。超声波发射晶片 发射一串连续的规则超声波，穿过整流块后进入水体，当到达浓度测量的微小水团时，由于 此水团中颗粒对超声波的散射，部分散射信号回射到接收晶片；检测回波的能量，根据标定 的浓度一-能量关系得出测量水团的含沙浓度。同一串高频的连续规则超声波到达稍远处 的流速测量的微小水团时，水团中颗粒的散射信号回射到接收晶片；测定回波的频移量，根 据四个接收晶片布置的几何关系和流速一-频移量关系，重构W后得出测量水团的S维瞬 时流速。
[0017] 本发明形体小巧、结构简单、操作简便，适用于室内试验及江河、湖波、海口等各种 自然水域条件下的同时原位实时测量。
【附图说明】
[001引图1为本发明传感器的纵剖面示意图。
[0019] 图2为本发明传感器接收晶片位置的横截面示意图。
[0020] 图3为本发明的整流块示意图。
[0021] 图4为本发明的信号处理电路框图。
[0022] 图5为本发明的流场S维重构计算示意图。
【具体实施方式】
[0023] W下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0024] 本发明提出的同时测量泥沙浓度和=维瞬时流速的超声传感器，总体结构示意如 图1和图2。包括外壳D、温度感应元件Tem，整流块前部G、过渡部M和后部P，一块发射晶 片R和四块接收晶片S1、S2、S3和S4,信号处理器的转接口 J、通讯电缆T和信号处理器E， W及与用户测杆的连接螺扣H ;该发射晶片R贴在整流块后部P的端面上，该四块接收晶片 S1、S2、S3和S4均匀贴在过渡部M的四个斜坡面上；所述外壳D为一端封闭的壳体，该整流 块的后部P和过渡部M置于壳体内，整流块的前部G的后端外缘与壳体的开口端外缘封接 构成一个整体的传感器头；壳体的封闭端面开有各晶片电路的转接口 J，再通过通讯电缆T 与设置在壳体外的信号处理器E相连；用户测杆的连接螺扣H与壳体的封闭端面固接；温 度感应元件Tem粘贴在外壳内壁面。
[0025] 本传感器各部件的功能及具体实现方式说明如下：
[0026] 整流块的实施例形状如图3所示。整流块选用水声性能良好的材料（如声阻抗与 水接近的聚氣己締、有机玻璃等）加工而成，分为前部G、后部P和过渡部M。前部G为直径 9mm、厚度2mm的流线型的球冠，后部P为一长方体，过渡部M为四面斜坡的梯形台，斜坡面 与前部横切面呈15度夹角，梯形台前、后横截面尺寸分别为9mmX9mm、3mmX3mm，斜坡面上 粘贴接收晶片S1、S2、S3和S4。整流块的后部P为长8mm、截面3mmX 3mm的长方体，其后端 面粘贴发射晶片R。
[0027] 本实施例的整流块前端微凸，与毕托管形状一致，该一形状具有两方面的作用：对 发射信号而言，整流块可消除不规则声场对信号定量检测的影响，并减小探头的测量盲区； 对待测水体而言，整流块外形减小了传感器形体对水流流场的影响。
[002引本发明的整流块的形状不局限于上述实施例，只要满足上述要求的其它形状均 可，如前部端面为流线形体，后部为圆柱体，过渡部将前部与后部相连的相应形体。
[0029] 发射晶片R用一片娃基切割成格栅形缝隙、再在缝隙中填充环氧构成的压电复合 材料制成，尺寸为3mmX 3mm的方形，中屯、频率15MHz，带宽±50%，即在7. 5?22. 5MHz的 频率范围内传感器均具有良好的动态响应；发射晶片R安装在整流块后部P的端面上。4块 接收晶片S1?S4与发射晶片R材料相同，尺寸为3mmX3. 5mm的矩形，分别粘贴在整流块 过渡部M的四面斜坡面上，与横截面的夹角a =15°，4块接收晶片与整流块中轴线对称。
[0030] 温度感应元件Tem采用HTU21D温度传感器，外形尺寸为3X3X1. 13mm3,粘贴在外 壳D后部内侧，采用双线I化通信协议与数据输入缓存单元MR直接通讯，再将温度数据传 送至信号处理器E。
[0031] 将发射晶片R和接收晶片S1?S4安装在整流块上W后整体封装在长度50mm、直 径10mm的外壳D内，各晶片通过转接口用通讯电缆T与信号处理器E通讯。整流块前部G 与外壳D-起构成传感器的整体外形，外壳后端设有螺扣H可与用户支撑杆连接，便于用户 用测架安装。
[0032] 上述各部件构成一个整体的传感器头。
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